盾構(gòu)下穿不同階段沉降影響分析

賀雪來

【摘 要】 以溁湖區(qū)間下穿既有2號(hào)線隧道中MJS加固為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬手段對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估MJS加固的效果。同時(shí)分析不同施工階段既有隧道沉降量，總結(jié)沉降規(guī)律并提出相應(yīng)施工建議。

近年來，城市化水平的提高，大中城市的增加，使得城市中的問題逐漸增多，需要走城市可持續(xù)發(fā)展道路，尤其是人口密度的增加給交通帶來了巨大的壓力，這就促使我們要充分利用地下空間，提高土地利用率，緩解城市交通壓力。城市交通壓力不斷增大，城市軌道交通建設(shè)成為解決城市交通壓力的重要手段。隨著軌道交通規(guī)模的不斷增大，帶來許多具有挑戰(zhàn)的工程難題。特別是在一些軟土地區(qū)淺埋盾構(gòu)掘進(jìn)工程施工過程中，特別是在下穿隧道、管線以及建（構(gòu)）筑物的保護(hù)上，如何處理不造成嚴(yán)重后果，如何在掘進(jìn)過程中對(duì)周邊軌道交通工程實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)一直是工程界面臨的難題。

本文對(duì)地鐵盾構(gòu)施工引起的地表形變規(guī)律影響因素進(jìn)行研究，并運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)長沙4號(hào)線溁灣鎮(zhèn)～湖南師大站下穿既有2號(hào)線部分進(jìn)行模擬，同時(shí)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)以及模擬結(jié)果對(duì)比分析，總結(jié)出其中規(guī)律并提出合理施工建議。

1 FLAC3D計(jì)算原理

FLAC3D程序在數(shù)學(xué)上采用快速拉格朗日方法，基于顯式差分來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)方程的步長解，其本構(gòu)方程由基本應(yīng)力應(yīng)變定義及虎克定律導(dǎo)出，運(yùn)動(dòng)平衡方程則直接應(yīng)用了柯西運(yùn)動(dòng)方程，該方程由牛頓運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出[4～6]。質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是由應(yīng)力張量定義。由柯西公式，任意平面上單位法向量上的力矢可以表示為式（1）：

總的來說，F(xiàn)LAC3D計(jì)算簡單的理解：在已經(jīng)做得好的模型上，通過命令輸入的形式，讓模型上的節(jié)點(diǎn)獲得該點(diǎn)的所有參數(shù)，然后FLAC3D軟件通過系統(tǒng)自帶的計(jì)算方程，通過計(jì)算重新賦值給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)之間則通過插值法完善節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的曲線，最后獲得完整的云圖。

2 工程概況與模型建立

軌道交通4號(hào)線溁灣鎮(zhèn)站～湖南師大站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間縱坡為單向坡，最小坡度0.2%，最大坡度2.6%，豎曲線半徑分別為3000 m、5000 m。地鐵4號(hào)線區(qū)間左線和右線分別始發(fā)38.7 m、28.7 m后下穿既有地鐵2號(hào)線，交叉段距離為27 m。既有2號(hào)線區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，內(nèi)徑5.4m，外徑6.0 m。4號(hào)線區(qū)間與既有2號(hào)線區(qū)間隧道輪廓最小豎向凈距為2.863 m。下圖1為盾構(gòu)下穿既有軌道交通2號(hào)線的位置關(guān)系與地質(zhì)剖面圖。

既有2號(hào)線區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，內(nèi)徑5.4 m，外徑6 m，4號(hào)線區(qū)間與既有2號(hào)線區(qū)間隧道輪廓最小豎向凈距2.86 m。設(shè)計(jì)采用“豎井+MJS水平旋噴”方案對(duì)既有2號(hào)線隧道進(jìn)行預(yù)保護(hù)。每個(gè)豎井設(shè)置13根直徑為2.0米半圓水平旋噴樁，每根樁長42 m，具體布設(shè)見圖2。

由于MJS加固體是半環(huán)繞的隧道，且上下兩條隧道是斜交關(guān)系。前處理建模軟件采用Hypermesh進(jìn)行，所得在建隧道與既有隧道之間位置關(guān)系具體效果如下圖3所示以及平面圖如圖4所示。

本次模型取地表為自由邊界，其他面法向固定。隧道土體開挖采用空模型，土體采用摩爾-庫倫模型，盾構(gòu)管片采用殼單元[7，8]。MJS樁采用彈性模型根據(jù)實(shí)際情況，既有2號(hào)線隧道埋深11.9 m。在建的4號(hào)線隧道埋深約19 m，隧道外徑6 m。內(nèi)徑5.4 m。管片每環(huán)1.5 m。厚度0.3 m。在盾構(gòu)施工過程中，由于土體損失、周圍孔隙水壓變化及襯砌變形等因素的存在，土體原始應(yīng)力將重新分布，原有的土體平衡遭破壞，導(dǎo)致地層發(fā)生不同程度的變形。地層變形過大會(huì)引起臨近隧道土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，使隧道產(chǎn)生變形，也會(huì)在地面產(chǎn)生一定的沉降[9，10]。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

整個(gè)盾構(gòu)模擬下穿過程可以分為五個(gè)工況，如圖4.5所示，模擬盾構(gòu)下穿過程工況如表1所示。

4號(hào)線下穿2號(hào)線左線主要研究對(duì)象為自動(dòng)化測點(diǎn)取靠近掘進(jìn)中線的10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)G11、G15、G18、G21、G24、G28、G31、G34、 G37和G41每個(gè)點(diǎn)之間相距約3m，其中位于下穿中心的監(jiān)測點(diǎn)為G24。整個(gè)監(jiān)測周期從4月11日至4月30日，可分為五個(gè)不同階段，如上表4.2所示，進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。各個(gè)階段沉降變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，在新建4號(hào)線左線下穿既有2號(hào)線左線期間，既有2號(hào)線最大累計(jì)沉降為2.66mm；最大累計(jì)沉降出現(xiàn)位置在新、舊交叉穿越中心位置，累計(jì)沉降峰值并不隨下穿施工階段改變而改變。地表沉降最大累計(jì)沉降為3.34mm；最大累計(jì)沉降出現(xiàn)在新、舊交叉穿越中心位置附近，可能原因是由于當(dāng)時(shí)有鉆孔機(jī)在旁側(cè)，影響地表沉降。；既有隧道沉降以及地表沉降的各階段既有2號(hào)線隧道沿線沉降與Peck公式的預(yù)測吻合，基本呈現(xiàn)正態(tài)分布。

4 結(jié)論

（1）模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)變形曲線趨勢較為一致，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)最大值較為吻合，說明有限元模擬結(jié)果從宏觀上能較真實(shí)反映出現(xiàn)場狀況。因此，本次模擬結(jié)果比較可信。

（2）盾構(gòu)下穿施工時(shí)，為了確保施工人員能及時(shí)獲得精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)既有隧道采用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)研究得知，沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)掘進(jìn)中以及離開后。因此，在盾構(gòu)下穿過程中，尤其是在盾構(gòu)到達(dá)下穿中心，需要加大監(jiān)測頻率，并實(shí)時(shí)反饋給指揮中心。

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