盾構(gòu)下穿施工三維數(shù)值模擬分析及施工建議

王 健，呂 馳，胡夢(mèng)雨

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院 北京 100083）

0 引言

目前，盾構(gòu)法施工已成為我國(guó)城市地鐵隧道施工中一種重要的施工方法。由于盾構(gòu)法施工過(guò)程對(duì)周?chē)馏w將產(chǎn)生不可避免的擾動(dòng)，以及施工過(guò)程中的土體損失，將引起地表沉降和周?chē)馏w應(yīng)力變化［1］。大量的工程實(shí)測(cè)資料表明，隧道開(kāi)挖引起的沉降槽形狀可以通過(guò)Peck 公式［2］進(jìn)行很好的擬合和描述。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于Peck 公式中的幾項(xiàng)主要參數(shù)土體損失率［3-5］、沉降槽寬度系數(shù)［2，6-7］等取值和影響進(jìn)行了比較深入的分析，也對(duì)隧道埋深、隧道外徑、土質(zhì)條件等影響因素［8-9］進(jìn)行了研究?？梢哉f(shuō)，目前隧道開(kāi)挖影響已經(jīng)相對(duì)成熟。

盾構(gòu)法施工引起的地表沉降及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響是盾構(gòu)法施工的一個(gè)重要問(wèn)題。同時(shí)，隧道穿越區(qū)域的地層變形也成為了學(xué)術(shù)界和工程界歷來(lái)研究和關(guān)注的重點(diǎn)［10-11］。雖然圍繞這一問(wèn)題已做了不少的研究工作［12-15］，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變及施工參數(shù)的變化，使得研究成果具有一定的局限性，本文主要針對(duì)北京地鐵十二號(hào)線區(qū)間隧道工程，利用FLAC3D 建立了三維數(shù)值模擬和分析，得出盾構(gòu)法下穿施工引起地表沉降的規(guī)律，為襯砌支護(hù)和后續(xù)工程設(shè)計(jì)和施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某項(xiàng)目東起三元橋站，沿北三環(huán)東路向東南敷設(shè)，是北京地鐵12 號(hào)線西壩河至三元橋的區(qū)間隧道，該區(qū)間總長(zhǎng)度1 481.013 m，區(qū)間線路線間距為19.2～35～17.2 m，擬采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片尺寸為外徑6 400 mm，管片厚度300 mm，管片寬1 200 mm。本段區(qū)間自西壩河站開(kāi)始，以1.273%下坡，隨后以2.4%上坡進(jìn)入三元橋站。本文所模擬的段落隧道下穿首都機(jī)場(chǎng)高速公路，與機(jī)場(chǎng)高速路相交里程為K117+975.261，該段落隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道直徑為6.4 m，管片外徑頂部至路面距離為23.749 m，相交處盾構(gòu)隧道左右線中線間距為25.8 m，隧道與機(jī)場(chǎng)高速公路相交角度約為30°，隧道坡度為24/1 000，內(nèi)軌頂面標(biāo)高10.471 m，路面標(biāo)高為39.570 m。盾構(gòu)隧道與首都機(jī)場(chǎng)高速的位置關(guān)系如圖1 所示，盾構(gòu)隧道與機(jī)場(chǎng)高速公路的斷面如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與機(jī)場(chǎng)高速公路的相互關(guān)系Fig.1 Location Relationship between Shield Tunnel and Airport Expressway

圖2 盾構(gòu)隧道與機(jī)場(chǎng)高速公路斷面Fig.2 Sectional View of Shield Tunnel and Airport Expressway（m）

本區(qū)間主要地層為雜填土層、粉質(zhì)粘土層、粉土層、粉細(xì)砂層、中粗砂層等土層。地下水位較高潛水（二）水位標(biāo)高31.32～29.67 m，層間潛水（三）水位標(biāo)高18.66～17.82 m，層間潛水（四）水位標(biāo)高10.0～9.50 m。取各地層設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)值如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of the Soil

2 施工過(guò)程對(duì)機(jī)場(chǎng)高速影響的數(shù)值分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案與現(xiàn)有地層數(shù)據(jù)分析，采用盾構(gòu)順序開(kāi)挖，先開(kāi)挖左線再開(kāi)挖右線，分析盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)機(jī)場(chǎng)高速的影響，在試驗(yàn)段和穿越段考慮添加注漿加固周?chē)馏w，盾構(gòu)開(kāi)挖完成后進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 前處理

2.1.1 建模原則

⑴采用三維數(shù)值模型，按實(shí)際施工過(guò)程分步模擬，考慮盾構(gòu)開(kāi)挖的施工過(guò)程影響，便于分析由于施工過(guò)程引起地表移動(dòng)的時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題。

⑵土層厚度、土層力學(xué)參數(shù)等按照勘察報(bào)告提交的參數(shù)進(jìn)行選取，在不同的縱斷面位置，按照建模位置對(duì)應(yīng)的參數(shù)選取，土層厚度變化的按照臨近的鉆孔揭露的該土層位置平均值選取。

⑶考慮了按照北京地鐵十二號(hào)線區(qū)間的結(jié)構(gòu)特征，按照設(shè)計(jì)坡度及曲率特征建模。

⑷考慮了按照盾構(gòu)前進(jìn)的施工順序及盾尾注漿的影響。

⑸建模假定工程開(kāi)挖實(shí)際揭露地層狀況與勘察揭露的勘察報(bào)告論述的地層狀況及強(qiáng)度參數(shù)一致，不考慮局部地層狀況與勘察報(bào)告的差異性。

2.1.2 模型尺寸選取及邊界條件

北京地鐵十二號(hào)線穿越首都機(jī)場(chǎng)高速計(jì)算邊界條件：在整個(gè)穿越段影響范圍內(nèi)x方向外擴(kuò)為280 m；y方向擴(kuò)展為150 m；底部影響區(qū)沿地鐵十二號(hào)線底再向下取10 m 深度，總計(jì)z方向?yàn)?0 m，模型尺寸基本可以消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面為x、y、z方向位移固定，左右邊界為x方向位移固定，前后邊界為y方向位移固定。

2.1.3 模型本構(gòu)及網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型中，土體材料采用摩爾庫(kù)倫模型各土層假定為理想彈塑性體；高速路面、地鐵襯砌假設(shè)為線彈性體。數(shù)值模擬中襯砌采用結(jié)構(gòu)單元shell，為理想的各向同性材料。土體結(jié)構(gòu)及襯砌參數(shù)按設(shè)計(jì)方案結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選??；網(wǎng)格、襯砌結(jié)構(gòu)及路面如圖3、圖4所示，x、y、z方向見(jiàn)圖3中標(biāo)注。

圖3 模型中各結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分Fig.3 The Structure of the Model and Its Meshing

圖4 路面彈性體模型Fig.4 The Elastomer Model of Road Surface

2.1.4 既有結(jié)構(gòu)荷載施加及開(kāi)挖

高速路面與地鐵十號(hào)線為既有結(jié)構(gòu)，在十二號(hào)線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)前，需對(duì)高速路面施加車(chē)輛荷載，生成既有十號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間，得到變形后的應(yīng)力、位移狀態(tài)，并將其初始化后再進(jìn)行十二號(hào)線盾構(gòu)的開(kāi)挖運(yùn)算。

圖5 為路面施加荷載后的土體變形圖。圖6、圖7為既有十號(hào)線生成后土體位移及z方向應(yīng)力云圖。

圖5 路面荷載施加后總位移云圖Fig.5 The Total Displacement

圖6 生成十號(hào)線隧道后的豎直（z）位移云圖Fig.6 The Vertical Displacement of Line 10

圖7 十號(hào)線隧道開(kāi)挖生成后的豎直（z）向應(yīng)力場(chǎng)Fig.7 The Vertical Stress Field of Line 10

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 十二號(hào)線盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)高速公路的影響

從2.1 節(jié)可知，高速沉降最大位置位于十二號(hào)線隧道開(kāi)挖正上方。在加固的情況下，高速公路的最大沉降為3.05 mm，基本滿足結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)。模型中高速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8、圖9所示。

圖8 高速公路監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.8 The Detection Point Layout of Highway

圖9 地表沉降Fig.9 Surface Settlement

G1、G2 與G3 點(diǎn)位于左線上方，左線先開(kāi)挖因此這三點(diǎn)的在左線開(kāi)挖過(guò)程中變化較大，在右線開(kāi)挖時(shí)，此三點(diǎn)的累計(jì)沉降變化較小。同樣，位于右線上方的G4、G5 與G6 點(diǎn)的變形在左線開(kāi)挖時(shí)，累計(jì)沉降較小，在盾構(gòu)開(kāi)挖右線時(shí)，累計(jì)沉降變化明顯。

加固情況下路面最大沉降點(diǎn)處橫截面如圖10 所示，在加固的工況下，路面沉降減小，不平整度數(shù)值為2.48 mm/3 m，符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 加固工況下路面最大沉降處斷面Fig.10 The Maximum Settlement of Road Surface under Reinforcement Condition

3 結(jié)論及對(duì)施工的建議

⑴本文理論模擬了北京地鐵十二號(hào)線下穿高速公路過(guò)程中地表沉降的規(guī)律及最大的沉降位置，在加固的情況下，路面沉降明顯減小。而實(shí)際施工中盾構(gòu)開(kāi)挖采用土壓平衡盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作原理是將通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)挖切削下來(lái)的土體充滿掌子面與隔板之間的空間，施加一定的推進(jìn)動(dòng)力以保證開(kāi)挖過(guò)程中掌子面穩(wěn)定，與此同時(shí)通過(guò)設(shè)置貫穿隔板的螺旋輸送器進(jìn)行排掉渣土，為保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，建議施工中做到：

①土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送器排出的渣土量與刀盤(pán)切削的土體量保持一致，以確保土壓艙內(nèi)的土壓力動(dòng)態(tài)平衡；

②在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中必須在掌子面與隔板之間填滿可塑性土體；

③在盾構(gòu)掘進(jìn)和盾尾管片拼裝過(guò)程中，盾構(gòu)密封艙內(nèi)土壓力略大于掌子面原狀土體的主動(dòng)土壓力和水壓力之和。

⑵為了控制地表的沉降和下穿盾構(gòu)施工對(duì)高速公路平整度的要求，下穿段加固是必須的施工工藝環(huán)節(jié)，而加固施工中盾尾注漿顯得非常重要，因此為了滿足對(duì)地表沉降控制的影響，施工中必須做到：

①管片脫離盾構(gòu)機(jī)時(shí)，管片和開(kāi)挖界限存在空隙，所以在管片脫離盾尾時(shí)需要及時(shí)進(jìn)行注漿，防止圍巖暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致圍巖塌落甚至導(dǎo)致坍塌。

②保證注漿容量，合理控制注漿壓力。在管片安裝完成以后，需要立即對(duì)管片后面空隙進(jìn)行注漿，由于注漿材料凝結(jié)會(huì)發(fā)生收縮，所以需要保證注漿容量的充足。在實(shí)際施工時(shí)，由于管片后面土體受到盾殼的移動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)，土體會(huì)發(fā)生不同程度的彈塑性變形，所以實(shí)際建筑空隙一般難以準(zhǔn)確確定，因此，在判建筑空隙完全被填充密實(shí)時(shí)，只能通過(guò)控制注漿壓力來(lái)確定。當(dāng)建筑空隙完全被填充密實(shí)時(shí)注漿壓力會(huì)急劇升高，此時(shí)就應(yīng)該停止注漿。如果己完成達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的注漿量時(shí)但注漿壓力卻還很低，那就說(shuō)明建筑空隙還未填充密實(shí)，此時(shí)就應(yīng)該繼續(xù)注漿，直到完全填充為止。在現(xiàn)場(chǎng)工程中，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，一般取1.1～1.2倍靜止土壓力為注漿壓力比較合適。

③進(jìn)行二次注漿，確?？障锻耆畛?。在進(jìn)行初始注漿時(shí)，漿液凝固會(huì)發(fā)生不同程度的收縮，從而會(huì)產(chǎn)生部分空隙，雖然在第一次注漿時(shí)，注漿量一般會(huì)大于理論建筑空隙，在實(shí)際工程中，在漿液凝固以后，仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)不同程度的空隙。此時(shí)，就需要進(jìn)行補(bǔ)漿，一般在稱之為二次注漿。二次注漿是控制地表沉降的另一種輔助手段，特別是穿越重要建筑物或者地下管網(wǎng)時(shí)尤為重要。