上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)下穿既有建筑物受力性能研究

董立波

（中國(guó)水利水電第一工程局，吉林長(zhǎng)春 130033）

盾構(gòu)法已成為修建隧道中一種重要的施工方法，具有安全性高、振動(dòng)小和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。我國(guó)地鐵多建設(shè)在沿海地區(qū)，然而這些地區(qū)土層具有典型的“上軟下硬”特點(diǎn)。在該地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工難度大，且容易使得上部軟土地層發(fā)生塌陷，導(dǎo)致既有鄰近建筑物產(chǎn)生不利影響[3-5]。因此，研究上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)既有建筑的影響具有重大意義。劉重慶[6]針對(duì)廈門(mén)地鐵1號(hào)線上軟下硬地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的地表沉降進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該地層地表沉降受硬層比的影響較為顯著；吳全立[7]以深圳地鐵上軟下硬地層盾構(gòu)下穿既有隧道為工程背景，采用網(wǎng)格分析法對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，劃分出盾構(gòu)施工中各層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)；陳慶章[8]以廣州地鐵12號(hào)線盾構(gòu)下穿建筑群為例，介紹了復(fù)雜地層中盾構(gòu)下穿既有建筑物的施工關(guān)鍵技術(shù)。本文利用MIDAS GTS有限元軟件，分析盾構(gòu)掘進(jìn)施工中既有上部建筑物和盾構(gòu)管片的變形規(guī)。

1 工程概況

深圳市寶安區(qū)區(qū)間線路呈南北走向，線路出福永站后，沿福州大道前行，由于線路周邊環(huán)境主要為市政道路、居民生活區(qū)和工業(yè)廠房。因此，本區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工時(shí)，需下穿既有11號(hào)線福永站，下穿和側(cè)穿同富社區(qū)和多棟工業(yè)廠房。下穿社區(qū)廠房5處，層高3～7層，樁體直徑為0.4～0.5 m，根據(jù)以上分析，盾構(gòu)在掘進(jìn)施工時(shí)不可避免會(huì)對(duì)緊鄰既有建筑物造成影響。為此，依據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工方案，分析盾構(gòu)下穿既有上部建筑物的影響。

2 有限元分析模型

2.1 材料參數(shù)

模型中土層、盾構(gòu)管片和鄰近建筑物均采用三維實(shí)體單元，盾構(gòu)殼采用二維板單元，建筑樁基采用一維梁?jiǎn)卧?。其中，土層采用修正的摩?庫(kù)侖本構(gòu)模型，建筑物和盾構(gòu)管片均采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)地勘資料顯示，本工程所在土層自上而下分別為淤泥土、砂土和花崗巖，具有典型的“上軟下硬”特點(diǎn)。

2.2 荷載的施加和邊界

為更好地模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，在掌字面施加600 kPa荷載用于模擬頂推力，在管片與土體開(kāi)挖臨空面上施加均布荷載300 kPa，用于模擬注漿時(shí)所產(chǎn)生的灌漿壓力。

盾構(gòu)掘進(jìn)示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)示意圖

邊界條件：（1）左右邊界約束X向的平動(dòng)位移；（2）模型前后邊界約束法向的平動(dòng)位移（因前后邊界并非垂直于某一軸，故邊界定義時(shí)，遵循法向設(shè)置原則，在軟件中通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系后，施加對(duì)應(yīng)法向約束）；（3）模型底部邊界約束X、Y、Z向的平動(dòng)位移；（4）模型頂部面為地表面，不施加任何約束。

2.3 施工工況模擬

計(jì)算工況匯總?cè)绫?所示。

表1 計(jì)算工況匯總

計(jì)算模型采用全映射網(wǎng)格劃分，最終劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)45 736個(gè)，單元個(gè)數(shù)42 853個(gè)，本次分析共41個(gè)工況，含2個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)施工前工況及39個(gè)盾構(gòu)施工過(guò)程工況。盾構(gòu)隧道初始掘進(jìn)面設(shè)為0。此次分析主要在于評(píng)價(jià)新建盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的影響，考慮的是盾構(gòu)隧道施工引起的增量位移，故對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)施工引起的位移和初始應(yīng)力場(chǎng)引起的位移進(jìn)行清零[9]。既有建筑與盾構(gòu)空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 既有建筑與盾構(gòu)空間關(guān)系圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中拱頂沉降模擬結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 拱頂沉降曲線

由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)拱頂最大沉降為17.1 mm，有限元模擬得出拱頂最大沉降為17.5 mm，表明本文建模方法正確。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，由于隧道處土體被挖空，有明顯的卸荷作用。因此土體先產(chǎn)生較大沉降，盾構(gòu)管片安裝不斷推進(jìn)，土體沉降趨于平穩(wěn)。

3.2 地表沉降分析

盾構(gòu)掘進(jìn)施工中不同斷面地表沉降如圖4所示。

圖4 不同斷面地表沉降曲線

由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)地表最大沉降7.9 mm，有限元模擬得出地表最大沉降為9.1 mm，基本與實(shí)際相符合。在無(wú)建筑物斷面位置，地表沉降曲線基本呈現(xiàn)出正態(tài)曲線分布，當(dāng)有建筑物分布時(shí)，由于結(jié)構(gòu)幾何尺寸大、整體剛度大，故結(jié)構(gòu)分布區(qū)間基本呈線性分布，隨后極速減小。

3.3 盾構(gòu)管片分析

盾構(gòu)施工全過(guò)程管片結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)S28管片結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)過(guò)程中，管片結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力的數(shù)值和分布區(qū)域逐步向前推進(jìn)。管片最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度1.57 MPa，說(shuō)明管片結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）掘進(jìn)模擬過(guò)程的地層最大豎向地層位移17.5 mm，位于隧道拱頂位置處。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，由于隧道處土體被挖空，有明顯的卸荷作用。土體先產(chǎn)生較大的沉降，盾構(gòu)管片的安裝不斷推進(jìn)，土體沉降趨于平穩(wěn)。（2）地表最大沉降9.1 mm，在無(wú)建筑物斷面位置，地表沉降曲線基本呈現(xiàn)正態(tài)曲線分布，有建筑物分布時(shí)，結(jié)構(gòu)幾何尺寸大、整體剛度大，結(jié)構(gòu)分布區(qū)間基本呈線性分布，隨后極速減小。（3）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，管片結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力逐漸向前推進(jìn)，管片最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度，管片結(jié)構(gòu)安全。