盾構推進對合流污水管影響的三維數值分析

常 瑩,朱靈圣

(1.上海隧道工程股份有限公司,上海市200082;2.上海大學,上海市200436)

0 前言

盾構隧道技術已成為近年來城市地下工程施工對周圍地層擾動最小的施工方法之一。但由于地質條件和施工工藝的限制，盾構法隧道上方一定范圍內，尚難完全防止地表沉陷，特別在飽和含水松軟的土層中，須采取復雜的技術措施，才能把沉陷控制在很小的范圍內。

當隧道開挖面失穩破壞時，導致地面塌陷或造成過大的地面沉降，將對周邊的環境產生較大破壞，造成巨大的經濟損失。在軟土地層中，由于地層擾動而造成隧道周圍地層變形導致地表沉降的現象尤為顯著。同時，地表沉降是盾構施工過程中最大的環境問題，嚴重的地層下沉會對周邊建、構筑物造成危害。

由于隧道施工引起的地表沉降影響因素很多，應用廣泛的經驗計算法無法反映眾多因素的綜合影響。目前，預測地表沉降常用的數值計算方法主要有有限單元法(FEM)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散元法(DEM)和剛性有限元法(RFEM)等。

近幾十年來，有限單元法發展迅速，商業軟件的開發進一步促進了其在實際工程中的應用，例如 FLAC、ABAQUS、ANSYS、ADINA 等。這些方法具備考慮多種空間因素，可描述材料物理非線性和幾何非線性等能力和特點。此外，還可以考慮復雜的邊界條件，能夠模擬復雜的巖土介質的特性，動態模擬工程的實際建造過程，有能力實現求解復雜的隧道結構問題。

1 FLAC3D簡介

連續介質三維快速拉格朗日有限差分有限元計算方法(FLAC3D)是近20 a來逐步成熟完善起來的一種新型數值分析方法，它基于顯式差分法來求解運動方程和動力方程，可模擬巖土或其他材料的三維力學行為。FLAC3D可以解決諸多的有限元程序難以模擬的復雜的工程問題，例如分布開挖、大變形、非線性及非穩定系統。

FLAC3D程序適用于多種材料模式與邊界條件的非規則區域的連續問題求解。在求解過程中，FLAC3D采用了離散元的動態松弛法，不需要求解大型聯立方程組（剛度矩陣）。同時，同以往的差分分析方法相比，FLAC3D不但可以對連續介質進行大變形分析，而且能模擬巖體沿某一弱面產生的滑動變形，FLAC3D可在計算模型中針對不同的材料特性，使用相應的方程來比較真實地反映實際材料的動態行為。

相對于其它的有限元方法，采用“混合離散法”的FLAC3D在模擬塑性破壞和塑性流動時，比通常采用的“離散集成法”更為準確。此外，其所采用的動態運動方程，使得在模擬物理上的不穩定過程不存在數值上的障礙。更為有效的是，其采用顯式計算法，對非線性的應力—應變關系進行求解，計算效率更高。

在土木工程相關領域的應用中，FLAC3D能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析，還可以考慮錨桿、擋土墻等支護結構與圍巖的相互作用。

基于FLAC3D的強大功能，本文詳細模擬了隧道開挖施工過程。

2 工程概況

（1）上海軌道交通7號線5標（新村路-銅川路-中山北路站區間隧道），采用φ6 340 mm的土壓平衡盾構進行施工，主要沿嵐皋路、鎮坪路推進。在中山北路、鎮坪路路口處，盾構將穿越φ3 500 mm污水總管（鋼筋混凝土預制管，結構厚度33 cm，管節長3 m），下行線還將遇到中山北路高架B32橋墩下準備廢棄的1根鉆孔灌注樁。污水總管與隧道相交位置處的地面標高為+3.15 m，隧道中心標高約為-12.37 m，上行線的94-98環、下行線的99-103環穿越總管，隧道頂部與總管底部的凈距為2.9 m，如圖1所示。

（2）隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，通縫拼裝。襯砌環全環由小封頂（F）、2塊標準塊（B）、2塊鄰接塊（L）及1塊大封底塊（D）共6塊管片構成，環寬1 200 mm。管片強度等級為C55、抗滲等級為1.0 MPa。管片環與環之間用17根M30的縱向螺栓相連接，每環管片塊與塊間以12根M30的環向螺栓連接。

（3）工程地質情況如表1所列。

3 數值模擬研究與現場施工比對

3.1 模型建立

計算模型的X正方向為沿隧道軸向，長度取40 m；Y方向為污水管道走向，考慮消除計算結果中的邊界效應的影響，Y向分析總長度取50 m；Z軸正方向為垂直方向向上，取值30 m，模型上邊界為地表，整個模型大小為：X×Y×Z=40 m×50 m×30 m，共劃分網格單元485 750個，節點500 084個。數值計算模型如圖2所示。

3.2 邊界條件及初始地應力

模型周邊是自由邊界法向固定，底面約束3方向的自由度，頂面為自由表面。綜合考慮公路荷載和地表建筑物的自重，頂面施加地面超載20 kN，垂直方向地層應力僅考慮土層自重，根據現場測量結果，初始水平地應力側壓力系數X、Z方向均取為0.5。

3.3 結果分析

3.3.1模型位移分析

從模型位移中分析得出，兩條隧道的中心發生了最大沉降，沉降值達到36 mm，污水管道上方土體由于污水管的影響，沉降值較小，沉降范圍也小，同時，樁基的存在也減小了土層位移。隧道兩旁的樁發生了不均勻沉降，樁基的最大沉降發生在上部，最大值為1.37 mm，樁基的底部幾乎不發生垂直位移。總的來說，垂直位移對樁基的影響不是很大。污水管道位于隧道正上方的部分受開挖影響最大，最大沉降達25 mm，越向兩邊沉降越小，在隧道開挖的影響范圍之外，污水管的沉降幾乎為零，這說明，地鐵隧道與管道垂直相交的情況下，管道的差異沉降最大。

盾構推進也使地表發生了水平位移，隧道中心線周圍的土體都向隧道中心移動，隧道中心線上方的土體水平位移幾乎為零，向兩邊發展逐漸增大，到距離隧道中心線一定距離發展到最大，然后再慢慢減小。樁和污水管道的存在，影響了地表水平位移的均勻分布。

表1 地質巖性表

盾構推進引起樁的水平位移，樁頂的最大水平位移為4 mm，因為樁緊挨隧道，所以該工程盾構推進對樁水平位移的影響遠大于垂直位移。

3.3.1.1實際施工數據分析

（1）垂直位移：

在實際施工過程中，有兩臺盾構從南至北先后斜穿南北走向的ф3 500 mm合流污水管。穿越期間上行線最大變形量為+8.35 mm，下行線穿越期間最大變形量為+9.23 mm。通過盾構穿越期間采用的各項措施及后期補充注漿，在對直接布設在ф3 500 mm合流污水管上的5個深層監測點（GD1-GD5，按ф3 500 mm合流污水管走向布設，兩點之間間隔約5 m）四個月的持續監測，單天沉降小于-0.05 mm，趨于穩定。經過對相關數據的比較，其中GD1(位于最左側)遭到破壞無法實際反映真實數據；GD3的累計垂直變化量最大為-8.33 mm，該位置位于兩條隧道中心位置；而GD2(隧道左線中心)累計變化量為-5.98 mm；GD4(隧道右線中心)累計變化量為-6.03 mm；而隧道最右點GD5累計變化量為+0.53。于模型估計沉降趨勢相近，但實際變化量遠遠小于模型計算量，對與周邊高架樁基礎的影響其中最大點累計變形為2.34 mm，該樁基礎位置主要位于隧道距離5 m。由于盾構穿越位置對于高架樁基為側面，幾乎沒有影響。而不在穿越影響范圍內的污水管路累計變形為+0.23 mm，-0.37 mm基本沒有變化。

（2）水平位移：

在穿越ф3 500 mm合流污水管范圍內南北方向布設了兩個地表水平位移監測點，通過這兩個點可以得出盾構對于周邊土體水平位移的影響，經過相關數據的統計比較，可以發現在穿越階段，Y1(該點距離隧道和ф3 500 mm合流污水管分別為3 m、2 m)單次最大變化量為0.58 mm，位移方向為向ф3 500 mm合流污水管方向，累計最大變化量為2.34 mm，符合模型位移趨勢。

4.3.2應力分析

地層原先處于三向垂直應力分布狀態，盾構推進后，打破了原有的應力平衡狀態，使得應力進行重新分配，直至再次處于平衡狀態。而由于土體的損失，使得應力分配將會產生不均勻，局部區域將可能造成較大的應力集中，若應力集中程度較高，將對施工的穩定和安全支護造成威脅。在盾構推進后，隧道兩側垂直應力產生了較大的應力集中，最大應力值為14.59 MPa，主要集中在兩側邊中部。隧道底部產生了最大水平應力，最大值為2 MPa。隧道襯砌的垂直應力遠大于原巖應力的10倍，為保證盾構推進的安全，最好對隧道周圍土體進行加固。

從污水管道垂直應力云圖和水平應力云圖研究得出，污水管兩側旁出現了垂直應力集中，最大垂直應力達1.95 MPa，污水管上下部分出現了水平應力集中，最大水平應力達到8.2 MPa。

從樁垂直應力云圖和樁水平應力云圖研究得出，樁對應隧道水平位置出現了垂直應力集中，最大垂直應力值為8.5 MPa。

4.3.3塑性區分析

盾構推進完成后，在應力重分布的過程中，由于受力不均勻和應力集中情況的發生，使得開挖面周圍的土體進入塑性狀態，發生了永久變形，從圖3中可以看出，隧道周圍小部分土體發生了剪切破壞。

5 結語

通過對銅川路-中山北路區間隧道盾構穿越ф3 500 mm合流污水管的模型實驗和實際施工情況的統計和比較，發現FLAC3D模擬盾構近距離穿越大型管線時對周邊土體的影響與實際施工推進中的沉降趨勢較吻合。主要沉降集中在兩條隧道之間的位置，后期沉降比較大，但是這是在不采取其他施工措施的情況下產生的。但通過實際施工，可以發現在盾構穿越大型管線期間，經過模型建立后對沉降趨勢的了解，通過現場對施工參數的調整和對盾構與周邊土體的積極填充漿液和后期的補充壓漿完全可以有效地把地表沉降控制在一個可控制的范圍之內，從而把盾構穿越時對管線的影響降低到最小程度。

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