軟土地區(qū)超大直徑盾構(gòu)下穿既有軌道交通沉降有限元模型計(jì)算和控制保護(hù)

肖彥斌

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海，200070）

隨著城市進(jìn)程快速化，地下空間資源被逐漸開發(fā)，地下出現(xiàn)越來(lái)越多的市政管線、污水隧道、軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施，因此新建隧道平行或交叉穿越既有建（構(gòu)）筑物成為了不可避免的問題［1－2］。在新建隧道的設(shè)計(jì)中，需要提前對(duì)穿越既有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的變形沉降進(jìn)行有限元分析計(jì)算，預(yù)測(cè)穿越后的變形能否符合相關(guān)國(guó)家、地方性規(guī)范的要求，是否會(huì)對(duì)既有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生危害，能否通過(guò)一些其他的技術(shù)措施來(lái)減小結(jié)構(gòu)變形的影響。筆者以杭州城市快速路地下通道工程大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線為實(shí)例，參照國(guó)家、地方性的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越既有軌道交通進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，對(duì)穿越后產(chǎn)生的變形沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)提出一些相關(guān)技術(shù)措施來(lái)減小既有結(jié)構(gòu)的變形，確保既有軌道交通的安全。

1 確定隧道橫向沉降的方法

1.1 Peck公式計(jì)算橫向沉降

影響土體沉降大小的因素主要有以下3點(diǎn)。（1）工程水文地質(zhì)情況，例如土體的摩擦角、粘聚力、壓縮模量等。（2）隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如隧道直徑、埋深、線間距等。（3）施工工藝，例如盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)是否及時(shí)進(jìn)行同步注漿加固，是否及時(shí)調(diào)整刀盤切口壓力；穿越后是否根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)進(jìn)行二次注漿加固等。

工程中最常用確定隧道橫向沉降的方法為經(jīng)驗(yàn)值法［3－4］。即盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中，隧道上方產(chǎn)生大致滿足正態(tài)分布的沉降槽，其中隧道正上方的沉降量最大。

隧道產(chǎn)生的最大沉降由下列公式?jīng)Q定：

式中：VLS為地層損失率（‰），即隧道推進(jìn)每米的地層損失量（m3／m）與隧道實(shí)際挖掘面積VA（m2）的比值；i為隧道沉降槽的寬度，由隧道的埋深和隧道斷面的土層性質(zhì)決定，DA為隧道開挖直徑。

隧道在橫向任意位置產(chǎn)生的沉降可由Sz表示：

式中：Sz，max為最大豎向沉降；i為隧道沉降槽的寬度；x為距離隧道中心的距離。

此外，在同一斷面的任意深度也可用滿足正態(tài)分布的沉降槽來(lái)表示，并且假設(shè)在任意深度沉降槽的體積均與地表的相等（圖1），同時(shí)滿足規(guī)律［5］。最大豎向沉降Sz，max隨著深度Z的增加而增大。隧道沉降槽的寬度i隨著深度Z的增加而減小。

圖1 隧道橫向沉降槽在不同深度的分布Fig.1 Distribution of tunnel lateral settlement grooves at different depths

1.2 不同土體本構(gòu)模型下的橫向沉降分布曲線

不同土體本構(gòu)模型下橫向沉降槽分布曲線［6］可知（圖2），Drucker－Prager模型橫向沉降槽最淺，Cam－Clay模型最深。距離隧道中心線越遠(yuǎn)，各土體本構(gòu)模型沉降槽均趨近于0，但速度快慢不同，沉降槽最淺的Drucker－Prager模型變化最緩慢，因此對(duì)周邊的影響范圍最大。結(jié)合之前的建模經(jīng)驗(yàn)，該工程采用Drucker－Prager土體本構(gòu)模型模擬隧道掘進(jìn)開挖最為合適。

圖2 不同土體本構(gòu)模型下的橫向沉降槽［6］Fig.2 Transateral sedimentation tank under different soil constitutive models

1.3 Drucker－Prager土體本構(gòu)模型

在隧道工程中，土體往往表現(xiàn)出不均勻性和各向異性，在外荷載的作用下，容易發(fā)生屈服，產(chǎn)生彈性變形及不可逆的塑性變形，因此土體呈現(xiàn)出非線性。Drucker－Prager彈塑性模

型能很好地處理具有不同屈服強(qiáng)度的材料，其屈服面不隨材料的屈服而變化，同時(shí)還考慮了材料由于屈服而引起的體積膨脹，因此適用于模擬土、混凝土等材料［7］。Drucker－Prager模型的屈服面方程為：

式中：I1為應(yīng)力的第一不變量，J2為應(yīng)力偏量第二不變量；α，K為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

在實(shí)際工程中采用有限元計(jì)算軟件模擬盾構(gòu)穿越施工過(guò)程，預(yù)測(cè)施工完成后既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大沉降量，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告的相關(guān)土層參數(shù)建立三維塊體單元模型，而后利用經(jīng)驗(yàn)確定盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的地層損失率計(jì)算既有建構(gòu)筑物的變形沉降。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

杭州城市快速路地下通道工程線路全長(zhǎng)為5.28km，采用以盾構(gòu)為主、明挖為輔的施工方案，其中盾構(gòu)段為東西2段雙線隧道，西段隧道長(zhǎng)約1.84km；東段隧道長(zhǎng)約1.75km。隧道外徑為11.36m，內(nèi)徑為10.36m，環(huán)寬為2m，管片厚度為500mm，環(huán)間采用錯(cuò)縫拼接方式。線路最大縱坡為3%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 200m，采用一臺(tái)直徑11.66m大型泥水平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。

地鐵2號(hào)線隧道采用外徑為6 200mm，內(nèi)徑為5 500mm，襯砌厚度為350mm的管片結(jié)構(gòu)。襯砌環(huán)全環(huán)由6塊組成，即1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成。環(huán)間采用錯(cuò)縫拼接方式。區(qū)間上行線長(zhǎng)為1 558.5m，下行線長(zhǎng)為1 571.9m。隧道埋深為9.4～17.3m，最大縱坡為24‰。

工程大盾構(gòu)西段隧道在道路路口垂直下穿既有地鐵2號(hào)線區(qū)間，路口下方有大量重要管線，周邊有多座住宅樓及商鋪。交叉節(jié)點(diǎn)處地鐵2號(hào)線位于②淤泥及淤泥質(zhì)黏土，隧頂埋深約為10.4m。地下通道大盾構(gòu)上部位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部位于④淤泥質(zhì)黏土，潛水位埋深為地面下1.60～2.50m。擬建范圍②～④層均為流塑狀淤泥質(zhì)土，地基承載力特征值僅有80～90kPa，具有低強(qiáng)度、高壓縮性，有較明顯的蠕變、觸變特性，屬于典型的軟土地層?？焖俾返叵峦ǖ琅c地鐵2號(hào)線隧底最小豎向凈距僅為5.3m，在軟土地區(qū)超大直徑盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵隧道的影響較大，二者平面及立面關(guān)系（圖3）。

圖3 西段隧道與地鐵2號(hào)線相對(duì)關(guān)系圖Fig.3 Relative relationship diagram between the west section tunnel and metro No.2line

2.2 工程難點(diǎn)

（1）大斷面盾構(gòu)下穿。地下通道采用11.66m大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，管片外徑為11.36m，大斷面施工影響范圍大，不易控制。

（2）大盾構(gòu)與地鐵2號(hào)線隧道最小豎向凈距僅為5.3m，所處土層為③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層軟弱，承載力低，并且地鐵2號(hào)線已洞通，不存在做地面加固的條件。大盾構(gòu)下穿對(duì)地鐵2號(hào)線的影響較大，需同時(shí)考慮大盾構(gòu)雙線穿越后對(duì)地鐵隧道的疊加影響。

（3）穿越節(jié)點(diǎn)位于道路路口，上方管線眾多，周邊建構(gòu)筑物林立，環(huán)境復(fù)雜，對(duì)施工控制地表沉降的要求較高。

2.3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

參考“城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范”規(guī)范，以及地方工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)“城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程”關(guān)于地鐵結(jié)構(gòu)的安全控制值進(jìn)行保護(hù)［8］，此工程快速路地下通道大盾構(gòu)穿越地鐵2號(hào)線的變形控制指標(biāo)（表1）。

表1 地鐵2號(hào)線結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)Table 1 Structure safety control index of metro No.2line

報(bào)警值按安全控制指標(biāo)的70%控制，當(dāng)?shù)罔F隧道沉降超過(guò)報(bào)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取注漿加固等技術(shù)措施防止地鐵隧道的進(jìn)一步變形沉降。

2.4 有限元計(jì)算模型

研究采用有限元計(jì)算軟件MIDAS／GTS NX 2017建立三維模型進(jìn)行計(jì)算，模型長(zhǎng)120m，寬50m，高50m。土體本構(gòu)模型選用非線性Drucker－Prager模型，襯砌結(jié)構(gòu)按線彈性考慮，材料采用C50混凝土；注漿加固體按線彈性考慮，材料采用C15混凝土，范圍為隧道外2m?？焖俾返叵峦ǖ来蠖軜?gòu)穿越地鐵2號(hào)線的土層至上而下分別為：①雜填土；②淤泥及淤泥質(zhì)黏土；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④淤泥質(zhì)黏土；⑤黏土；⑥粉細(xì)砂，地下水位埋深取地面下2m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料，計(jì)算模型的土層參數(shù)（表2）。

表2 土層參數(shù)Table 2 Soil layer parameters

有限元計(jì)算模型邊界左右2端約束其不可橫向移動(dòng)，只可豎向移動(dòng)；底端約束其水平和豎向位移；頂端自由，不加約束條件。

施工順序：首先，地鐵2號(hào)線完成施工（初始狀態(tài)）；其次，快速路地下通道大盾構(gòu)北線隨后施工；最后，快速路地下通道大盾構(gòu)南線最后施工的順序設(shè)定，以分析地下通道大盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線的變形沉降影響。在計(jì)算模型中，在大盾構(gòu)掘進(jìn)方向每5m作為一次開挖土體單元，通過(guò)“鈍化”相應(yīng)網(wǎng)格組模擬開挖過(guò)程，同時(shí)“激活”等長(zhǎng)度的襯砌單元和等代層土體單元模擬隧道管片拼裝及注漿加固施工。

2.5 計(jì)算結(jié)果

2.5.1 工況一：大盾構(gòu)南北線下穿地鐵2號(hào)線時(shí)均不加固

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，快速路地下通道南北線大盾構(gòu)均以地層損失率3‰下穿地鐵2號(hào)線區(qū)間，但施工過(guò)程中不采取同步注漿、壁后二次注漿等加固措施，大盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地鐵2號(hào)線的變形沉降影響（圖4）。

圖4 大盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地鐵2號(hào)線的影響曲線Fig.4 Influence curve on metro No.2line in the process of large shield tunneling

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在不采取注漿加固的措施下，大盾構(gòu)單次穿越地鐵2號(hào)線區(qū)間，產(chǎn)生的沉降均超過(guò)10mm。當(dāng)大盾構(gòu)雙線穿越后，對(duì)地鐵2號(hào)線區(qū)間產(chǎn)生的累計(jì)沉降均超過(guò)20mm，不滿足相關(guān)地鐵保護(hù)的要求，需在大盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)既有地鐵隧道采取加固措施。

2.5.2 工況二：大盾構(gòu)南北線下穿地鐵2號(hào)線采用注漿加固措施

快速路地下通道南北線大盾構(gòu)在穿越地鐵2號(hào)線期間及時(shí)進(jìn)行同步注漿加固，穿越后及時(shí)進(jìn)行2次補(bǔ)漿加固。當(dāng)大盾構(gòu)雙線均以地層損失率3‰下穿地鐵2號(hào)線時(shí)，大盾構(gòu)掘進(jìn)完成后對(duì)地鐵2號(hào)線的變形沉降影響對(duì)比（圖5）。

圖5 大盾構(gòu)完成掘進(jìn)后對(duì)地鐵2號(hào)線的影響曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of the influence curve on metro No.2line after the large shield tunneling process

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采取注漿加固措施后，地鐵2號(hào)線左線產(chǎn)生的累計(jì)沉降減小23%，右線產(chǎn)生的累計(jì)沉降減小32%，隧道橫向沉降槽呈“U”字形，與Peck法確定的沉降分布曲線相一致。大盾構(gòu)單次穿越地鐵2號(hào)線產(chǎn)生的沉降均小于10mm，雙線穿越后產(chǎn)生的累計(jì)沉降小于20mm，滿足相關(guān)地鐵保護(hù)的要求。

2.6 技術(shù)保護(hù)措施

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，快速路地下通道大盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線區(qū)間的方案是可行的，但由于施工過(guò)程中盾構(gòu)施工參數(shù)的不穩(wěn)定以及注漿加固的不及時(shí)，仍可能存在眾多不確定的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證大盾構(gòu)穿越地鐵2號(hào)線的安全，建議在穿越期間著重采用以下技術(shù)措施［9－12］。

（1）可將大盾構(gòu)穿越地鐵2號(hào)線前100m作為試驗(yàn)推進(jìn)段，就盾構(gòu)推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、正面泥水平衡壓力、出土量、同步注漿量等施工參數(shù)與地面、沿線建構(gòu)筑物的沉降關(guān)系進(jìn)行分析，掌握在此地質(zhì)條件下地面和建構(gòu)筑物的沉降規(guī)律，獲得的施工參數(shù)用于指導(dǎo)后續(xù)地鐵2號(hào)線區(qū)間的穿越。

（2）盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿加固，同步注漿率≥110%，充填管片與土體間的空隙，減少施工過(guò)程中土體的擾動(dòng)。在穿越地鐵2號(hào)線的區(qū)段設(shè)置增設(shè)預(yù)埋注漿孔的管片，每個(gè)鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊增加2個(gè)注漿孔。在大盾構(gòu)穿越地鐵隧道之后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，及時(shí)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)后期沉降較大的區(qū)域進(jìn)行二次注漿加固，進(jìn)一步減小地鐵隧道的變形沉降。

（3）在穿越地鐵2號(hào)線的區(qū)段時(shí)，大盾構(gòu)隧道管片縱向增設(shè)剪力銷，環(huán)向管片接縫處增設(shè)預(yù)埋鋼板，以此來(lái)增大大盾構(gòu)的整體剛度，減小大盾構(gòu)隧道的收斂變形及位移，從而減小對(duì)地鐵2號(hào)線區(qū)間變形沉降的影響。

（4）大盾構(gòu)在下穿地鐵2號(hào)線期間嚴(yán)格保證掌子面泥水平衡壓力的穩(wěn)定，嚴(yán)禁超挖或欠挖，保證地層損失率≤3‰，盡可能使大盾構(gòu)均衡、勻速地穿越地鐵隧道，避免發(fā)生過(guò)大的糾偏，減小對(duì)土體的擾動(dòng)。

（5）地鐵2號(hào)線在穿越節(jié)點(diǎn)處前后不小于50m范圍內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)和加大監(jiān)測(cè)頻率，采用以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主，人工監(jiān)測(cè)為輔的方案，及時(shí)將地表和地鐵隧道的變形沉降情況反映給大盾構(gòu)施工人員，以便他們可以及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)及注漿量，確保大盾構(gòu)穿越地鐵隧道時(shí)的施工質(zhì)量［13］。

3 結(jié)論

快速路地下通道大盾構(gòu)北線于2017年5月2日進(jìn)入地鐵2號(hào)線影響區(qū)范圍，5月6日盾構(gòu)機(jī)盾尾拖出2號(hào)線影響區(qū)范圍。南線大盾構(gòu)于2018年1月29日進(jìn)入地鐵2號(hào)線影響區(qū)范圍，2月6日盾構(gòu)機(jī)盾尾拖出2號(hào)線影響區(qū)范圍，而后根據(jù)地鐵隧道的沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了4個(gè)多月的二次補(bǔ)漿加固。大直徑泥水平衡盾構(gòu)順利、安全地穿越地鐵2號(hào)線區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大盾構(gòu)雙線穿越后，地鐵2號(hào)線上行線產(chǎn)生的最大累積沉降達(dá)到－14.3mm，下行線產(chǎn)生的最大累積沉降達(dá)到－12.0mm。

通過(guò)工程實(shí)踐表明，在施工過(guò)程中采取注漿加固、優(yōu)化施工參數(shù)等技術(shù)措施，可將地鐵結(jié)構(gòu)的變形沉降控制在理論計(jì)算范圍之內(nèi)，并略小于理論計(jì)算值?？紤]到實(shí)際施工過(guò)程中影響因素眾多，有限元計(jì)算模型土層及材料相關(guān)參數(shù)的選取基本準(zhǔn)確。后續(xù)可通過(guò)注漿加固體試塊實(shí)驗(yàn)，得到相關(guān)計(jì)算參數(shù)，如內(nèi)摩擦角、粘聚力、壓縮模量等，在有限元模型計(jì)算中用試驗(yàn)取得的參數(shù)模擬注漿加固體，可使理論計(jì)算值更接近現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。該工程的順利實(shí)施可為今后同類工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考借鑒。