地鐵盾構(gòu)下穿立體車(chē)庫(kù)修建時(shí)序的影響分析

寧德飚， 劉 婷， 郭 峰， 肖 西， 余 健

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650051； 2.昆明晟捷建筑工程技術(shù)咨詢有限公司， 昆明 650214； 3.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司， 昆明 650041)

隨著中國(guó)城市地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵隧道營(yíng)運(yùn)里程的快速增長(zhǎng)，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖工法越來(lái)越普遍。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等自動(dòng)化程度較高，在掘進(jìn)效率和安全性方面有較強(qiáng)的優(yōu)越性。由于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖不可避免要穿越各種各樣的地上或地下臨近建筑物，如何在保證上部建筑物使用安全的條件下，保障地鐵盾構(gòu)隧道施工期間順利穿過(guò)臨近建筑物以及建成后運(yùn)營(yíng)期間不受臨近建筑物的影響，對(duì)推進(jìn)軌道交通建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施意義重大。

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)利用刀盤(pán)切削開(kāi)挖前方土體，依靠千斤頂推力克服土體壓力和土體摩擦阻力向前掘進(jìn)，螺旋輸送機(jī)排渣的同時(shí)借助土壓艙內(nèi)土體壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面土水壓力以控制開(kāi)挖面及周?chē)馏w不發(fā)生坍塌失穩(wěn)。盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)后，在其內(nèi)部將預(yù)留注漿孔的管片拼裝成襯砌，然后對(duì)盾尾的施工空隙實(shí)施壁后注漿，盾尾空隙產(chǎn)生的地層損失得以減小。

地鐵盾構(gòu)穿越施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)擾動(dòng)土體，引起周邊地層變形和地表沉降，進(jìn)而影響附近建筑物的安全。

受隧道與建筑物的交互影響作用，二者的修建時(shí)序孰先孰后，很大程度上影響臨近建筑物的正常使用及下穿地鐵盾構(gòu)隧道施工期與運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)安全。目前國(guó)內(nèi)研究隧道與臨近建筑物修建時(shí)序的文獻(xiàn)相對(duì)較少。

文獻(xiàn)[1]利用FLAC3D對(duì)地鐵區(qū)間隧道與鄰近高層構(gòu)筑物的不同建設(shè)時(shí)序下相互影響建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了先施工高層構(gòu)筑物后施工地鐵隧道的建設(shè)時(shí)序可有效避開(kāi)施工風(fēng)險(xiǎn)、降低工程造價(jià)的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]利用Plaxis 3D將不同施工順序引起的鄰近高層建筑物結(jié)構(gòu)沉降、應(yīng)力重分布、塑性區(qū)分布以及傾斜情況進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，以此對(duì)隧道穿越高層建筑物的施工順序進(jìn)行優(yōu)化。

本文以地鐵隧道盾構(gòu)施工下穿某一擬建七層公共立體車(chē)庫(kù)工程為研究背景，采用Midas GTS NX提供的數(shù)值模擬手段，分析不同修建順序?qū)αⅢw車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，據(jù)以優(yōu)化修建時(shí)序以保證地鐵盾構(gòu)隧道下穿立體車(chē)庫(kù)時(shí)二者的結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

1 盾構(gòu)隧道下穿施工影響計(jì)算方法

1.1 Peck理論[3]

計(jì)算盾構(gòu)隧道施工的地表沉降可以采用經(jīng)典Peck理論或體積損失理論。Peck理論認(rèn)為地層的沉降主要是由地層損失所引起的，隧道施工沉降變形在空間上表現(xiàn)為隨開(kāi)挖不斷向前推進(jìn)沉降槽，沉降槽曲線為近似于一個(gè)Gauss分布曲線。Peck理論假定地層在不排水的條件下的開(kāi)挖，其損失即為地表沉降槽的體積大小，如圖1所示。

圖1 Peck公式沉降槽

當(dāng)采用Peck公式進(jìn)行分析時(shí)，地表沉降橫向分布的公式為

(1)

(2)

(3)

Vs=πVlR2

(4)

式中：S(x)為距離圖1沉降槽O點(diǎn)處為x處的地表沉降，mm；Smax為O點(diǎn)處的地表最大沉降，mm；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；z為盾構(gòu)中心埋深；φ為土體內(nèi)摩擦角；Vs為盾構(gòu)單位長(zhǎng)度的地層損失量，m3/m，也即盾構(gòu)實(shí)際開(kāi)挖的巖土體的體積與竣工盾構(gòu)的體積之差；Vl為地層體積損失率，即單位長(zhǎng)度地層損失占單位長(zhǎng)度盾構(gòu)體積的百分比；R為盾構(gòu)機(jī)半徑。

1.2 三維有限元數(shù)值模擬方法

運(yùn)用地層結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)原理，采用三維有限元數(shù)值方法模擬盾構(gòu)隧道下穿工程的施工力學(xué)行為，在實(shí)際工程中應(yīng)用十分廣泛。地層結(jié)構(gòu)法通過(guò)建立地層、隧道、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)幾何模型，賦予圍巖、襯砌等物理力學(xué)參數(shù)，施加邊界條件和荷載，在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下分別計(jì)算隧道管片與地層的內(nèi)力和變形，分析包括施工階段的圍巖穩(wěn)定、初期支護(hù)參數(shù)以及地表沉降對(duì)周?chē)h(huán)境的影響情況等三維效應(yīng)[4-8]。

有限元軟件通常用荷載釋放控制法或節(jié)點(diǎn)反力法模擬盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖行為。開(kāi)挖過(guò)程的模擬通過(guò)在開(kāi)挖邊界上施加釋放荷載實(shí)現(xiàn)。將一個(gè)相對(duì)完整的施工階段稱為施工步，每個(gè)施工步包含若干增量步，該施工步相對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖釋放荷載在各個(gè)增量步中逐步釋放，由釋放系數(shù)控制每個(gè)增量步的荷載釋放量。通過(guò)在開(kāi)挖邊界上設(shè)置釋放荷載并將其轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點(diǎn)力，據(jù)以模擬開(kāi)挖效應(yīng)[9]。

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地層損失包含考慮了壁后注漿效應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)與襯砌之間的空隙、盾構(gòu)機(jī)前面的土體的彈塑性變形等。GTS NX通過(guò)設(shè)置洞周開(kāi)挖土體形變至收斂位置來(lái)體現(xiàn)，直接在盾構(gòu)隧道邊緣施加強(qiáng)制位移邊界條件來(lái)模擬應(yīng)力釋放過(guò)程，可以模擬任意給定的地層損失比。盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填及注漿后漿體的分布情況在GTS NX中還可以用等代層法模擬[10-11]。

盾構(gòu)管片采用修正慣用法計(jì)算因管片接頭存在而使管片環(huán)降低的整體剛度，用折減等效剛度ηEI(η≤1)對(duì)圓環(huán)模型進(jìn)行模擬，管片錯(cuò)縫拼裝的影響考慮用彎矩修正系數(shù)ξ(ξ≤1) 來(lái)體現(xiàn)，管片主截面的彎矩為(1+ξ)M,管片接頭彎矩為 (1-ξ)M。根據(jù)大量管片錯(cuò)接頭荷載試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)η取0.6～0.8,ξ取0.2～0.3[12]。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

地鐵盾構(gòu)隧道施工項(xiàng)目即將下穿某一擬建七層公共立體車(chē)庫(kù)工程，兩個(gè)項(xiàng)目的修建存在工期沖突。立體車(chē)庫(kù)項(xiàng)目場(chǎng)地南側(cè)下方為規(guī)劃軌道交通線，車(chē)庫(kù)基底距離待建地鐵盾構(gòu)隧道邊線最小豎向凈距約為12.7 m。項(xiàng)目總平面布置如圖2所示。

擬建立體車(chē)庫(kù)建筑物占地面積為1 641.4 m2，地上建設(shè)七層車(chē)庫(kù)，結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)框架，建成后將有335個(gè)停車(chē)位。立體車(chē)庫(kù)樓層典型平面布置圖如圖3所示。

地鐵區(qū)間隧道長(zhǎng)為1 467.2 m，均采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)外徑6.48 m，盾構(gòu)管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，厚度350 mm，管片環(huán)寬1.2 m，分塊數(shù)為6塊，襯砌環(huán)縱、環(huán)縫采用環(huán)螺栓連接。盾構(gòu)管片斷面如圖4所示。

2.2 地層物理力學(xué)參數(shù)

場(chǎng)地范圍內(nèi)自上而下可分為第四系人工填土層(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及第四系上更新統(tǒng)沖湖積層(Q3al+l)3個(gè)地層單元，巖土層從上往下分布為①雜填土、②紅黏土、③紅黏土、④紅黏土、⑤強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，各土層的巖土物理力學(xué)指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

2.3 技術(shù)路線

本文需要研究車(chē)庫(kù)與地鐵的修建時(shí)序影響：一是地鐵施工對(duì)先期修建的車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)的影響，二是后期施工車(chē)庫(kù)及其車(chē)輛活載變化對(duì)地鐵安全的影響范圍等。

第一種情形：在車(chē)庫(kù)先期存在的情況下，盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層應(yīng)力釋放，地層土體產(chǎn)生相應(yīng)的彈塑性變形，容易導(dǎo)致相鄰車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降、傾斜等現(xiàn)象，從而對(duì)車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。嚴(yán)重時(shí)甚至危及車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)而影響隧道施工的安全和進(jìn)度。

圖2 項(xiàng)目總平面布置

圖3 立體車(chē)庫(kù)平面

圖4 盾構(gòu)管片斷面圖

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

第二種情形：在地鐵先期存在的情況下，車(chē)庫(kù)基坑開(kāi)挖和筏基回筑施工，改變了原土壤應(yīng)力場(chǎng)的平衡，產(chǎn)生的土壓力差容易導(dǎo)致相鄰地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)物沿縱向和橫向發(fā)生不均勻變形，從而對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。車(chē)庫(kù)建成后，進(jìn)一步需考慮按設(shè)計(jì)樓面活載進(jìn)行運(yùn)營(yíng)是否可能影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

第三種情形：隧道和車(chē)庫(kù)均已建成后，考慮按設(shè)計(jì)樓面活載進(jìn)行運(yùn)營(yíng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響。

為此，本研究對(duì)上述情形采用數(shù)值模擬手段，考慮各種施工條件，對(duì)各主要施工工況進(jìn)行具體的數(shù)值模擬計(jì)算，研究整個(gè)過(guò)程中車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)或地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形情況，找出施工過(guò)程中可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響的工況進(jìn)行安全性評(píng)估，提出針對(duì)性的預(yù)防措施和建議[13]。

2.4 安全評(píng)估控制值

1)車(chē)庫(kù)項(xiàng)目為采用混凝土筏形基礎(chǔ)，尺寸為48.4 m×38.4 m，建筑物高度為24.7 m。為確保結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)規(guī)范推薦值結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論分析，采用+10 mm和-30 mm作為建筑物結(jié)構(gòu)豎向附加變形(位移)控制值，水平方向附加變形(位移)的理論控制值采用±20 mm，結(jié)構(gòu)最大不同點(diǎn)差異沉降引起的基礎(chǔ)傾斜控制值為12 mm[14-16]。

2)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用±10 mm作為豎向附加變形(位移)或水平方向附加變形(位移)的安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值。管片內(nèi)力由最大裂縫寬度控制，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮長(zhǎng)期作用影響的最大裂縫寬度迎水面按0.2 mm、背水面按0.3 mm控制。在模擬計(jì)算時(shí)將根據(jù)管片類型核查盾構(gòu)內(nèi)力的是否滿足設(shè)計(jì)控制彎矩值，本例相應(yīng)的設(shè)計(jì)控制彎矩值為137 kN·m。結(jié)合以往類似工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，如果能夠控制外部項(xiàng)目對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的附加變形在上述變形控制值內(nèi)時(shí)，地鐵盾構(gòu)隧道的內(nèi)力值變化較小，所以一般以變形控制為主[17-20]。

2.5 數(shù)值模擬計(jì)算

2.5.1 三維有限元模型

采用Midas GTS NX有限元軟件建立的項(xiàng)目總體模型如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目總體模型

2.5.2 盾構(gòu)施工對(duì)先期修建的車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)的影響

圖6 車(chē)庫(kù)建筑的水平、豎向位移

考慮車(chē)庫(kù)先期修建完工的情況下，將地鐵分為1、2、3段施工范圍，其中進(jìn)入車(chē)庫(kù)建筑物之前的為1施工段，下穿車(chē)庫(kù)建筑物范圍為2施工段，穿過(guò)車(chē)庫(kù)建筑物之后為3施工段，按每段6 m進(jìn)行細(xì)分，左線分為8段，右線分為10段。

上述情形的計(jì)算結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)穿過(guò)項(xiàng)目建筑物的全過(guò)程，車(chē)庫(kù)建筑的結(jié)構(gòu)水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-3.44 mm，豎向z方向最大位移為-7.48 mm，均小于前文提出的結(jié)構(gòu)位移控制限值，如圖6所示。

2.5.3 車(chē)庫(kù)施工對(duì)先期修建的盾構(gòu)隧道的影響

項(xiàng)目計(jì)算范圍和前述一致，考慮地鐵盾構(gòu)隧道先期修建完工的情況下，計(jì)算車(chē)庫(kù)從開(kāi)挖筏形基礎(chǔ)到逐層施工至頂層過(guò)程的受力情況。

上述情形的計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)庫(kù)從開(kāi)挖筏形基礎(chǔ)到頂層施工完成的全過(guò)程，地鐵隧道水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-4.47 mm，小于前述安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移為-13.81 mm，已大于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值，如圖7所示。地鐵管片彎矩Mxx最大為-154.8(kN·m)/m，Myy最大為141.9(kN·m)/m，已大于設(shè)計(jì)控制彎矩值，如圖8所示。

圖7 盾構(gòu)隧道水平、豎向位移

圖8 盾構(gòu)隧道彎矩

2.5.4 車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)活載對(duì)已建盾構(gòu)隧道的影響

車(chē)庫(kù)建成后，運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)樓面活載為7.0 kN/m2，計(jì)算在設(shè)計(jì)活載作用下地鐵結(jié)構(gòu)的位移和變形情況。

計(jì)算結(jié)果表明，在車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)樓面活載作用下，地鐵隧道水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-4.07 mm，小于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)；豎向z方向最大位移為-12.44 mm，已大于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)，如圖9所示。地鐵管片彎矩Mxx最大為161.2(kN·m)/m，Myy最大為149.4(kN·m)/m，已大于設(shè)計(jì)控制彎矩值，如圖10所示。

圖9 盾構(gòu)隧道水平、豎向位移

圖10 盾構(gòu)隧道彎矩

2.6 地鐵下穿車(chē)庫(kù)修建時(shí)序分析

綜合以上計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)車(chē)庫(kù)建筑物先期施工時(shí)，因后續(xù)地鐵盾構(gòu)隧道施工引起的車(chē)庫(kù)建筑物位移變形附加值最大值，不超過(guò)安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值。

2)地鐵盾構(gòu)隧道先期施工時(shí)，因后續(xù)車(chē)庫(kù)建筑物施工引起的隧道結(jié)構(gòu)位移變形，水平方向最大位移附加值小于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移附加值為-13.81 mm，大于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值；因后續(xù)車(chē)庫(kù)建筑物施工引起的隧道結(jié)構(gòu)彎矩Mxx最大值為-154.8(kN·m)/m，Myy最大值為141.9(kN·m)/m，已大于設(shè)計(jì)控制彎矩值。

3)在地鐵隧道和車(chē)庫(kù)建筑物均已修建完成的情況下，按設(shè)計(jì)樓面活載7.0 kN/m2作用于車(chē)庫(kù)引起的地鐵隧道位移變形附加值,地鐵結(jié)構(gòu)水平方向最大位移小于安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移為-12.44 mm，超過(guò)了安全評(píng)估控制標(biāo)準(zhǔn)；車(chē)庫(kù)按相同設(shè)計(jì)樓面活載作用時(shí)地鐵結(jié)構(gòu)彎矩Mxx最大為161.2(kN·m)/m，Myy最大為149.4(kN·m)/m，均已大于設(shè)計(jì)控制彎矩值。

由上述結(jié)論匯總不難看出，車(chē)庫(kù)在地鐵結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行施工，地鐵盾構(gòu)管片的變形和內(nèi)力均超過(guò)限值。而車(chē)庫(kù)先期施工，在地鐵施工抵達(dá)之前完成大部分沉降，對(duì)地鐵的結(jié)構(gòu)安全相對(duì)有利。同時(shí)立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)樓面活載須進(jìn)行必要的調(diào)整，以滿足地鐵結(jié)構(gòu)的安全要求。

3 結(jié)論

采用三維有限元軟件對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿立體車(chē)庫(kù)進(jìn)行修建時(shí)序比較的數(shù)值模擬分析是可行的。結(jié)合不同修建時(shí)序建立工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化二者的修建時(shí)序，有效解決了兩個(gè)項(xiàng)目的工期沖突問(wèn)題。分析成果表明，立體車(chē)庫(kù)先期施工時(shí)對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力比較有利，立體車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)樓面活載須進(jìn)行必要的調(diào)整。為同時(shí)保障地鐵隧道安全掘進(jìn)施工、立體車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全提供了充分的決策依據(jù)。后續(xù)項(xiàng)目得以順利推進(jìn)直至通車(chē)運(yùn)營(yíng)，表明三維有限元數(shù)值仿真模擬可以為實(shí)施復(fù)雜結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的安全評(píng)估提供重要手段。