盾構(gòu)隧道下穿施工對城市下立交的影響分析

王曉煜，劉磊磊

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200235)

0 引言

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷發(fā)展，雙管盾構(gòu)在地鐵施工中已得到廣泛的應(yīng)用。由于城市建設(shè)的飛速發(fā)展，軌道交通線路選擇受到一定的制約，不可避免的需要橫穿建筑物、管線、下立交、高架橋等建構(gòu)筑物，導(dǎo)致建筑物開裂、倒塌以及管線斷裂破損等。因此研究地鐵區(qū)間隧道施工對建(構(gòu))筑物影響具有十分重要的意義。有關(guān)盾構(gòu)隧道施工對鄰近建(構(gòu))筑物的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者越來越多的重視。在理論公式方面，Peck公式仍是應(yīng)用最多、范圍最廣的[1]。Attewell等(1982)提出了地表縱向沉降經(jīng)驗(yàn)公式[2]。劉建航等(1981)提出了地表橫向沉降經(jīng)驗(yàn)公式[3]。在數(shù)值模擬方面，陳書文采用有限元數(shù)值模擬的方法，研究了盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物樁基時，在有無隔離樁的條件下，對樁基的變形和內(nèi)力的影響[4]。傅雅莉采用FLAC3D分析了地層沉降、橋梁結(jié)構(gòu)變形及橋梁墩臺基礎(chǔ)的沉降，預(yù)測了盾構(gòu)隧道施工對橋梁的影響[5]。吳瑞等基于合肥地鐵2號線下穿五里墩立交橋研究分析了雙線隧道開挖中，掌子面滯后0～60 m內(nèi)，對樁基的橫向變形影響不大[6]。王曉睿利用FLAC3D建立數(shù)值模型，對盾構(gòu)施工時對土體的擾動及對已建污水管的施工影響進(jìn)行了分析[7]。朱玉龍運(yùn)用MⅠDAS GTS NX軟件模擬了盾構(gòu)側(cè)穿橋梁全過程，得出了在盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿樁基時，樁基頂端朝向隧道，底端背離隧道傾斜[8]。在模擬試驗(yàn)方面，藏宏陽、王非通過室內(nèi)大型模擬試驗(yàn)?zāi)M了盾構(gòu)隧道下穿時對地層沉降的影響[9]。朱訓(xùn)國、陳楓以大連市地鐵2號線為研究對象，通過室內(nèi)相似材料模型試驗(yàn)，得到隧道施工時引地層的移動規(guī)律并得出隧道開挖時若存在地下結(jié)構(gòu)或管線，其將受到附加剪切作用，易出現(xiàn)裂縫，在施工中必須做好切實(shí)可行的防護(hù)措施[10]。

本文以合肥軌道交通某區(qū)間下穿城市下立交為例，通過建立三維有限元地層結(jié)構(gòu)模型對區(qū)間隧道下穿城市下立交進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對地表沉降及最大差異沉降進(jìn)行了預(yù)測。

1 工程概述

1.1 工程概況

該城市下立交建于2008年，支護(hù)體系為排樁，樁徑1.2 m，樁長12 m，樁底標(biāo)高為-2 m，位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，底板標(biāo)高為4.55 m。合肥軌道交通某區(qū)間下穿某城市下立交，隧道埋深約為18 m，位于中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，隧道頂距離某城市下立交排樁底部約為3.0 m。盾構(gòu)隧道下穿下立交剖面示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿下立交剖面示意圖

1.2 地質(zhì)條件

該區(qū)間隧道下穿下立交范圍內(nèi)，土層至上而下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。區(qū)間隧道主要穿越中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，隧道頂部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，雜填土中主要以上層滯水為主，水量微弱。承壓水主要賦存于層粉砂夾粉質(zhì)黏土中。由于擬建場地承壓含水層基本位于擬建區(qū)間頂板以上，對擬建區(qū)間影響不大。基巖裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)、中風(fēng)化帶中。

2 區(qū)間隧道下穿下立交數(shù)值模擬分析

由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。因此，在本模型建模過程中，對實(shí)際開挖步做了適當(dāng)?shù)暮喕秃侠淼募僭O(shè):

(1)圍巖材料假定為理想彈塑性體，并認(rèn)為地表和內(nèi)部為均一地層，不考慮圍巖中的節(jié)理、裂隙等不均勻因素，采用實(shí)體單元來模擬，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則；

(2)隧道管片采用板單元來模擬，并且按照線彈性來計算，不考慮其非線性；

(3)假定圍巖中不存在構(gòu)造應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力很小可以忽略，所以在模型中只考慮圍巖自重應(yīng)力；

(4)簡化地表和各土層使其呈均勻的水平層狀分布。

(5)樁基采用樁單元進(jìn)行模擬，均不考慮其非線性。

2.1 有限元模型的建立

該項目采用MⅠDAS GTS NX進(jìn)行建模。通過對地層的簡化和假設(shè)，取計算模型長66 m，寬66 m，高33 m。設(shè)定邊界條件時，將模型底部邊界條件設(shè)為x，y，z方向約束，即固定邊界，將模型兩側(cè)邊界條件設(shè)為x或y方向的水平約束，即水平邊界。模型中的各種材料的力學(xué)參數(shù)見表1、表2。土層采用實(shí)體單元，管片采用板單元，樁基結(jié)構(gòu)采用樁單元。管片視作彈性體，土體采用莫爾庫倫模型。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格生成器。通過鈍化與激活單元來模擬隧道的開挖與支護(hù)，模擬隧道開挖時，將所需開挖的土體單元鈍化，施加管片進(jìn)行支護(hù)模擬時，將預(yù)先設(shè)置好的管片單元進(jìn)行激活。所建立的整體有限元模型和樁基有限元模型見圖2、圖3。盾構(gòu)隧道與下立交的空間關(guān)系見圖4。

表1 橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖2 整體有限元模型

圖3 下立交有限元模型圖

圖4 下立交與隧道相對位置關(guān)系圖

2.2 計算說明及步驟

盾構(gòu)隧道在下穿城市下立交的施工過程中，注漿效果、掌子面頂推力、盾構(gòu)掘進(jìn)速度等一系列反映盾構(gòu)施工控制水平的因素都會對地層、城市下立交產(chǎn)生影響，不同的施工控制水平產(chǎn)生的影響是不同的。在數(shù)值計算中考慮施工控制水平的方法通常有釋放應(yīng)力法，等代層法等，本項目采用等代層法。模擬開挖步驟為:施加重力、計算土體及下立交初始地應(yīng)力場、位移清零、隧道分步開挖計算，每6m為一個施工步，每個階段包括開挖和支護(hù)兩個施工步序，總共22個施工階段、計算結(jié)果分析。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 隧道開挖引起的土層沉降情況分析

(1)左線開挖后地層沉降分析

圖5為左線開挖后地表沉降云圖，圖6為左線開挖后地層沉降云圖。

圖5 左線開挖后地表沉降云圖

圖6 左線開挖后地層沉降云圖

由圖5～圖6可知:由于左線隧道開挖，地層產(chǎn)生明顯的沉降槽；地表沉降計算值最大為0.5 mm，隧道拱頂最大沉降為1.7 mm。

(2)雙線開挖后地層沉降分析

圖7為雙線開挖后地表沉降云圖，圖8為雙線開挖后地層沉降云圖。

圖7 雙線開挖后地表沉降云圖

圖8 雙線開挖后地層沉降云圖

由圖7～圖8可知:由于隧道開挖，地層產(chǎn)生明顯的沉降槽；地表沉降計算值最大為0.7 mm，隧道拱頂最大沉降為1.7 mm。

2.3.2 隧道開挖引起的下立交沉降情況分析

(1)下立交沿道路方向的差異沉降分析

圖9、圖10分別為左線及雙線開挖后下立交沉降云圖。

圖9 左線開挖后下立交沉降云圖

圖10 雙線開挖后下立交沉降云圖

根據(jù)圖9、圖10可以看出，左線開挖后下立交的最大沉降為0.35 mm，最小沉降為0.04 mm，差異沉降為0.31 mm，差異沉降率約為0.31 mm/48 m=0.006‰；雙線開挖后下立交的最大沉降為0.59 mm，最小沉降為0.28 mm，差異沉降值為0.31 mm，差異沉降率約為 0.31 mm/33 m=0.009‰。

由以上可知，雙線開挖過程中，下立交沿道路方向的最大差異沉降率為0.009‰，發(fā)生在左線開挖完成時，未超出《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)關(guān)于傾斜的限值(2‰)。

(2)下立交垂直于道路方向的差異沉降分析

圖11、圖12分別為左線及雙線開挖后下立交沉降云圖。

圖11 左線開挖至下立交中部時下立交沉降云圖

圖12 雙線開挖至下立交中部時下立交沉降云圖

根據(jù)圖11、圖12可以看出，左線開挖后下立交中部時的最大沉降為0.26 mm，最小沉降為0.01 mm，差異沉降為0.25 mm，差異沉降率約為0.25 mm/18 m=0.014‰；雙線開挖后下立交的最大沉降為0.58 mm，最小沉降為0.32 mm，差異沉降值為0.26 mm，差異沉降率約為0.26 mm/18 m=0.014‰。

由以上可知，雙線開挖過程中，下立交垂直道路方向的最大差異沉降率為0.014‰，發(fā)生在雙線開挖完成時，未超出《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)關(guān)于傾斜的限值(2‰)。

3 監(jiān)測變形分析

盾構(gòu)隧道左線2017.5.3～2017.5.10順利穿越下立交，右線于2017.6.26～2017.7.5再次順利穿越。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，左線穿越后下立交的累計最大沉降0.25 mm，右線穿越后下立交的累計最大沉降0.48 mm。在盾構(gòu)機(jī)穿越過程中，對地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂進(jìn)行了專項監(jiān)測。依據(jù)監(jiān)測情況及時修正調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，進(jìn)一步保證了穿越過程中下立交的安全。監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖13、14所示。

圖13 2017年5月10日左線盾構(gòu)穿越立交橋沉降情況統(tǒng)計

圖14 2017年7月5日右線盾構(gòu)穿越立交橋沉降情況統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文利用MⅠDASGTS NX建立數(shù)值模型，對盾構(gòu)下穿城市下立交的地鐵盾構(gòu)施工進(jìn)行安全風(fēng)險分析，并通過分析結(jié)果對施工進(jìn)行指導(dǎo)和建議。

(1)通過數(shù)值模擬計算和分析表明，現(xiàn)階段該城市下立交可滿足正常使用，地鐵穿越施工引起的下立交差異沉降未超過差異剩余變形量，構(gòu)筑物可不拆除。

(2)下立交雙線貫通后，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果表示，下立交最大累計沉降量為0.48 mm，滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。沉降模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果比較分析，誤差為17.2%，模擬結(jié)果較為可信，表明MⅠDAS能較好的模擬盾構(gòu)隧道三維動態(tài)開挖過程，可為類似工程提供參考。