盾構下穿大型立交時掘進速度對樁基及地表沉降的影響

秦亞斌 朱大勇 張振華 盧坤林

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，230009，合肥；2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，230009，合肥；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，243004，馬鞍山∥第一作者，碩士研究生）

地鐵隧道盾構施工中盾構掘進速度是施工的重要參數之一。盾構掘進速度不同，引起的地表沉降及樁基變形也不同［1］。控制盾構掘進速度是施工中必須控制的重要參數之一。

諸多學者對盾構下穿建筑物作了研究。文獻［1］通過研究現場實測數據，認為在盾構施工參數設定的前提下，對地表沉降的影響最終取決于盾構掘進速度變化幅度的大小。文獻［2］研究了盾構掘進速度對隧道掘進面穩定性的影響，發現盾構掘進速度的改變會引起隧道掘進面附近水頭分布以及作用在隧道掘進面上支護力的改變。文獻［3］應用太沙基固結理論及Peck公式研究了盾構掘進速度及非正常停機對地面沉降的影響。但是，在國內外文獻中鮮見盾構掘進速度對鄰近建筑物變形影響的研究。雖然文獻［4-7］分析了盾構穿越建筑物施工對建筑物沉降的影響規律，并以此來確定較為合適的施工參數，控制施工過程中地表或建筑物的變形，但缺乏對掘進速度這一重要施工參數的討論。

大型立交橋施工安全需要綜合考慮地面、橋樁、橋墩及橋面等的變形，復雜性和綜合性強。文獻［8-11］分析了盾構法開挖隧道對樁基礎的影響。從以往的文獻中可以看出，學者們多對盾構側穿樁基的力學行為研究，對盾構掘進下穿大型立交樁基的分析甚少。而當盾構隧道正下穿立交樁基，且洞頂與樁基距離較近時，將引起施工危險性大大增加。鑒于此，本文在其他施工參數確定的情況下，研究了盾構下穿合肥市五里墩大型立交橋時不同掘進速度對樁基的影響，即根據施工前期試驗和工程實踐確定注漿壓力與土倉壓力，采用有限差分軟件，模擬分析不同掘進速度對地面、橋樁、橋墩及橋面等變形的影響，據此確定盾構下穿五里墩立交橋合適的盾構掘進速度。

1 盾構施工數值模擬原理及方法

1.1 數值模擬基本原理

有限差分軟件計算分析的基本方法為連續介質快速拉格朗日分析方法。該方法求解變形破壞問題的基本方程和計算流程概述如下：

（1）運動方程以節點為計算對象，將力和質量均集中在節點上，然后通過運動方程在時域內進行求解：

式中：

Fi，l（t）——t時刻l節點在i方向的不平衡力分量；

vi，l——t時刻l節點在i方向的速度，可由虛功原理導出；

ml——l節點的集中質量，在分析靜態問題時，采用虛擬質量以保證數值穩定，而在分析動態問題時采用實際的集中質量。

將式（1）左端用中心差分來近似，可得：

式中：

vi，l——t時刻l節點在i方向的速度；

Fi，l（t）——t時刻l節點在i方向的不平衡力分量；

△t——時間差分增量。

（2）本構方程應變速率與速度變量關系可寫成：

式中：

eij——應變速率分量；

ui——速度分量。

本構關系有如下形式：σij=M（σij，e·ij，k）（4）

式中：

K——時間歷史參數；

M——本構方程形式。

（3）邊界條件。在給定的網格點上，位移用速度表示。對于應力邊界條件而言，力Fi由以下公式求出：

式中：

ni——邊界段外法線方向單位矢量；

ΔS——應力σij，b作用的邊界段的長度。

（4）應變、應力及節點不平衡力。由速率來求某一時步的單元應變增量：

（5）阻尼力。對于靜態問題，在式（1）的不平衡力中加入了非黏性阻尼，以使系統的振動逐漸衰減至平衡狀態（即不平衡力接近于零）。此時，式（1）變為：

式中：

α——阻尼系數；

阻尼力fi，l（t）為：

1.2 盾構施工的模擬方法

在隧道掘進過程中，一邊采用刀盤和盾殼控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩，一邊轉動刀盤進行掘進，同時采用出土器出渣，千斤頂在后部加壓頂進，并在盾尾拼裝預制混凝土管片形成襯砌、實施壁后注漿以回填盾尾與管片間的空隙，從而不影響地面交通。

依據文獻［12］中討論的盾構施工模擬方法，認為盾構推進、管片安裝以及盾尾綜合注漿是一個連續、循環的過程，數值模擬中不能完全模擬盾構的連續推進過程，必須進行一定的簡化。通常將盾構推進簡化成一個非連續的推進過程。盾構推進實際上是盾構剛度及荷載的遷移，用改變單元材料類型和參數的方法來反映盾構的向前，而一次向前的過程中盾構周圍土體受力狀態也發生變化。模擬計算前，先在模型里預設隧道開挖單元、管片單元及注漿體單元。盾構推進時，假設盾構一步一步跳躍式向前推進，每次向前推進一定的長度，隧道土體開挖后及時改變相應單元的材料模型和參數來模擬管片和注漿體。

2 工程概況

五里墩立交橋為合肥市重要交通樞紐橋梁，其上部為多跨連續梁結構、下部結構采用直徑1.2～1.5 m的人工挖孔樁。合肥市地鐵2號線隧道下穿或側穿五里墩立交橋。縱斷面上下穿隧道平均埋深約27 m，樁基底部平均埋深約19 m。根據實際施工可知：盾構隧道開挖直徑6.28 m，管片壁厚0.3 m，注漿壓力為0.1～0.3 MPa。

五里墩立交橋區間范圍上覆第四系人工填土、硬塑性黏土，向下分別為全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中等風化泥質砂巖，斷面的地層分布有人工填筑土（Q4ml）、硬塑性黏土（XQ3）、全風化泥質砂巖（J3Z）、強風化泥質砂巖（J3Z）及中等風化泥質砂巖（J3Z）。

3 計算模型

3.1 數值網格模型

采用有限差分軟件模擬合肥市軌道交通2號線下穿五里墩立交的盾構掘進施工過程。數值網格模型X軸方向（隧道軸線方向）長420 m，Y軸方向（垂直于隧道軸線方向）寬150 m，Z軸方向（豎直方向）高90 m，即模型尺寸為420 m×150 m×90 m，如圖1所示。采用六面體與四面體單元進行網格劃分，數值網格模型共劃分成667 660個單元，包含430 665個節點。

圖1 隧道下穿五里墩立交三維數值網格模型

3.2 本構模型和屈服準則

根據文獻［13］可知，由于軌道交通隧道的平均埋深為27 m，應力水平較低，因此，本次三維數值模擬計算分析過程中，巖土體的本構模型為理想彈塑性本構模型，屈服準則為Mohr-Coulomb屈服準則。

橋面、承臺及橋墩、樁基、盾殼和管片在外荷載作用下，其變形主要處于彈性階段，它們的本構模型采用彈性本構模型。巖土體與橋樁接觸面的本構模型采用無厚度的接觸面模型。

3.3 計算參數

本次模擬分析涉及到的材料及其物理力學參數見表1和表2。

表1 樁土接觸面基本力學參數

4 盾構開挖數值模擬

本次數值模擬中監測點位置與實際各監測點一致，即包括監測斷面DBC28～DBC42各點以及隧道沿線各樁的監測點，每個監測斷面有14個監測點，監測點布置如圖2所示。

根據實際工程及經驗，設定盾構掘進速度為4環/d、6環/d、8環/d，對應的開挖速度v約為6 m/d、9 m/d、12 m/d。在分析時采用 model null命令去掉開挖土體，計算結束后即視為1 d內開挖該長度的模型變形終值。

根據實際情況，首先進行右線隧道盾構掘進，右線隧洞先于左線隧洞盾構掘進188 m約137環，再對左線進行開挖，分析不同開挖速度下地表及橋樁的變形規律。

圖2 地表監測點分布圖

4.1 盾構掘進速度對地表沉降的影響分析

為研究盾構掘進速度對地表沉降影響的大小，將3種掘進速度下相同地表監測點的累計沉降值進行比較，具體見表3。

表3 盾構在不同開挖速度下的地表累計最大沉降值

由表3可以看出：在6 m/d的開挖速度下，地表沉降變形最大值為2.21 mm，發生在斷面DBC32的隧道正上方監測點處；在9 m/d的開挖速度下，地表沉降變形較6 m/d開挖速度下的地表沉降變形大，其最大沉降在監測斷面DBC33處，沉降值為4.67 mm；在12 m/d的開挖速度下地表沉降值均較大，最大值達7.25 mm。從地表沉降變形可以看出，12 m/d的盾構掘進開挖速度是較為危險的；6 m/d的開挖速度最為安全；在9 m/d的開挖速度下，地表沉降也在允許的變形范圍內。

4.2 盾構掘進速度對樁基沉降的影響分析

為研究盾構掘進速度對樁基沉降的影響，將6 m/d、9 m/d、12 m/d開挖速度下的相同樁基累計最大沉降值進行比較。

五里墩立交錯綜復雜，樁基眾多，盾構下穿立交施工難度較大。其中，典型斷面樁基與盾構隧道位置關系如圖3所示。

圖3 典型斷面隧道與樁基的位置關系圖

在不同開挖速度下各樁基累計最大沉降值如表4所示。

根據文獻［14-15］對墩臺沉降值的規定，結合實際工程設置的沉降警戒值，從表4可以發現：在6 m/d的開挖速度下，各樁基沉降值較穩定，變形較小；在9 m/d的開挖速度下，各樁基沉降值有所增加，最大沉降值為3.62 mm，發生在樁B3-6上；在12 m/d的開挖速度下，樁基沉降值普遍較大，有一些樁基超過預警值。其中，A4匝道各樁基的預警值為4 mm，而樁基A4-10的沉降值為6.53 mm，超過預警值2.53 mm；A3匝道各樁基的預警值為5 mm，而樁A3-16和樁A3-19的沉降值分別為6.75 mm和6.52 mm，分別超過預警值1.75 mm和1.52 mm；B4匝道各樁的預警值為5 mm，而樁B4-10的沉降值為7.58 mm，超過預警值2.58 mm。

表4 在不同開挖速度下各樁基累計最大沉降值

為更加直觀地表現出12 m/d開挖速度下樁基超越預警值的程度，將樁A4-10、A3-16、A3-19以及B4-10的沉降值示于圖4中進行比較。

從圖4可以看出，在12 m/d的開挖速度下，樁基A4-10的沉降值超出預警值63.25%，樁基B4-10的沉降值超出預警值51.60%，樁A3-16和A3-19的沉降值均超過預警值30%以上。由此看來，以12 m/d的開挖速度進行盾構掘進，會引起樁基的較大變形，對立交橋的安全運行帶來一定的風險。因此在實際施工過程中應該控制盾構掘進速度。

根據計算結果，綜合分析取9 m/d的開挖速度進行盾構掘進施工。

5 數值模擬與現場監測值對比

現場以9 m/d的開挖速度進行下穿五里墩立交橋。施工過程中地表變形典型監測斷面實測地表沉降變形結果及對應的數值模擬結果見圖5～8。可見，9 m/d開挖速度的數值模擬沉降值與現場監測值相差不大，且均小于預警值，在安全允許范圍內。由此說明，通過數值模擬獲得的開挖速度9 m/d用于五里墩立交橋下穿施工是合理的。

圖4 樁基沉降值與預警值對比

圖5 模擬值與現場監測值比較（監測斷面DBC30）

圖6 模擬值與現場監測值比較（監測斷面DBC33）

圖7 模擬值與現場監測值比較（監測斷面DBC36）

圖8 模擬值與現場監測值比較（監測斷面DBC39）

6 結語

在注漿參數及土倉壓力等其盾構施工參數確定的前提下，采用有限差分軟件，分析不同盾構掘進速度對地表沉降及樁基變形的影響，通過分析結果確定按照6環/d（約 9 m/d）盾構掘進速度進行盾構下穿五里墩立交橋施工，既滿足了施工安全的要求，也能依據施工進度穩定推進。現場施工的實際情況表明，盾構掘進下穿五里墩立交工程選取6環/d的盾構掘進速度是較為合適的。本文的研究為地鐵隧道下穿大型立交時的盾構施工提供了確定盾構掘進速度參數的方法，具有較好的工程應用意義。

［1］ 周海群.軟土地層盾構施工中掘進速度對地面沉降的影響分析［J］.鐵道建筑,2012（2）:45.

［2］ 高健,張義同.考慮盾構掘進速度的隧道掘進面穩定性分析［J］.巖土力學,2010,31（7）:2232.

［3］ 林存剛,吳世明,張忠苗,等.盾構掘進速度及非正常停機對地面沉降的影響［J］.巖土力學，2012，33（8）：2472.

［4］ 顏波,楊國龍,林輝,等.盾構隧道施工參數優化與地表沉降控制研究［J］.地下空間與工程學報，2011，7（S2）：1683.

［5］ COMODROMOS E M，PAPADOPOULOU M C.KOMSTANTINIDIS G K.Numerical assessment of subsidence and adjacent building movements induced by TBM-EPB tunneling［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2014，40（11）：1.

［6］ LIU C，ZHANG Z X，REGUEIRO R A.Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield-Case study in Shanghai［J］.Computers and Geotechnics，2014，51：21.

［7］ XIE X Y，YANG Y B，JI M.Analysis of ground surface settlement induced by the construction of a large-diameter shielddriven tunnel in Shanghai，China ［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2016，51：120.

［8］ 李慶園,孟昌,朱元偉,等.黃土地區地鐵隧道盾構施工時既有房屋的變形規律分析［J］.城市軌道交通研究，2013，16（12）：103.

［8］ 侯玉偉.盾構隧道側向穿越樁基時對樁體土體及地面變形的影響［J］.城市軌道交通研究，2010，13（5）：71.

［9］ 王麗,鄭剛.盾構法開挖隧道對樁基礎影響的有限元分析［J］.巖土力學，2011，32（增 1）：704.

［10］ 彭坤，陶連金，高玉春，等.盾構隧道下穿橋梁引起樁基變位的數值分析［J］.地下空間與工程學報，2012，6（8）：485.

［11］ 楊永威.盾構隧道開挖對地表及鄰近樁基的影響研究［D］.合肥：合肥工業大學，2014.

［12］ 袁海平，王斌，朱大勇，等.盾構近距側穿高架橋樁的施工力學行為研究［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（7）：1457.

［13］ 龔曉南.土塑性力學［M］.第2版.杭州:浙江大學出版社，1997.

［14］ 中交公路規劃設計院有限公司.公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG D 63-2007［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［15］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB 50007-2011［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.