地鐵盾構下穿地下結構物變形及應力計算分析

唐明明 劉 淼 趙陽豪

地鐵盾構下穿地下結構物變形及應力計算分析

唐明明 劉 淼 趙陽豪

以常州地鐵1號線盾構下穿十字形的中防花園商貿(mào)城為工程背景，運用Flac3D模擬研究其受施工影響下的結構沉降和應力分布情況及其安全性。研究表明，中防花園商貿(mào)城結構受盾構施工影響的沉降變化較為明顯，商貿(mào)城結構在盾構掘進入口的位置沉降值最大，約為6.27 mm；商貿(mào)城結構的最大壓應力為8.74 MPa，出現(xiàn)在隧道上方的支撐柱位置；最大拉應力為1.11 MPa，出現(xiàn)在商貿(mào)城側(cè)墻拐角靠上位置；商貿(mào)城結構在盾構下穿施工的影響下其安全系數(shù)為1.41，總體上處于安全狀態(tài)。

地鐵盾構；下穿結構物；變形分析

1 工程概況

常州市中防花園商貿(mào)城位于花園街與廣電路交會街口，沿花園街南北全長317 m，沿廣電路東西沿線全長236 m，呈十字形排列。中防花園商貿(mào)城為地下1層板柱框架結構，頂板厚度約為0.4 m，底板埋深約5 m，上部為廣電路與花園街行車通道。中防花園商貿(mào)城的內(nèi)部結構空間設置有支撐柱，支撐柱采用C35鋼筋混凝土，直徑為0.5 m，間距約為6.9 m。新建常州地鐵1號線南北向下穿中防花園商貿(mào)城，穿越段長度約為258 m，隧道距中防花園商貿(mào)城底板的距離為9.8～11.1 m，盾構隧道與中防花園商貿(mào)城的橫剖面位置關系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與商貿(mào)城橫剖面圖 （單位：m）

工程場地地處長江三角洲太湖沖湖積平原，地形較為平坦，區(qū)間沿線場地地基土以黏性土、粉土及砂土為主，地層分布較平順、穩(wěn)定。場地地下潛水水位埋深約為地面下1.2～3 m，水位標高約1.3～3.6 m，平均水位標高約2.7 m，水位季節(jié)性變化幅度為1～2 m，場地施工范圍內(nèi)未涉及承壓水。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

中防花園商貿(mào)城采用現(xiàn)澆板柱結構體系，蓋挖逆作法施工，無梁構件，頂板受力主要依靠內(nèi)部的支撐柱維持平衡。因板柱結構抗剪能力較弱，故將支撐柱與頂板和底板接頭位置擴大為柱帽，以增強結構的穩(wěn)定性能。為更真實地模擬支撐柱對結構的作用，在計算模型中全部采用實體單元，支撐柱身與柱帽參照實際尺寸建模。

盾構推進過程的模擬方法采用剛度遷移法，模型中預留注漿區(qū)單元以及管片單元，在計算過程中逐步更換材料參數(shù)。盾構采用泥水平衡方式，掌子面施加與所在地層的壓力相平衡的推進壓力。

計算模型共劃分395 170個實體單元，管片單元采用線彈性模型模擬，土體材料的屈服采用摩爾庫倫準則。模型尺寸長260 m，寬238 m，高52.1 m。模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面采用法向約束（圖2）。

圖2 計算模型及網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)場地勘察資料以及設計施工說明，計算模型中的材料參數(shù)見表1。計算荷載考慮中防花園商貿(mào)城顧客、貨物等極限均布載荷3 kPa，廣電路、花園街的車輛均布極限荷載20 kPa。

表1 地層及隧道材料參數(shù)

3 計算結果分析

3.1 土體沉降分析

圖3 左側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

圖4 右側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

根據(jù)圖3土體沉降云圖可以看出，左側(cè)隧道盾構施工時，隧道上方的土體出現(xiàn)了較為明顯的沉降，土體沉降值隨距隧道水平距離的增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑。盾構施工引起的土體沉降值在盾構入口處相對較大，最大值約為5.15 mm。

根據(jù)圖4土體沉降云圖可以看出，左側(cè)隧道盾構施工完畢后右側(cè)隧道盾構施工時，隧道上方土體的繼續(xù)沉降，且隨距隧道水平距離的增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑。右側(cè)隧道盾構施工完畢后引起的土體沉降最大值出現(xiàn)在左側(cè)隧道和右側(cè)隧道中間線上方的盾構掘進入口位置，其最大沉降值為6.27 mm。

本計算中，盾構施工由左側(cè)隧道開始，左側(cè)施工完畢之后再施工右側(cè)隧道，2個隧道分別施工完畢后的土體沉降云圖如圖3、4所示。

可見，中防花園商貿(mào)城受施工開挖的影響沉降較為明顯，并且沉降分布不均勻，在隧道上方的沉降量要明顯高于周圍區(qū)域。

3.2 結構沉降分析

結構的沉降主要是由于土體不均勻沉降引起的，包括結構下部土體沉降和結構自重產(chǎn)生的土體壓縮（含地基基礎切入土體量）。由此可見，結構沉降大于結構下部土體沉降。但是，由于二者的差值即結構自重產(chǎn)生的土體壓縮量是極其有限的，可以忽略不計，因此，可近似地將土體沉降作為結構沉降來考慮。

由圖5可以看出，受左側(cè)隧道盾構施工的影響，隧道上方建筑結構產(chǎn)生了比較明顯的沉降，結構最大沉降區(qū)域如圖5藍色區(qū)域所示，最大值為4.3 mm，且結構最大沉降和土體最大沉降位置不在同一豎直刻度線上（圖6）。

圖5 左側(cè)隧道施工完畢后結構沉降云圖

圖6 左側(cè)隧道施工完畢后結構和土體最大沉降位置圖

由圖7可以看出，右側(cè)隧道施工完畢后，在左側(cè)隧道施工影響結果的基礎上，結構產(chǎn)生了更大的沉降，結構沉降最大區(qū)域如圖7藍色區(qū)域所示，最大值為5.55 mm，且結構最大沉降和土體最大沉降位置不在同一豎直刻度線上（圖8）。

圖7 右側(cè)隧道施工完畢后結構沉降云圖

圖8 右側(cè)隧道施工完畢后結構和土體最大沉降位置圖

3.3 結構應力分析

從中防花園商貿(mào)城結構變形分析可知，受隧道盾構施工的影響，商貿(mào)城結構產(chǎn)生了不均勻沉降，這種不均勻沉降可能導致框架混凝土出現(xiàn)開裂。因此，需要對施工影響后的結構應力進行分析，根據(jù)分析結果對應力較大的位置提出加固處理措施。2條隧道分別施工完畢后的商貿(mào)城結構應力云圖如圖9、10所示。

從圖9壓應力云圖可以看出，中防花園商貿(mào)城結構的最大壓應力主要分布在隧道上方的支撐柱位置，其最大值約為8.74 MPa；商貿(mào)城結構框架底板位置的最大壓應力在1～2 MPa之間。

從圖10拉應力云圖可以看出，中防花園商貿(mào)城結構的最大拉應力主要分布在商貿(mào)城側(cè)墻拐角靠上位置，其最大值為1.11 MPa；商貿(mào)城結構框架底板位置的最大拉應力在0.2～0.4 MPa之間。

圖9 商貿(mào)城結構壓應力云圖

圖10 商貿(mào)城結構拉應力云圖

由以上結構應力分析結果可知，在壓應力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結構的危險位置出現(xiàn)在隧道上方的支撐柱附近；在拉應力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結構的危險位置出現(xiàn)在側(cè)墻拐角靠上位置。

3.4 結構安全性分析

為了解盾構施工對中防花園商貿(mào)城結構安全性的影響，現(xiàn)以前述中防花園商貿(mào)城沉降以及應力計算結果為依據(jù)，結合鋼筋混凝土材料強度標準，確定其結構安全度。

由結構應力的計算結果可知，中防花園商貿(mào)城柱結構受到的最大壓應力為8.74 MPa，低于該標號（C35）的混凝土抗壓強度（容許應力）16.7 MPa；商貿(mào)城側(cè)墻受到的拉應力最大值為1.11 MPa，同樣低于其混凝土抗拉強度（容許應力）1.57 MPa。

分別以中防花園商貿(mào)城結構支撐柱的最大壓應力和側(cè)墻的最大拉應力作為判斷指標，計算商貿(mào)城結構的安全系數(shù)，結構最終的安全系數(shù)則為其較小值。表2給出了受施工影響下商貿(mào)城結構危險截面位置及相應的安全系數(shù)計算結果。

表2 商貿(mào)城結構危險截面位置及安全系數(shù)

由表2商貿(mào)城結構安全性系數(shù)計算結果可知，在極限壓應力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結構最危險截面出現(xiàn)在隧道上方的支撐住附近，根據(jù)結構計算最大壓應力8.74 MPa、容許應力16.7 MPa，計算可得其安全系數(shù)為1.91；在極限拉應力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結構最危險截面出現(xiàn)在側(cè)墻拐角靠上處，根據(jù)結構計算最大拉應力1.11 MPa、容許應力1.57 MPa，計算可得其安全系數(shù)為1.41。

綜上所述，中防花園商貿(mào)城結構最危險截面為位于側(cè)墻拐角靠上位置，商貿(mào)城結構總體安全系數(shù)為1.41。

4 結論

根據(jù)中防花園商貿(mào)城的結構特征和盾構施工資料，建立了三維分析模型，對中防花園商貿(mào)城結構進行了變形與內(nèi)力分析，并對其受盾構下穿施工影響的安全性進行了分析。主要結論如下：

（1）受盾構下穿施工的影響，商貿(mào)城結構沉降在靠近隧道頂端位置較大，遠離隧道位置則相對較小；結構最大沉降出現(xiàn)在盾構掘進入口的位置，最大沉降為6.27 mm；

（2）商貿(mào)城結構最大壓應力出現(xiàn)在隧道上方的商貿(mào)城結構支撐柱位置，最大壓應力為8.74 MPa,；

（3）商貿(mào)城結構最大拉應力出現(xiàn)在商貿(mào)城結構側(cè)墻拐角靠上位置，最大拉應力為1.11 MPa；

（4）商貿(mào)城結構處于安全狀態(tài)，其總體安全系數(shù)為1.41。

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責任編輯 朱開明

Analysis of Deformation and Stress Calculation of Underground Structures Under-passing by Metro Shield Tunneling

Tang Mingming, Liu Miao, Zhao Yanghao

Taking Changzhou metro line 1 shield under-passing engineering as an example, the paper uses Flac3D simulation to study the structure settlement and stress distribution under construction infl uence and its safety. The studies have shown that structure settlement changes of Zhongfang Garden Trade Center affected by impact of shield construction are rather big, maximum settlement value of trade center structure occurs at the portal position of shield tunneling entrance, the maximum pressure stress appears at the top of support column position in tunnel, and the maximum tensile stress appears in the corner on upper part of Trade Center side wall, The paper makes conclusion that safety factors of Trade Center structure under the influence of shield construction under-passing engineering are overall in the safe state.

metro shield, under-passing structure, deformation analysis

TU94

2014-09-23

唐明明： 北京安捷工程咨詢有限公司，博士，北京 100037