軟土地基城市隧道施工數(shù)值分析

李 巧， 吳維國， 李肇娟， 曹平貴

(中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建福州 350015))

[定稿日期]2017-08-20

我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，位于軟土地區(qū)的城市建設(shè)在飛速發(fā)展，人們也越來越重視地下空間的開發(fā)利用[1-2]。地下工程在其數(shù)量和規(guī)模上迅速增加，從而產(chǎn)生了大量的地下開挖工程。據(jù)報(bào)道，2004年，杭州市在人車矛盾比較集中的路口，修建了10條地下過街通道[3]；2006年，又開建了11處地下過街通道。溫州市于2007年底規(guī)劃建設(shè)三條人行過街通道[4]。此外，上海、南京、武漢等城市都在大規(guī)模的進(jìn)行人行過街通道的建設(shè)。在軟土地層中修筑地下工程的施工方法主要有:盾構(gòu)法、明挖法、頂管法、淺埋暗挖法等[5]。地下工程建設(shè)中應(yīng)用的淺埋暗挖法是以加固處理軟弱地層為前提[6-7]，但是目前采用淺埋暗挖法修建城市隧道仍受到地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)斷面、地形條件等因素的影響，應(yīng)用范圍受到一定限制[8-9]。特別是城市隧道采用淺埋暗挖法基本是在無水條件下施工，通常情況下，人行過街通道地下水位一般較高，地下水的影響往往是淺埋暗挖法施工成敗的關(guān)鍵，而大深度、大范圍降水可能會(huì)對周圍環(huán)境造成破壞(如導(dǎo)致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造價(jià)偏高的一個(gè)原因[10]。

國內(nèi)外雖然在采取一系列輔助施工措施后，應(yīng)用范圍有所拓寬，但施工速度仍然很慢，施工對周圍環(huán)境影響很大。本文主要研究高含水軟土層中人行地道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，將淺埋暗挖法技術(shù)向超淺埋、大斷面、多種地層和復(fù)雜地質(zhì)條件中推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程概況

城市隧道施工主要為主通道掘進(jìn)施工，通道標(biāo)準(zhǔn)段覆土3.25m，結(jié)構(gòu)凈寬6m，拱高1m，工程概況如圖1所示。內(nèi)襯混凝土強(qiáng)度等級均為C30。

圖1 城市隧道工程示意

本工程施工段東面為始發(fā)段，西面為終點(diǎn)段，標(biāo)準(zhǔn)開挖進(jìn)尺3m。施工掘進(jìn)前采取預(yù)加固手段，保證開挖斷面的穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)尺按照6階施工法，隨挖隨撐，標(biāo)準(zhǔn)段施工完成之后增加支撐體系結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定閉環(huán)。初支體系為噴錨結(jié)合措施，完成注漿后采取主動(dòng)分段換撐方式，結(jié)合防水措施，逐步拆除臨時(shí)支護(hù)，完成二襯鋼筋綁扎同時(shí)泵送混凝土，完成二襯施工。

1.2 地質(zhì)情況

由地勘報(bào)告可知，本工程中巖土設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。場地典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

表1 地基土參數(shù)

圖2 場地典型工程地質(zhì)剖面

2 數(shù)值分析設(shè)計(jì)

2.1 有限元模型

假定土層均質(zhì)分布，土體采用實(shí)體單元模擬，作為巖土工程的通用有限元分析軟件，MIDAS/GTS提供了許多土體本構(gòu)模型，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Duncan-Chang模型、CamClay模型及ModifiedCamClay模型等，更可采用自定義本構(gòu)模型。假定土層均質(zhì)分布，土體采用實(shí)體單元模擬，土體本文采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，混凝土結(jié)構(gòu)為采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)施工過程，采用建模助手建立有限元模型?？紤]通道主體施工尺寸和影響范圍，簡化模型整體，劃分單元9805個(gè)，節(jié)點(diǎn)21160個(gè)。計(jì)算區(qū)域有限元網(wǎng)格見圖3(a)，襯砌有限元網(wǎng)格見圖3(b)。

(a) 模型網(wǎng)格劃分

(b) 襯砌網(wǎng)格圖3 有限元模型

2.2 參數(shù)選擇

各層土體計(jì)算參數(shù)按照地勘中實(shí)驗(yàn)結(jié)果取用，強(qiáng)度指標(biāo)按照三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)。結(jié)合當(dāng)?shù)剀浲凉こ虒?shí)際，土體彈性模量按照3倍土體壓縮模量取用。混凝土彈性模量取30GPa，泊松比0.2。

2.3 施工模擬

根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行施工模擬劃分，每3m一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段，共劃分14個(gè)施工段，按照城市隧道掘進(jìn)工況計(jì)算。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 場地土體變形

圖4(a)、圖4(b)為地表土體的沉降云圖和沉降數(shù)據(jù)。圖4(c)為場地土體開挖完成時(shí)的整體位移云圖，模擬分析顯示：地表土體沉降隨著城市隧道的施工進(jìn)度的深入，也在逐步加大，但是相鄰施工段的施工造成的沉降差在1mm左右，隧道最大不均勻沉降大約4mm，對隧道結(jié)構(gòu)影響較小。圖4(c)體現(xiàn)了地表土體位移隨著城市隧道開挖進(jìn)度的發(fā)展規(guī)律。

(a) 地表沉降云圖(單位: m)

(b) 地表沉降(單位: mm)

(c) 場地土體整體位移(單位: mm)圖4 土體沉降曲線

3.2 城市隧道變形

圖5(a)、圖5(b)分別是圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖和拱頂土體沉降及拱底土體隆起曲線及襯砌斜率(表2)。分析結(jié)果表明：隨著城市隧道的掘進(jìn)，土體出現(xiàn)卸載問題，拱頂產(chǎn)生10～15mm的沉降，拱底土體卸載回彈，底面隆起大約51～55mm，隧道施工完成后隆起值穩(wěn)定在51mm。

(a) 襯砌變形云圖

(b)襯砌豎向變形圖5 襯砌位移曲線

方向Z方向X方向斜率/‰0．150．05

3.3 襯砌內(nèi)力

城市隧道周圍環(huán)境的影響、襯砌自重應(yīng)力及施工荷載引起城市隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形，從而在襯砌混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次應(yīng)力，可能影響城市隧道結(jié)構(gòu)的安全性。分析表明城市隧道掘進(jìn)施工引起的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化相對不大，仍在設(shè)計(jì)控制之內(nèi)(表3)。

表3 主通道襯砌內(nèi)力

4 結(jié) 論

根據(jù)場地地勘資料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立城市隧道有限元分析模型，考慮了開挖施工工況，實(shí)現(xiàn)了城市隧道施工的數(shù)值計(jì)算，并得到如下結(jié)論：

(1) 施工引起的地表水平位移相對較小，豎向沉降最大為11.5mm，出現(xiàn)在主通道開挖完成時(shí)第14圈襯砌的頂部地表，地表土體水平位移在1mm左右(出現(xiàn)在工況17，即主通道隧道開挖完成)。

(2) 主通道襯砌X方向水平位移與Y方向水平位移都很小，控制在10mm范圍內(nèi)，X方向最大水平位移為5.7mm，Y方向最大水平位移為6.5mm；襯砌的豎向最大位移，開挖初期主要發(fā)生在第一圈襯砌上，從開挖第1段土至開挖最后一段土之前，第一圈襯砌拱頂沉降-9.2mm，拱底中部隆起在開挖到中間位置時(shí)隆起到53mm，開挖后半段隆起值降到51.3mm；開挖完成后最后一圈襯砌拱頂沉降-13.7mm，拱底中部隆起51mm。主通道開挖施工過程中，未開挖的土體斷面有向外凸出的現(xiàn)象，最大凸出量為主通道開挖一半時(shí)，未開挖土體向外凸出53.8mm。

(3) 主通道隧道開挖施工導(dǎo)致混凝土襯砌管片內(nèi)力變化很小，可以忽略其影響。在局部區(qū)域襯砌管片彎矩的最大增加值為150kN·m/m，剪力的最大增加值為100kN/m。結(jié)合工程實(shí)際情況，增加后的內(nèi)力仍在混凝土襯砌承載能力范圍之內(nèi)，滿足人行過街通道主體結(jié)構(gòu)的安全要求。

由上述結(jié)論可知，根據(jù)數(shù)值分析預(yù)判地下通道施工過程模擬是可行的，通過控制實(shí)際施工中的施工工藝，可以保證城市隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社, 2004.

[2] 陳偉.城市地下空間開挖對環(huán)境的影響與試驗(yàn)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2006.

[3] 葉蕾.杭州有望再添十條人行地道[EB/OL].http://www.hangzhou.com.cn/20040101/ca590714.html，2004-11-18.

[4] 溫州網(wǎng).溫州將建三條過街通道[EB/OL].http://www.zjol.com.cn/05zjnews/system/2007/10/31/8934401.shtml，2007-10-31.

[5] 張海波.地鐵隧道盾構(gòu)法施工隊(duì)周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[6] 姚海波.大斷面隧道淺理暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物施工技術(shù)研究[D].北京：北方交通大學(xué)，2005.

[7] 王夢恕.北京地鐵淺埋暗挖法施工[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1988， 12(4): 7-1.

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[10] 王紹君，劉宗仁，陶夏新.淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(6)：76-80.