劉保東 王 銳 方 瑾 向芷良

(1.南寧城建管廊建設(shè)投資有限公司,南寧 530200; 2.上海同筑信息科技有限公司,上海 200090)

0 引 言

近年來,以地鐵為主的城市交通建設(shè)得到了迅速發(fā)展。隨著城市地下空間的進(jìn)一步發(fā)展,新建隧道與既有隧道相互平行,上下垂直重疊,上下斜交。以往對(duì)隧道重疊問題的研究多為兩線交叉或平行交叉,而近年來對(duì)三線甚至多線重疊問題的研究較少。

在盾構(gòu)隧道施工問題中的應(yīng)用及研究成果主要有:利用“生死單元”可以模擬盾構(gòu)開挖的過程[1],考慮襯砌管片結(jié)構(gòu)的橫觀各向同性,應(yīng)對(duì)其剛度進(jìn)行折減[2],土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂性地層施工時(shí),洞周應(yīng)力釋放率大約為20%[3],當(dāng)盾構(gòu)開挖面土倉壓力大于土水壓力合力時(shí),地面隆起量主要取決于隧道的埋深[4],既有隧道對(duì)其下方土壓力的橫向和深度影響范圍[5],近距離雙孔平行隧道開挖順序?qū)σr砌結(jié)構(gòu)軸力和彎矩的影響[6]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)穿越施工進(jìn)行了研究,取得了一些有益成果:徐前衛(wèi)等[7]研究了上海外灘觀光隧道上穿地鐵2號(hào)線兩條平行隧道復(fù)雜工況下盾構(gòu)掘進(jìn)施工的土體擾動(dòng)特點(diǎn)。畢繼紅等[8]采用平面應(yīng)變單元分析了近距離右線隧道開挖對(duì)左線既有隧道的影響問題。徐章杰[9]以北京地鐵15號(hào)線盾構(gòu)穿越京承鐵路箱涵工程為背景,分析了盾構(gòu)施工引起既有鐵路箱涵變形問題。與此同時(shí),陶連金等[10]利用FLAC3D模擬了超近距離雙線隧道盾構(gòu)施工的過程,分析了左、右隧道先后施工的相互影響,發(fā)現(xiàn)相鄰隧道盾構(gòu)施工時(shí),新建隧道對(duì)既有隧道的影響表現(xiàn)為應(yīng)力的“提前到達(dá)”和變形的“滯后發(fā)展”。張海波等[11]修改三維非線性有限元程序TDAD,提出了一種能夠綜合考慮盾構(gòu)施工過程中各種因素的三維有限元模擬方法,模擬了土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)、盾尾空隙和壓漿的過程,計(jì)算得到的隧道縱向地表沉降曲線接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。Hage和Shahrour[12]利用有限元軟件分析了近距離隧道相對(duì)位置和施工順序?qū)ν馏w沉降以及應(yīng)力的影響。Wang等[13]利用ABAQUS軟件分析了地下管線直徑、材料特性、埋藏深度及土體特性對(duì)城市地鐵隧道施工的影響。其他學(xué)者也利用有限元軟件對(duì)隧道的相對(duì)位置、相互作用等問題進(jìn)行了研究[14-15]。

以上海某新建隧道上、下穿越既有運(yùn)營隧道工程為背景,采用三維有限元數(shù)值軟件構(gòu)建模型,結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)的施工特點(diǎn),模擬盾構(gòu)開挖施工步,分析了地表沉降規(guī)律以及土倉壓力對(duì)地表沉降的影響,對(duì)城市地鐵的設(shè)計(jì)和后續(xù)類似工程的施工具有理論研究和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 工程概況

上海某新建隧道施工時(shí),上、下行線盾構(gòu)穿越某既有運(yùn)營隧道,最小凈距分別為1.82 m、1.69 m。鄰近穿越段土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1土體物理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Physical and mechanical parameters of the soil

2 有限元計(jì)算模型

2.1 建立模型

在盾構(gòu)施工過程中,土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在土室中設(shè)置壓力傳感器,實(shí)時(shí)采集土倉壓力值,然后通過控制螺桿的開閉度來控制土室壓力,輸送閥和千斤頂?shù)耐屏?從而保持開挖面的穩(wěn)定性[9]。

為了研究土槽壓力對(duì)地面沉降的影響,本文建立的計(jì)算模型尺寸為80 m ×7.2 m ×60 m,即沿現(xiàn)有隧道方向80 m,沿新隧道方向7.2 m,沿深度方向60 m。模型的上表面設(shè)為自由邊界,側(cè)向約束為水平位移,底部約束為垂直位移。采用8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R對(duì)土體、襯砌段、注漿層和盾殼進(jìn)行模擬。土壤材料是理想的彈塑性介質(zhì)。本構(gòu)模型采用Drucker-Prager準(zhǔn)則?；炷烈r砌段、注漿層、屏蔽殼采用線性彈性模型。。有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。

新建隧道襯砌外徑6.2 m,內(nèi)徑5.5 m,管片每環(huán)寬度1.2 m,厚度0.35 m。等代層厚度取0.105 m。盾構(gòu)隧道襯砌管片由鋼筋混凝土預(yù)制而成,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55,彈性模量為3.55×104MPa,泊松比μ=0.2,密度ρ=2 500 kg/m3。襯砌管片之間以及管片環(huán)與環(huán)之間均采用高強(qiáng)螺栓連接,考慮盾構(gòu)隧道管片拼裝對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度的影響,取等效剛度折減系數(shù)為0.85,即襯砌管片的彈性模量E=3.02×104MPa。盾構(gòu)外殼密度ρ=7 800 kg/m3,彈性模量E=2×105MPa,泊松比μ=0.3。土體重度γ=18kN/m3,黏聚力c=16 kPa,內(nèi)摩擦角φ=15°,壓縮模量Es=3.36 MPa,彈性模量E=11.76 MPa,泊松比μ=0.28。注漿漿液不考慮其硬化過程,取彈性模量E=30 MPa,密度ρ=2 100 kg/m3,泊松比μ=0.25。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Mesh of calculation

2.2 盾構(gòu)開挖過程模擬

有限元軟件采用剛度傳遞法模擬盾構(gòu)施工過程,如剛度和荷載傳遞過程,如圖3所示。當(dāng)盾構(gòu)開挖被推進(jìn)時(shí),開挖面上的土體將被卸荷,盾構(gòu)頭單元將從土體變?yōu)槎軜?gòu)殼,當(dāng)盾構(gòu)尾部出來時(shí),相應(yīng)的土體單元將被拆除,預(yù)置的注漿和襯砌單元將在相應(yīng)處被激活[16]。

圖2 盾構(gòu)施工單元材料示意圖Fig.2 Diagram of the elements properties

模擬的具體步驟為:

(1) 盾構(gòu)機(jī)在土中推進(jìn),當(dāng)推進(jìn)到第n環(huán)時(shí)如圖3.5,第n環(huán)處把土體挖除,第n環(huán)等代層變?yōu)閯倸?彈性模量為200 GPa),同時(shí)在開挖面施加一個(gè)均布支護(hù)壓力,支護(hù)壓力為開挖面中心點(diǎn)水平土壓力的1.1倍。

(2) 此時(shí)第n-1環(huán)處為襯砌管片的拼裝并且注漿,這一環(huán)的等代層彈性模量由剛殼變?yōu)闈{液(彈性模量為0.2 MPa),土體表面的法向作用注漿壓力,壓力大小也為開挖面中心點(diǎn)水平土壓力的1.1倍。

(3) 此時(shí)第n-2環(huán)的漿液彈性模量由開始注漿時(shí)的0.2 MPa逐漸硬化變?yōu)?.6 MPa。

(4) 此時(shí)第n-3環(huán)的漿液彈性模量由0.6 MPa逐漸硬化為1.2 MPa。

(5) 此時(shí)第n-4環(huán)的漿液彈性模量由1.2 MPa繼續(xù)硬化為5 MPa。

隨著盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn),掘進(jìn)的環(huán)數(shù)不斷往前增加,進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán),直到一條隧道開挖完成。需要提示的是:在實(shí)際盾構(gòu)開挖工程中,為了使上方的土體和既有隧道微微隆起,開挖面支護(hù)壓力要比開挖面中心點(diǎn)水平土壓力要大,一般取其1.05-1.1倍。此處取為1.1倍。

3 地表沉降分析

3.1 地表橫向沉降槽

以第3環(huán)與第4環(huán)交界面處橫向地表沉降為研究對(duì)象,圖3為盾構(gòu)開挖過程中地表橫向沉降曲線。

圖3 地表橫向沉降曲線Fig.3 Settlement of ground surface over tunnel

與Peck提出的盾構(gòu)施工引起的地面橫向沉降曲線計(jì)算公式的結(jié)算結(jié)果相比較,本文得出的沉降曲線略有不同。隧道開挖過程中,盾構(gòu)所在位置處地表出現(xiàn)沉降,相對(duì)于盾構(gòu)中心位置,兩側(cè)地表出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象。盾構(gòu)開挖結(jié)束后,隧道軸線相對(duì)于兩側(cè)表現(xiàn)出下沉趨勢(shì),但地表整體表現(xiàn)為隆起趨勢(shì)。隧道軸線的橫向位置為42 m,此處隆起量為1.0 mm。兩側(cè)最大隆起量分別為4.0 mm和5.3 mm。

3.2 隧道頂部沿軸線位移

以新建隧道洞周頂部豎向位移為研究對(duì)象,圖4為洞周頂部沿隧道軸向的豎向位移。

圖4 隧道洞頂豎向位移Fig.4 Vertical settlement of tunnel

由圖4可以看出,第1環(huán)土體開挖,開挖面前方土體卸載,支護(hù)壓力施加后,第2環(huán)洞頂豎向位移最大,開挖面前方土體豎向位移逐漸減小。隨著盾構(gòu)前行,開挖面前方最大豎向位移也隨之前行,開挖面后方洞頂豎向位移也隨之前移。必須指出的是,開挖面后方洞頂豎向位移隨著盾構(gòu)前移,有逐漸反彈的趨勢(shì),即表現(xiàn)為隆起。當(dāng)土倉壓力等于開挖面平衡土壓時(shí),地表的隆起和沉降值均為最小,故在盾構(gòu)開挖過程中要不斷調(diào)節(jié)土倉壓力,以使開挖面維持穩(wěn)定。限于本文隧道軸線方向模型長(zhǎng)度較小,所取代表點(diǎn)有限,豎向位移曲線波動(dòng)較大,但變化趨勢(shì)較為明顯。

4 土倉壓力的影響

如果土倉壓力大于開挖面土水壓力,地表就會(huì)隆起[18]。通過地應(yīng)力平衡得到開挖面靜止土壓力均值為0.28 MPa,分析土倉壓力分別為0.25 MPa、 0.28 MPa、0.32 MPa及0.35 MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果。圖5為不同土倉壓力下隧道開挖結(jié)束后的豎向位移曲線。

由圖5可知,隨著土壓力的增大,隧道的軸向沉降明顯增大。當(dāng)筒倉壓力為0.25 MPa時(shí),軸向上抬升的平均值為0.7 mm,而0.35 MPa土倉壓力對(duì)應(yīng)的軸向上抬升的平均值為5.0 mm。土壓力增加40%,軸向表面隆起增加600%。隨著土料筒倉壓力的增大,地表側(cè)向沉降量增大,呈上升趨勢(shì)。隧道軸線兩側(cè)的隆升幅度最大。當(dāng)土倉壓力為0.25 MPa時(shí),左側(cè)軸線為4.0 mm,右側(cè)軸線為5.3 mm;當(dāng)土倉壓力為0.35 MPa時(shí),左側(cè)軸線為6.1 mm,右側(cè)軸線為7.2 mm。軸左側(cè)隆起的最大值增加了52%,右側(cè)隆起的最大值增加了36%。隧道軸線的隆升由1.0 mm增大到5.3 mm。隨著土壓力的增大,隧道軸線與土體兩側(cè)的沉降差逐漸減小。可見,土倉壓力對(duì)地表沉降的影響較大,主要體現(xiàn)在隧道軸線、地表沉降和隧道軸線上。

圖5 不同土倉壓力下隧道沉降曲線Fig.5 Settlement curve of tunnel under different face pressure

5 結(jié) 論

針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)隧道上、下穿越既有隧道的工程實(shí)例,采用有限元數(shù)值軟件模擬了盾構(gòu)開挖的具體過程,分析了盾構(gòu)開挖過程中土體的擾動(dòng)變形規(guī)律,特別是隧道軸向地表沉降、地表橫向沉降槽以及隧道軸向洞頂豎向位移,并研究了不同土倉壓力作用下的地表沉降規(guī)律。得出以下主要結(jié)論:

(1) 隧道軸向地表各點(diǎn)的豎向位移隨著開挖荷載步的增大而逐漸增大,表現(xiàn)為隆起趨勢(shì)。隧道開挖結(jié)束后,土倉壓力為0.28 MPa時(shí),地表各點(diǎn)的隆起量在2.5 mm左右。

(2) 地表橫向沉降槽表現(xiàn)為隧道軸線兩側(cè)土體相對(duì)隆起的凹槽狀,且隨著荷載步的增大,地表橫向沉降表現(xiàn)為向上隆起的趨勢(shì),開挖面后方土體隨著盾構(gòu)的前移,有逐漸隆起的趨勢(shì)。

(3) 地表橫向沉降量隨著土倉壓力的增大而增大,表現(xiàn)為隆起趨勢(shì)。隧道軸線與兩側(cè)土體沉降量差值隨著土倉壓力的增大而減小。