地鐵隧道盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)沿線既有建構(gòu)筑物的影響分析

趙澤龍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城地院，湖北武漢 430063)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市人口數(shù)量急劇增長(zhǎng)，有限的城市地面空間已不能適應(yīng)城市發(fā)展所需，城市交通由地上交通逐漸轉(zhuǎn)化為地下交通，城市軌道交通建設(shè)也因此進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。因城市建設(shè)時(shí)序的不同，地鐵區(qū)間盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物的情況難以避免。在地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)卸土?xí)蚱浦車(chē)馏w的受力平衡狀態(tài)，使得隧道周?chē)耐馏w發(fā)生沉降和側(cè)向變形，這會(huì)直接導(dǎo)致鄰近既有建構(gòu)筑物產(chǎn)生相應(yīng)的水平和豎向位移，進(jìn)而影響其正常使用。因此，如何保證在鄰近既有建構(gòu)筑物安全使用的前提下，確保地鐵區(qū)間盾構(gòu)順利下穿施工，對(duì)推動(dòng)城市軌道交通的發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況及建模方案

1.1 工程方案

本文基于合肥地鐵3 號(hào)線南延線工程青年路站—云谷路站區(qū)間下穿河道兩岸護(hù)堤樁項(xiàng)目展開(kāi)研究。引江濟(jì)淮河道寬約60m，設(shè)計(jì)洪水水位10.972m，最高通航水位10.187m，設(shè)計(jì)輸出水位6.528m，穿越河道里程范圍為J18+291.3—J18+512.5，該區(qū)段河道沿江淮大道側(cè)設(shè)護(hù)堤樁，樁長(zhǎng)11.9m，樁底標(biāo)高-4.2m，樁與樁之間以頂部冠梁連接[1]。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道外輪廓與北側(cè)護(hù)堤樁豎向凈距7.8m，南側(cè)護(hù)堤樁豎向凈距8.78m，如圖1 所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿引江濟(jì)淮河道示意圖

1.2 模型假設(shè)及地層力學(xué)參數(shù)

第一，引江濟(jì)淮河道護(hù)堤樁已投入使用多年，故認(rèn)為河堤的固結(jié)沉降及樁基礎(chǔ)的工后沉降早已完成。

第二，建模范圍內(nèi)，認(rèn)為各土層呈均質(zhì)水平層狀分布，且同一土層為各向同性，隧道襯砌的變形與受力均在彈性范圍內(nèi)。

第三，淺層地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主，水量微弱?；鶐r孔隙水主要賦存于殘積層和巖石全風(fēng)化帶中。該場(chǎng)地?zé)o有效地下水，故有限元計(jì)算中忽略地下水的滲透、流動(dòng)影響。

第四，不考慮盾構(gòu)結(jié)束后土體的緩慢固結(jié)（工后沉降）和蠕變作用。

采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型（HS-Small）對(duì)各土層進(jìn)行模擬，土體計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

1.3 有限元模型及分析步驟說(shuō)明

現(xiàn)用三維數(shù)值模擬分析合肥地鐵3 號(hào)線南延線盾構(gòu)施工對(duì)引江濟(jì)淮河道護(hù)堤樁的影響。此次數(shù)值模擬計(jì)算采用PLAXIS 3D 軟件進(jìn)行計(jì)算，采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行劃分。合肥地鐵3 號(hào)線南延線與引江濟(jì)淮河道護(hù)堤樁之間的結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格剖分如圖2、圖3 所示。

圖2 有限元網(wǎng)格剖分

圖3 隱藏部分土體后的有限元網(wǎng)格剖分

模型計(jì)算步驟設(shè)計(jì)為：初始地應(yīng)力平衡—激活既有樁基礎(chǔ)、冠梁與豎向荷載—初始位移清零，隧道開(kāi)挖，先開(kāi)挖左線后開(kāi)挖右線。計(jì)算過(guò)程中模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和管片拼裝，以此充分模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的施工過(guò)程。其施工模擬過(guò)程為：生成盾構(gòu)機(jī)殼單元—開(kāi)挖土體并施加掌子面壓力—向前推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)并生成管片單元—繼續(xù)開(kāi)挖土體并生成掌子面壓力—繼續(xù)推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)并形成新的管片。不斷重復(fù)此步驟直至開(kāi)挖完成[2]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 土體變形分析

盾構(gòu)施工誘發(fā)土體豎向沉降，如圖4 所示，左線與右線的中間正上方產(chǎn)生相對(duì)較大的豎向沉降，遠(yuǎn)離中心軸的地方豎向沉降較小。

圖4 雙洞貫通時(shí)土體變形趨勢(shì)圖(放大600 倍)

2.2 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近護(hù)堤樁影響分析

計(jì)算表明，雙線對(duì)稱(chēng)軸正上方1D(D 為隧道直徑)范圍的護(hù)堤樁的豎向沉降最大，其余位置的樁基礎(chǔ)豎向沉降相對(duì)較小，距離盾構(gòu)中心線越遠(yuǎn)豎向沉降越小。將盾構(gòu)雙線對(duì)稱(chēng)軸正上方的護(hù)堤樁編號(hào)為“0”，對(duì)北側(cè)各樁依次進(jìn)行編號(hào)，如圖5 所示。由于北側(cè)樁底距隧道頂?shù)木嚯x較小，故北側(cè)的樁基礎(chǔ)變形應(yīng)該比南側(cè)護(hù)堤樁大[3]。

圖5 北側(cè)護(hù)堤樁的編號(hào)

左線貫通、右線貫通時(shí)河堤土體橫斷面豎向沉降曲線如圖6 所示：左線貫通時(shí)，左線中心軸正上方土體的豎向沉降最大，達(dá)到-3.24mm；右線貫通后，雙線對(duì)稱(chēng)軸正上方土體的豎向沉降最大，達(dá)到-6.27mm。

圖6 盾構(gòu)誘發(fā)引江濟(jì)淮河堤土體橫斷面的豎向沉降

合肥地鐵3 號(hào)線南延線盾構(gòu)施工對(duì)引江濟(jì)淮河道北側(cè)護(hù)堤樁的位移影響如表2、表3 所示：盾構(gòu)使北側(cè)護(hù)堤樁產(chǎn)生的豎向沉降最大值為-6.47mm，最大差異沉降率為0.233‰。同樣可以得出南側(cè)護(hù)堤樁的變形數(shù)據(jù)，如下：盾構(gòu)使南側(cè)護(hù)堤樁產(chǎn)生的豎向沉降最大值為-5.03mm，最大差異沉降率為0.206‰。鑒于南側(cè)護(hù)堤樁的位移小于北側(cè)護(hù)堤樁，故未列出南側(cè)護(hù)堤樁的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

表2 盾構(gòu)施工誘發(fā)引江濟(jì)淮河道北側(cè)護(hù)堤樁的沉降匯總表

表3 雙線貫通時(shí)引江濟(jì)淮河道北側(cè)護(hù)堤樁的沉降匯總表

計(jì)算表明，北側(cè)護(hù)堤樁在左線貫通、雙線貫通時(shí)的最大側(cè)向位移分別為0.78mm、1.173mm，南側(cè)護(hù)堤樁在左線貫通、雙線貫通時(shí)的最大側(cè)向位移分別為1.26mm、1.86mm，位置位于雙線對(duì)稱(chēng)軸正上方附近。由于北側(cè)護(hù)堤樁的豎向沉降比南側(cè)護(hù)堤樁的豎向沉降大，故其側(cè)向位移比南側(cè)護(hù)堤樁略小。從總體上看，南、北側(cè)護(hù)堤樁的側(cè)向位移值均較小。

3 結(jié)論

從計(jì)算模擬結(jié)果可見(jiàn)，區(qū)間隧道施工對(duì)評(píng)估范圍內(nèi)建構(gòu)筑物（引江濟(jì)淮河道兩岸護(hù)堤樁）造成的沉降變化影響不大，具體表現(xiàn)為：

第一，護(hù)堤樁坡頂最大沉降值為-6.47mm。

第二，護(hù)堤樁坡頂最大水平位移值為1.86mm。

綜上所述，本文基于合肥地鐵3 號(hào)線南延線工程，針對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)沿線既有建構(gòu)筑物的影響分析，能夠?yàn)轭?lèi)似的區(qū)間下穿工程提供有效分析手段和重要依據(jù)。