盾構(gòu)施工對道路結(jié)構(gòu)的影響研究

馬建領(lǐng)

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司,吉林 長春 130000）

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,地面交通運輸系統(tǒng)愈發(fā)擁擠,地下軌道交通作為緩解地面交通壓力的一種方式,在近些年來得到了長足的發(fā)展。

地鐵隧道的開挖方法主要有明挖法、淺埋暗挖法、地下連續(xù)墻法、礦山法、盾構(gòu)法等[1]。盾構(gòu)法作為新興的一種機械化施工方法,在施工過程中由頂部刀盤切削土體開挖,通過出土軌道運送至出土車中,再由出土車將土拉至洞外,同時依靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn),并在盾殼內(nèi)拼裝預(yù)制管片,在前進(jìn)過程中盾尾同步注漿,最終形成隧道結(jié)構(gòu)[2]。盾構(gòu)法具有施工速度快、洞體質(zhì)量比較穩(wěn)定、不影響地面交通與設(shè)施、施工過程不受氣候條件影響等特點[3]。

新建地鐵隧道的開挖路線往往與已有道路路線平行,這就導(dǎo)致了新建地鐵在施工過程中會對道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,造成道路結(jié)構(gòu)發(fā)生病害或破壞,常見的道路結(jié)構(gòu)病害類型有地表塌陷、不均勻沉降、裂縫等[4-6]。因此,為了保證盾構(gòu)施工的正常進(jìn)行以及道路結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定,需要分析盾構(gòu)施工對上方道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)施工引起的上方既有結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。崔玉龍等[7]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方法,分析了盾構(gòu)對既有隧道的影響,并給出了建議的盾構(gòu)施工參數(shù)。楊萬精[8]等采用FLAC3D 模擬的方法研究了盾構(gòu)下穿過程中地表沉降和地表水平位移的變化,并對比了不同工況下的變形情況,最后給出了盾構(gòu)施工的合理參數(shù)。李磊[9]等采用數(shù)值模擬與實際監(jiān)測相結(jié)合的方法,考慮既有隧道周圍土壓力的分布規(guī)律,研究了盾構(gòu)下穿時土倉壓力、注漿壓力等參數(shù)對上方既有隧道變形的影響。Xie[10]等采用三維有限差分法對盾構(gòu)過程進(jìn)行了模擬,探究了盾構(gòu)施工最小程度影響上方結(jié)構(gòu)的施工參數(shù),并結(jié)合實測數(shù)據(jù)驗證了其模型的適用性。

現(xiàn)有的盾構(gòu)施工對既有結(jié)構(gòu)的影響分析多采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法,關(guān)于盾構(gòu)施工對道路結(jié)構(gòu)的影響研究較少,本研究以長春某地鐵盾構(gòu)開挖平行道路結(jié)構(gòu)段為背景,通過建立三維有限元模型分析了盾構(gòu)施工對道路結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,并給出了合理的施工建議。

1 工程概況

本研究以長春地鐵六號線歐亞賣場～ 飛躍路區(qū)間盾構(gòu)施工段為基礎(chǔ),區(qū)間全線采用盾構(gòu)法施工,隧道外徑為φ6 200 mm,管片厚度為350 mm,采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。整體地形起伏平坦,總體地勢西低東高,地貌類型為沖積洪積波狀臺地。盾構(gòu)開挖面至道路結(jié)構(gòu)的豎向間距為7 m,盾構(gòu)左線與右線間隔17 m,對稱分布在道路結(jié)構(gòu)兩側(cè),道路結(jié)構(gòu)至盾構(gòu)開挖面間的地層分布情況見圖1,自上而下為：粉質(zhì)粘土層,可塑偏軟,層厚2.6 m；全風(fēng)化泥巖,全風(fēng)化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化,層厚5.8 m；強風(fēng)化泥巖層,強風(fēng)化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化,層厚12.8 m；中風(fēng)化泥巖層,中風(fēng)化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化。道路結(jié)構(gòu)為4 cmAC-13 + 5 cmAC-20 + 6 cm AC-25 + 20 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+ 20 cm 水泥石灰砂礫土層。

圖1 土層分布圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

2.1.1 模型尺寸

為了探究盾構(gòu)施工對道路結(jié)構(gòu)的影響,采用ABAQUS 建立了三維數(shù)值有限元分析模型,對盾構(gòu)平行于道路下方開挖施工的工況進(jìn)行了模擬計算?？紤]到盾構(gòu)施工的影響范圍及計算機的計算能力,計算模型的尺寸設(shè)定為 200m× 5 0m× 50m（長×寬×高）。

2.1.2 材料屬性

道路結(jié)構(gòu)中的瀝青面層及基層采取線彈性模型模擬,各層的材料參數(shù)見表1。

表1 道路材料參數(shù)

盾構(gòu)開挖面上的各土層采用摩爾- 庫倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,各土層的材料參數(shù)見表2。

表2 土層材料參數(shù)

2.1.3 計算過程

將模型的四個側(cè)面的邊界條件設(shè)置為XY 方向約束,Z 方向自由,將頂面設(shè)置為自由邊界,底面設(shè)置為XYZ 方向約束。

按實際施工情況將模型的模擬計算過程分為四個階段：

第一階段：初始地應(yīng)力平衡,將地層中受重力影響而產(chǎn)生的初始應(yīng)力以預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行施加,保證地層中的既有應(yīng)力狀態(tài)正確；

第二階段：施工擾動模擬,盾構(gòu)機的掘進(jìn)會影響一定范圍內(nèi)土體強度的變化,將開挖部分土體的強度模量加以適當(dāng)?shù)乃p,以模擬盾構(gòu)機對土體的擾動作用；

第三階段：土體開挖,將開挖部分的土體失效,模擬土被盾構(gòu)機挖出的實際情況；

第四階段：管片拼裝,將管片單元激活,并設(shè)置與土體的接觸關(guān)系,以模擬管片對土體形成的支護(hù)效果。

2.2 計算過程

2.2.1 盾構(gòu)對道路結(jié)構(gòu)橫向變形影響分析

在道路結(jié)構(gòu)橫斷面上,將道路左邊緣設(shè)為坐標(biāo)原點,橫向為x 軸,盾構(gòu)對道路結(jié)構(gòu)橫向變形的影響見圖2。

圖2 橫向變形圖

通過圖中數(shù)據(jù)可以看出,在x 值為0 和10 時,沉降量達(dá)到最大值,x 為0 和10 分別對應(yīng)了道路的左邊緣和右邊緣,這意味著在道路橫斷面上,左右兩端的變形大于中間的變形。這是因為道路寬度與盾構(gòu)左線與右線間的間距接近,道路結(jié)構(gòu)的左邊緣和右邊緣位于盾構(gòu)軸線上方,盾構(gòu)的軸線上方沉降較大,中間小于軸線,因此道路結(jié)構(gòu)的沉降呈現(xiàn)兩邊大,中間小的特點。

2.2.2 盾構(gòu)對道路結(jié)構(gòu)縱向變形影響分析

在道路結(jié)構(gòu)縱斷面上,將道路起點設(shè)為y 軸坐標(biāo)原點,縱向為y 軸,盾構(gòu)對道路結(jié)構(gòu)縱向變形的影響見圖3。

圖3 縱向變形圖

通過圖像可以看出,在道路起點附近,沉降呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,增大大約50 m 之后進(jìn)入到平穩(wěn)階段,在50 m～150 m 的中間段整體沉降較為平穩(wěn),在150 m～200 m 進(jìn)入到終點附近,沉降呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這是由于縱斷面上各點的沉降接近,起點和終點處對道路的支撐作用較為明顯,使得道路結(jié)構(gòu)在縱向上呈現(xiàn)凹形。

2.2.3 盾構(gòu)對道路結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)影響分析

道路結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下的應(yīng)力分布見圖4。

圖4 自然應(yīng)力分布圖

道路結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)施工影響下的應(yīng)力分布見圖5。

圖5 工后應(yīng)力分布圖

通過圖像可以看出盾構(gòu)施工的影響使得整個道路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力增大,產(chǎn)生的附加應(yīng)力使道路結(jié)構(gòu)趨向于不利的方向,因此在施工過程中需實時監(jiān)測道路變形,及時調(diào)整盾構(gòu)參數(shù),以保證施工過程的安全穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工對道路結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)在道路橫斷面上沉降呈現(xiàn)兩端大、中間小的特點,在縱斷面上呈現(xiàn)兩端小、中間大的特點,并且盾構(gòu)施工會造成既有道路結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的增大,因此在施工時需經(jīng)常監(jiān)測道路結(jié)構(gòu)的變形,以保證整個施工過程的安全穩(wěn)定。