TBM地鐵施工下穿高速公路的數(shù)值模擬分析

常海亮，郭俊娥，趙曉勇

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710054)

1 工程概述

某地鐵線采用TBM法施工，在區(qū)間CK28+540—CK28+615段下穿渝合高速公路，為了解TBM法施工區(qū)間隧道對(duì)渝合高速公路的影響，取CK28+580處剖面進(jìn)行計(jì)算，該處設(shè)計(jì)軌面高程為271.98 m，隧道拱部結(jié)構(gòu)外緣高程為277.02 m，高速路面高程為289.13 m，隧道結(jié)構(gòu)與路面凈距為12.11 m。剖面位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與高速公路CK28+580處位置關(guān)系(單位:mm)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

按巖土力學(xué)法計(jì)算，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)隧道影響的距離要求，同時(shí)盡可能減少計(jì)算單元，整個(gè)模型左右寬度取距離隧道約12 m，總寬度為48 m，上側(cè)取到地面，約為15 m，下側(cè)取22 m，模型高度約為35 m。沿區(qū)間隧道縱向，取比公路寬度稍大，即48 m。

整個(gè)模型采用實(shí)體單元建模，土層采用摩爾—庫侖模型。該模型目前在巖土工程中使用較多。隧道結(jié)構(gòu)采用彈性體模型，共劃分50 240個(gè)實(shí)體單元，53 790個(gè)實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。計(jì)算中采用的地層及支護(hù)參數(shù)見表1、表2。

圖2 AC3D模型圖

圖3 豎向沉降變形圖

表1 Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)

表2 初期支護(hù)噴C25混凝土襯砌參數(shù)

3 荷載及施工方法模擬

3.1 荷載

隧道左線先于右線施工，由于初期支護(hù)穩(wěn)定后才施工二次襯砌，因此，只考慮初期支護(hù)作用，TBM施工每循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m。

1)路面荷載。路面荷載按20 kPa均布荷載計(jì)算。

2)TBM掘進(jìn)機(jī)刀盤擠壓掌子面荷載。因?yàn)榈侗P剛度很大，其作用在掌子面上的推力可按均布荷載考慮，計(jì)算中取472.4 kPa。

3)TBM掘進(jìn)機(jī)刀盤部分作用在圍巖上的荷載。TBM掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭部分自重比較大，通過刀盤護(hù)盾作用在圍巖上，對(duì)圍巖有一定的壓力，按2 MPa考慮。

4)TBM撐靴作用在圍巖上的撐力。TBM掘進(jìn)時(shí)，將撐靴作用在圍巖壁面上，提供TBM移動(dòng)時(shí)的作用力，在掌子面后10 m施加，大小為2 MPa，其作用通過開挖中心與水平方向上下兩側(cè)成30°的范圍內(nèi)。

3.2 施工模擬方法

根據(jù)實(shí)際荷載情況，首先在模型上表面施加路面荷載，計(jì)算初始應(yīng)力。然后按先左線后右線隧道的方式開挖，每步開挖1.5 m，每開挖一步，首先取消上一步施加在結(jié)構(gòu)上的荷載，同時(shí)施加以下的作用:①掌子面上刀盤上的推力;②在開挖處2 m的范圍上，把機(jī)頭部分自重施加在隧道洞壁上;③在距離掌子面10 m處，施加撐靴支撐力;④支護(hù)落后掌子面16 m再施加。

4 計(jì)算結(jié)果分析

在隧道進(jìn)行開挖之前，先進(jìn)行應(yīng)力平衡，來模擬隧道開挖前巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，然后將位移歸零，進(jìn)行隧道開挖模擬。計(jì)算完成后，模型深度Y=10 m處豎向沉降變形見圖3。

為了了解隧道開挖后對(duì)渝合高速公路沉降變形的影響，取路面A～K點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖4。

為了了解左線及右線隧道開挖完成后，在隧道上方高速公路的沉降變形情況，取圖4中的A～K點(diǎn)，繪制最終沉降變形見圖5。從圖5可以看出，左線開挖對(duì)高速公路路面的影響比較大，而右線對(duì)其影響比較小。左線隧道開挖導(dǎo)致隧道上方一定范圍內(nèi)的路面下沉，而兩側(cè)路面有一定的隆起，主要是由于TBM在掘進(jìn)過程中，需要依靠其左右撐靴作用在圍巖壁面上提供前行的推力，導(dǎo)致公路路面有一定的隆起。同時(shí)，高速公路路面會(huì)產(chǎn)生一定的不均勻沉降，左線隧道上方的D點(diǎn)處路面沉降變形最大-7.4 mm，右線隧道上方的H點(diǎn)右側(cè)(K點(diǎn))附近路面隆起量最大為11.1 mm。在左線開挖過程中，隧道開挖面在與D點(diǎn)正下方一定距離時(shí)，D點(diǎn)的變形過程見圖6。

在左線隧道開挖過程中，距離D點(diǎn)正下方距隧道開挖約12.0 m范圍內(nèi)對(duì)D點(diǎn)的沉降變形影響比較大，D點(diǎn)變形基本穩(wěn)定后最大沉降變形為-5.2 mm。在左線及右線開挖過程中，右線隧道上方的H點(diǎn)的沉降變形見圖7。從圖7可以看出，左側(cè)隧道開挖時(shí)撐靴對(duì)洞周圍巖的支撐作用力，影響到了右線隧道上方路面的沉降，導(dǎo)致右側(cè)隧道上方路面有一定的隆起;但在右側(cè)隧道開挖后，右線隧道上方H點(diǎn)處的路面有一定的下沉變形，最終H點(diǎn)的隆起量為2.6 mm。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(單位:m)

圖5 A～K點(diǎn)開挖完成后沉降變形曲線

圖6 開挖過程中D點(diǎn)變形值

圖7 開挖過程中H點(diǎn)變形值

5 結(jié)論

1)在左線隧道開挖過程中，左線隧道上方一定范圍路面會(huì)產(chǎn)生一定的沉降變形，而在這一范圍之外，路面反而會(huì)有一定的隆起變形。最終左線上方路面的最大沉降是-7.4 mm，右線上方的最大隆起值約為11.1 mm，隆起變形值比沉降變形更大，值得注意。

2)由于TBM在施工過程中，先施工左線隧道，后施工右線隧道，同時(shí)由于TBM掘進(jìn)機(jī)對(duì)圍巖的壓力，導(dǎo)致在隧道開挖過程中，地表有一定的不均勻沉降，沉降變形與隆起的差值最大達(dá)到18.5 mm。

3)右線隧道后開挖，開挖過程中，會(huì)對(duì)在左線隧道開挖導(dǎo)致的路面變形有一定的卸載作用，導(dǎo)致左線隧道上方的路面沉降值及右線隧道上方路面的隆起值均有一定的減小。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］鐘桂彤.鐵路隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.

［3］劉波，韓延輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］王志，杜守繼，張文波，等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(6):531-535.