地鐵盾構(gòu)下穿高鐵隧道沉降有限元分析及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

江凱

（中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙410000）

1 引言

地鐵盾構(gòu)施工會(huì)經(jīng)常下穿地面既有建構(gòu)筑物，地鐵盾構(gòu)施工導(dǎo)致建構(gòu)筑物地下巖層、土體缺失，引起地鐵盾構(gòu)施工臨近結(jié)構(gòu)物內(nèi)力的重分布，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)、不均勻變形。因此，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工下穿既有建構(gòu)筑物引起的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警是地鐵施工必需的工作流程。本研究結(jié)合長(zhǎng)沙市軌道交通3 號(hào)線盾構(gòu)下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道的具體工程實(shí)踐，將有限元模型與自動(dòng)化監(jiān)控相結(jié)合，研究地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨高鐵隧道及其近結(jié)構(gòu)的影響，為地鐵盾構(gòu)施工下穿建構(gòu)筑物的引起的變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供借鑒和參考。

2 工程概況

長(zhǎng)沙市軌道交通3 號(hào)線的汽貿(mào)大道站—星沙大道站區(qū)間，左線長(zhǎng)2200．220m；右線長(zhǎng)2199．871m，盾構(gòu)下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道工程, 在京廣高鐵K1566+818 處以正交、直線、盾構(gòu)法施工下穿瀏陽(yáng)河隧道, 對(duì)瀏陽(yáng)河隧道范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道左、右線中心線外各30m，約80m 的范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道段線間距約20m。

3 監(jiān)控方案

本項(xiàng)目采用測(cè)量機(jī)器人結(jié)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)沉降和隧道整體沉降。測(cè)量機(jī)器人采用徠卡TM50 共計(jì)2 臺(tái)。在盾構(gòu)隧道施工期間24h 全自動(dòng)測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)、道床隧道軸向、橫向及垂直方向三維變形，并每隔6h 傳輸一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)區(qū)段總長(zhǎng)度約80m，按5m 的間隔共布設(shè)17 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面包括2 個(gè)隧道整體沉降點(diǎn)、2 個(gè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及設(shè)計(jì)資料，盾構(gòu)下穿段隧道在K1566+785.246、K1566+815.246 及K1566+845.246 位置處有變形縫，縫寬約10mm，在變形縫位置處加設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)68 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4 有限元模型分析

4.1 有限元模型建立

本文使用Midas/GTS NX 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)盾構(gòu)隧道與京廣鐵路瀏陽(yáng)河隧道的空間位置關(guān)系，建立三維有限元計(jì)算模型。數(shù)值計(jì)算中，模型尺寸長(zhǎng)120m，寬120m，高度80m，土體采用實(shí)體單元，瀏陽(yáng)河隧道及地鐵盾構(gòu)隧道均采用板單元模擬，其尺寸、屬性根據(jù)施工圖紙給定。計(jì)算模型中，瀏陽(yáng)河隧道襯砌每隔30m 設(shè)置1 道環(huán)向變形縫，共設(shè)置3 道變形縫，采用實(shí)體填充。模型采用位移邊界，頂部上表面為自由邊界，其余各外表面法線方向的位移均受到約束。

4.2 基于空間動(dòng)態(tài)下的隧道沉降變形特征分析

此次盾構(gòu)施工對(duì)高鐵隧道的影響劃分為3 個(gè)階段，即盾構(gòu)接近既有隧道、盾構(gòu)下穿既有隧道、盾構(gòu)遠(yuǎn)離既有隧道。在模型設(shè)計(jì)初始階段取隧道整體沉降測(cè)點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行研究。

如圖1 可見(jiàn)，本文研究了盾構(gòu)隧道下穿施工時(shí)的土體擾動(dòng)情況，左線隧道施工完成后引起既有隧道發(fā)生沉降，此時(shí)，最大沉降位置位于2 條盾構(gòu)隧道正上方的變形縫處，高鐵隧道整體沉降曲面大致為“V”形，如圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)開(kāi)挖完成后高鐵隧道整體沉降變化云圖

圖2 表示的是盾構(gòu)右線完成下穿后的沉降數(shù)值與盾構(gòu)左線完成下穿后的沉降數(shù)值的對(duì)比。由圖可知，由于左右線盾構(gòu)隧道的線間距約為20m，所以，當(dāng)左線盾構(gòu)隧道施工完成后，高鐵隧道整體沉降的數(shù)值和范圍較右線完成下穿后都有一定程度的增加。從圖中可以看出，17#~31#段的高鐵隧道位于左線盾構(gòu)下穿的正上方，開(kāi)挖前后沉降量變化比較大。隧道整體最大沉降值位置位于左右線盾構(gòu)隧道的上方，沉降最大值為1.72mm。

圖2 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中沉降變化圖

4.3 基于時(shí)間動(dòng)態(tài)下的隧道沉降變形特征分析

盾構(gòu)開(kāi)挖引起的隧道整體沉降本質(zhì)上是盾構(gòu)施工引起的土體損失累積造成的，為了研究盾構(gòu)施工過(guò)程中隧道整體沉降的動(dòng)態(tài)過(guò)程，選取計(jì)算模型中瀏陽(yáng)河隧道處9 號(hào)斷面作為目標(biāo)面，繪制9 號(hào)斷面測(cè)點(diǎn)2（LYH9-2）處沉降與開(kāi)挖面推進(jìn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中高鐵隧道整體沉降變化圖

由圖3 可以看出，在開(kāi)挖面到達(dá)目標(biāo)面之前一定距離內(nèi)，目標(biāo)面處地表已經(jīng)發(fā)生沉降了，隨著開(kāi)挖面接近—通過(guò)—遠(yuǎn)離目標(biāo)面，在通過(guò)的過(guò)程中隧道整體沉降急劇增大。變化最劇烈的時(shí)候正是盾構(gòu)右線下穿高鐵隧道的時(shí)候，右線下穿完成后的沉降值為1.27mm，占最終沉降變形的70%。

4.4 模型計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析與討論

基于三維有限元模擬方法，對(duì)本文涉及的區(qū)間盾構(gòu)施工引起的高鐵隧道沉降進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最終沉降值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖4 為盾構(gòu)過(guò)程中9#斷面測(cè)點(diǎn)2 的沉降值的變化曲線對(duì)比圖，由圖可知：（1）盾構(gòu)施工和同步注漿及二次注漿對(duì)土體的擾動(dòng)帶來(lái)了隧道結(jié)構(gòu)的變形。右線先行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)到靠近既有隧道時(shí)，既有隧道整體開(kāi)始出現(xiàn)沉降，并且在下穿過(guò)程中沉降量急劇增大。先行隧道下穿完成后，模型計(jì)算沉降量最大達(dá)到1.27mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為1.33mm。（2）左線盾構(gòu)隧道下穿過(guò)程中，既有隧道整體沉降量持續(xù)增大，但增長(zhǎng)速率較右線盾構(gòu)下穿時(shí)要小很多。當(dāng)左線盾構(gòu)隧道完成下穿后，模型計(jì)算隧道整體沉降量達(dá)到最大，為1.72mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大沉降量為1.91mm。

圖5 為盾構(gòu)開(kāi)挖完成后隧道整體沉降變化曲線對(duì)比圖，由圖可知，模型計(jì)算曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線均在9#斷面即既有隧道中間變形縫附近產(chǎn)生最大沉降值。

二者擬合曲線趨勢(shì)基本吻合，2 種方法所得的高鐵隧道沉降曲線都能反映沉降變化特性。因此，計(jì)算模型提供的隧道沉降數(shù)據(jù)能夠使用于本項(xiàng)目。

圖4 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中沉降曲線變化圖

圖5 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)完成后隧道整體沉降曲線變化圖

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合實(shí)際工程，利用Midas/GTS NX 對(duì)盾構(gòu)施工近距離下穿高鐵隧道進(jìn)行全過(guò)程仿真分析模擬，得出以下主要結(jié)論：

1）由盾構(gòu)施工全過(guò)程既有隧道的沉降位移圖可以看出，在先行隧道盾構(gòu)下穿既有隧道時(shí)，其位移增長(zhǎng)速率最快；開(kāi)挖完成以后，隧道的最大豎向位移達(dá)到-1.72mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)盾構(gòu)開(kāi)挖完成后既有隧道的最大豎向位移值為-1.91mm，均未超過(guò)-2mm，滿足高鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，可保證高鐵隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。同時(shí)，計(jì)算模型和監(jiān)控實(shí)測(cè)值相差不超過(guò)0.2mm，驗(yàn)證了Midas/GTS NX 有限元模型在盾構(gòu)隧道下穿既有構(gòu)筑物施工過(guò)程中的正確性與合理性。

2）隧道整體沉降本質(zhì)上是盾構(gòu)施工引起的土體缺失累積造成的，在右線先行盾構(gòu)隧道下穿完成后，既有隧道沉降值達(dá)到最終沉降值的70%。左線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，沉降繼續(xù)發(fā)展，但沉降量在盾構(gòu)下穿后變化較小?？梢?jiàn)，施工期間尤其是在先行隧道盾構(gòu)下穿正上方既有隧道的過(guò)程中，最容易出現(xiàn)沉降速率快，從而導(dǎo)致沉降超標(biāo)的情況，此時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)既有隧道的監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)沉降速率過(guò)快的情況，應(yīng)盡快采取注漿等加固措施，保證隧道結(jié)構(gòu)和高鐵運(yùn)營(yíng)安全。