陳連偉 CHEN Lian-wei

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，各大中型城市的交通壓力得到有效緩解，由于地鐵建設(shè)大多集中于城市中心和人口、商業(yè)集中區(qū)域[1]，隧道施工不可避免地需要穿越建構(gòu)筑物、管線、下立交、高架橋等建筑（構(gòu)）筑物，由于盾構(gòu)法對周邊環(huán)境影響小、施工快速、自動化程度高，特別是對于地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊建構(gòu)筑物密集的工程，盾構(gòu)法具有很高的優(yōu)越性，因此，研究地鐵隧道施工對城市立交的影響具有重要意義。國內(nèi)外很多學(xué)者都做過深入的研究，張守領(lǐng)等[2]依托合肥地鐵盾構(gòu)下穿五里墩立交工程項目，結(jié)合有限差分軟件計算，分析總結(jié)了施工過程中地表變形及樁基變形規(guī)律；王立新[3]對盾構(gòu)穿越樁基群進(jìn)行數(shù)值模擬，驗證了盾構(gòu)在砂卵石地層中超近距離穿越大型立交樁基群設(shè)計方案的可行性，并提出了相應(yīng)的施工措施；李權(quán)[4]等通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，分析了盾構(gòu)施工引起的周邊地表沉降規(guī)律；李攀等[5]通過有限元模擬盾構(gòu)穿越下立交下長距離推進(jìn)過程，分析研究了施工過程中周圍環(huán)境的變化規(guī)律；陳宇等[6]利用FLAC3D 軟件，對盾構(gòu)穿越下立交的過程進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)施工地表沉降及超孔隙水壓力的特征、量值與范圍，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，以得到能夠反映施工技術(shù)水平的模擬施工參數(shù)。

本文以無錫地鐵3 號線盾構(gòu)近距離穿越通江立交隧道為依托，采用Midas GTS NX 軟件對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到盾構(gòu)施工過程中通江立交隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

無錫地鐵3 號線無錫火車站～廣瑞站區(qū)間線路在出無錫火車站站后，于YDK23+690～YDK23+735（ZDK23+680～ZDK23+725）處下穿通江大道下立交隧道。區(qū)間線間距為13～17.5m。線路自無錫火車站以右線19‰及11‰坡度下降，之后以右線14.618‰坡度上坡至廣瑞站。區(qū)間線路隧頂埋深約為9.7～14.2m。

盾構(gòu)隧道采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，隧道外徑為6.2m，隧道內(nèi)徑為5.5m，管片厚度為0.35m；標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)環(huán)寬為1.2m，管片采用強度為C50、抗?jié)B等級為P10 的混凝土。

通江立交隧道在盾構(gòu)隧道穿越段頂、底板厚度為1.2m，側(cè)墻以及中隔墻厚度為0.8m，遠(yuǎn)離穿越區(qū)域的頂、底板厚度降為0.8m。通江大道下立交隧道設(shè)計時已為地鐵預(yù)留穿越條件，下立交底板下設(shè)有樁基礎(chǔ)，樁基為直徑800mm 的鉆孔灌注樁，樁長20m，左線盾構(gòu)與下立交隧道結(jié)構(gòu)底板凈距為1.026m，右線隧道與下立交隧道底板凈距月1.132m。通江大道下立交與盾構(gòu)隧道相對位置關(guān)系見圖1，穿越段通江立交現(xiàn)場情況見圖2。

圖1 通江立交隧道與盾構(gòu)隧道剖面關(guān)系圖

圖2 盾構(gòu)穿越段通江立交現(xiàn)場圖

2 工程地質(zhì)概況

隧道埋深范圍內(nèi)，地層從上至下依次為①1雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1-1粉質(zhì)黏土、④2粉砂夾粉土以及⑥1黏土，其中④2粉砂夾粉土為微承壓含水層。本盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)各土層縱橫向分布穩(wěn)定，土質(zhì)均勻，本工程場地地形平坦，無不利地形地貌存在。盾構(gòu)隧道穿越通江立交的主要土層為④1-1粉質(zhì)粘土、④2粉砂夾粉土、⑥1粘土層。

3 盾構(gòu)區(qū)間下穿城市立交數(shù)值模擬分析

Midas/GTS 的施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。由于土體材料的特殊性，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)雜，通常具有極強的非線性，因此合理確定地層的初始應(yīng)力場和材料的本構(gòu)參數(shù)極為關(guān)鍵。

本次計算基本假定包括：①初始應(yīng)力只考慮地層的自重作用，不計構(gòu)造應(yīng)力的影響；②通江立交板、墻以及隧道管片均為均質(zhì)彈性材料，采用板單元進(jìn)行模擬，不考慮非線性；樁基采用樁單元進(jìn)行模擬，不考慮其非線性；③巖土體本構(gòu)模型采用修正Mohr－Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，簡化地表和各層土，使其呈均勻的水平層狀分布；④盾構(gòu)管片作為整體進(jìn)行分析，不考慮管片之間的螺栓連接。

3.1 有限元模型建立

采用Midas GTS NX 軟件建立有限元模型，土體采用實體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系采用修正Mohr－Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，通過采用三軸實驗強度達(dá)到50%位置的割線剛度E50ref、主固結(jié)儀加載中的切線剛度Eoedref以及卸載/重新加載剛度Eurref來刻畫土體在不同階段的剛度。一般有Eoedref=E50ref；Eurref=3E50ref，其他參數(shù)除破壞比Rf（取0.9）、參考壓力Pref（取100kN/m2）、應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)m（0.5＜m＜1，砂土、粉土取0.5，黏性土取1）外，均可參照地勘資料選取。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

通江立交板、墻、盾構(gòu)機(jī)盾殼以及地鐵隧道管片采用板單元模擬，注漿層采用實體單元模擬，樁基采用樁單元進(jìn)行模擬，通江立交隧道、盾殼、盾構(gòu)管片、注漿層[7]等參數(shù)見表2，結(jié)合現(xiàn)場施工參數(shù)，土倉壓力取0.18MPa，注漿壓力取0.3MPa，注漿量為4m3/環(huán)，車輛荷載取為城-A 級。

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

整個模型尺寸為177×120×83m，模型四周土體邊界采用法向位移約束，底部全固定約束，整個模型見圖3，盾構(gòu)隧道與通江大道下立交隧道相對位置關(guān)系圖見圖4。

圖3 盾構(gòu)穿越通江立交有限元模型整體示意圖

圖4 盾構(gòu)穿越通江立交有限元模型整體示意圖

3.2 盾構(gòu)下穿通江立交施工步序模擬

初始階段激活地層、模型邊界和自重，獲得地層的初始應(yīng)力場并清零。之后一次性激活通江立交隧道結(jié)構(gòu)，鈍化相應(yīng)土體，并添加車輛荷載，獲得盾構(gòu)隧道施工前的應(yīng)力場，同時進(jìn)行位移清零。計算通過生死單元來模擬盾構(gòu)施工的應(yīng)力釋放過程，計算工況根據(jù)定義的施工步序進(jìn)行單元的激活與鈍化，每6m 為一個施工步序，盾構(gòu)掘進(jìn)施工的步序模擬見圖5[7]。

圖5 盾構(gòu)施工過程示意圖

3.3 計算結(jié)果分析

盾構(gòu)雙線貫通后，模型整體豎向位移云圖見圖6。

圖6 盾構(gòu)雙線貫通后模型整體豎向位移云圖

3.3.1 盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降分析

選取通江立交附近垂直于盾構(gòu)方向的地表測點，分析盾構(gòu)施工過程中通江立交隧道范圍外的地表沉降情況，地表沉降見圖7。

圖7 垂直于盾構(gòu)方向的地表沉降曲線

從圖7 可知，在非通江大道下立交隧道區(qū)域，地表沉降槽曲線較符合高斯曲線特征[7]，左線盾構(gòu)施工貫通后，地表沉降槽曲線呈現(xiàn)單峰特性，沉降最大值位于隧道中心線上方，最大沉降為-7.43mm；當(dāng)右線盾構(gòu)貫通后，沉降槽曲線呈現(xiàn)雙峰特性，左線沉降進(jìn)一步增大至-7.46mm，右線隧道上方地表最大沉降為-6.82mm。

3.3.2 盾構(gòu)隧道施工引起的通江立交隧道結(jié)構(gòu)沉降分析

選取通江立交隧道結(jié)構(gòu)北側(cè)跨中位置為監(jiān)測點，分析研究盾構(gòu)隧道施工引起的通江立交頂板、底板沉降情況，由于通江立交頂板北側(cè)邊界位于左線盾構(gòu)中心線，選取左線盾構(gòu)中心線為參照，各測點距離左線盾構(gòu)中心線的距離作為橫坐標(biāo)，頂板跨中各測點沉降見圖8；選取左右線盾構(gòu)隧道對稱軸作為參照，各測點距離對稱軸的距離作為橫坐標(biāo)，底板跨中各測點沉降見圖9。

圖8 通江立交頂板沉降曲線

圖9 通江立交底板沉降曲線

從圖8 和圖9 可知，左線盾構(gòu)施工完成后，通江立交結(jié)構(gòu)在左線正上方產(chǎn)生一定沉降，左線貫通后，通江立交隧道結(jié)構(gòu)最大沉降為-1.98mm，右線盾構(gòu)施工時，左線上方的通江立交隧道結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)一步增大，右線上方通江立交隧道結(jié)構(gòu)沉降急劇增大，通江立交隧道結(jié)構(gòu)沉降分布在左右線盾構(gòu)隧道中心線之間范圍，江立交結(jié)構(gòu)最大沉降為-2.44mm。盾構(gòu)施工過程中，隧道頂板最大差異沉降為-0.213mm，最大差異沉降率為0.011%；隧道底板最大差異沉降為-0.256mm，最大差異沉降率為0.016%。

從計算結(jié)果可知，盾構(gòu)施工引起的通江立交隧道結(jié)構(gòu)沉降及差異沉降率均滿足設(shè)計監(jiān)測限值要求，在可控范圍內(nèi)。根據(jù)計算中主要參數(shù)選取，同時考慮到施工期間不可預(yù)估因素的影響，對施工現(xiàn)場提出如下措施：①穿越時應(yīng)使盾構(gòu)均衡勻速施工，同時盡量少做糾偏動作，即使做糾偏動作，幅度也不宜過大，必要時進(jìn)行注漿保護(hù)，以減少盾構(gòu)對地面建筑物的影響。同時加強監(jiān)測、信息化施工、施工參數(shù)動態(tài)管理。②為保證通江立交的后期沉降盡快達(dá)到穩(wěn)定，增強注漿效果，穿越段管片采用增設(shè)注漿孔的特殊襯砌環(huán)，并考慮在盾構(gòu)穿越后在隧道內(nèi)采取二次注漿，加固因開挖而松動的土層，防止松動現(xiàn)象向上擴(kuò)展，進(jìn)而控制地面沉降，同步注漿建議≥4m3/環(huán)，二次注漿建議≥1.2m3/環(huán)；本段管片配筋考慮通江立交影響提高兩個等級配置。③掘進(jìn)時嚴(yán)格控制地層損失率不大于3‰，加強對下立交的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。

4 通江立交隧道現(xiàn)場沉降監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

無錫火車站～廣瑞站盾構(gòu)區(qū)間穿越通江立交隧道結(jié)構(gòu)時，結(jié)合現(xiàn)場測點布置的可實施性以及現(xiàn)場監(jiān)測便利情況，將地面（頂板）監(jiān)測點布置在結(jié)構(gòu)跨中位置，將底板監(jiān)測點布置在中隔墻位置，現(xiàn)場監(jiān)測點布置見圖10。

從圖11 和圖12 可以看出，在整個盾構(gòu)施工過程中，通江立交頂板最大沉降為-2.14mm，底板最大沉降為-2.29mm，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果規(guī)律基本吻合，頂板計算值與監(jiān)測值最大差值為0.57mm，底板計算值與監(jiān)測值最大差值為-0.39mm，存在差異原因主要由于施工參數(shù)調(diào)整變化、施工誤差以及額外的地層損失導(dǎo)致的，因此，可以認(rèn)為監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 通江立交頂板監(jiān)測值與計算值對比

圖12 通江立交底板監(jiān)測值與計算值對比

5 結(jié)論

本文以無錫地鐵3 號線無錫火車站～廣瑞站盾構(gòu)區(qū)間穿越通江大道下立交為背景，利用Midas GTS NX 有限元軟件，對盾構(gòu)穿越通江立交的風(fēng)險進(jìn)行模擬分析，通過數(shù)值計算，提出相應(yīng)的施工措施，并將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

①數(shù)值模擬可以較好地反映出盾構(gòu)施工過程中，地表及周邊建（構(gòu)）筑物的變形規(guī)律，以驗證現(xiàn)階段設(shè)計方案的可行性。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，地表最大沉降為-7.46mm；通江大道下立交隧道結(jié)構(gòu)最大沉降為-2.44mm，最大差異沉降為-0.256mm，最大差異沉降率為0.016%，均滿足設(shè)計的監(jiān)測限值要求。②以數(shù)值模擬計算得出的規(guī)律和結(jié)果為依據(jù)，對施工現(xiàn)場提出具有針對性的措施及要求。通過現(xiàn)場實際監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比可知，現(xiàn)場實際監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算結(jié)果的誤差在可控范圍內(nèi)，數(shù)值模擬可以較好地模擬盾構(gòu)穿越通江立交隧道施工過程，為工程提供參考依據(jù)。