盾構(gòu)隧道下穿摩天輪時的地表沉降數(shù)值模擬

沈光磊

摘 要：地鐵隧道一般位于城市比較發(fā)達的區(qū)域，新的地鐵隧道不可避免會側(cè)穿（直穿）大型建筑物、構(gòu)筑物基礎(chǔ)。因此，在進行盾構(gòu)隧道施工時，地表沉降控制是施工質(zhì)量的一種體現(xiàn)。同時，地表沉降也關(guān)系到上部建筑物（構(gòu)筑物）的安全。本文將摩天輪基礎(chǔ)一定范圍內(nèi)土層假定為均質(zhì)彈塑性體、管片假定為理想彈性體，基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則理論構(gòu)建了盾構(gòu)隧道下穿摩天輪基礎(chǔ)的二維模型，運用ABAQUS有限元軟件研究了盾構(gòu)隧道下穿摩天輪地表沉降問題。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;地表沉降;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU921文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0103-03

Abstract： Metro tunnels are generally located in relatively developed areas of the city， and new subway tunnels will inevitably cross （through） large buildings and foundation of structures. Therefore， during the construction of shield tunnels， the control of ground settlement is a manifestation of construction quality. At the same time， the surface settlement is also related to the safety of the upper buildings （structures）. In this paper， the soil layer within a certain range of the Ferris wheel foundation was assumed to be a homogeneous elastoplastic body， and the segments were assumed to be an ideal elastic body， based on the Mohr-Coulomb yield criterion theory， a two-dimensional model of the shield tunnel passing through the ferris wheel foundation was constructed， and the ground settlement problem of the shield tunnel passing through the ferris wheel was studied by using ABAQUS finite element software.

Keywords： shield tunnel;surface subsidence;numerical simulation

隨著城市的發(fā)展，交通起到越來越重要的作用，原來的公路不能再充分滿足城市居民的交通需求，因此，高架橋、地鐵軌道交通呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。地鐵隧道一般位于城市比較發(fā)達的區(qū)域，新的地鐵隧道不可避免會部分側(cè)穿大型建筑物、構(gòu)筑物。隧道的修建也不可避免地對土有一定的擾動，原有的應(yīng)力平衡將會被打破，因此研究因修建隧道造成附近建（構(gòu)）筑物的沉降具有一定的工程實踐意義。

當(dāng)前，諸多研究[1-5]基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則或Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，采用FLAC3D軟件模擬分析了各種隧道施工引起地表的沉降。文獻[6-8]采用ABAQUS模擬分析了各種隧道施工引起地表的沉降。本文基于彈塑性理論構(gòu)建了盾構(gòu)隧道下穿摩天輪模型，應(yīng)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則并采用有限元軟件ABAQUS模擬盾構(gòu)隧道下穿摩天輪時的沉降，考慮了在不同荷載工況下隧道施工對地表沉降的影響。

1 工程概況

鄭州地鐵4號線工程貨棧街站～航海東路站區(qū)間右線YDK23+530.984～YDK23+575.984（576～606環(huán)）為世紀歡樂園摩天輪樁基礎(chǔ)范圍，其中世紀歡樂園摩天輪樁基距離右線盾構(gòu)區(qū)間最近距離為5.513 m（第591環(huán)），距離左線盾構(gòu)區(qū)間最近距離為3.662 m。

貨棧街站～航海東路站右線區(qū)間側(cè)穿世紀歡樂園摩天輪時采用Ⅰ型管片（共計30環(huán)），盾構(gòu)法施工采用預(yù)制鋼筋混凝土管片進行錯縫拼裝，管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，寬為1.5 m，雙面楔形量為40 mm，管片混凝土標(biāo)號為C50，抗?jié)B等級為P12。

世紀歡樂園摩天輪高為88 m，摩天輪基礎(chǔ)采用了人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁入土深度為10 m，樁徑為1 m，隧道埋深約為11 m，地質(zhì)以細沙層為主。隧道區(qū)間與摩天輪樁基距離較近，右線最近處為5.513 m，左線最近處為3.662 m。世紀歡樂園摩天輪基礎(chǔ)與隧道位置關(guān)系如圖1所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 無摩天輪荷載時沉降分析

采用ABAQUS模擬盾構(gòu)隧道施工下地表的沉降，為節(jié)約計算時間與計算成本，本文采用二維建模進行數(shù)值模擬。由于該盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為黏質(zhì)粉土與細沙，為簡化計算，土的模型不再分層。經(jīng)設(shè)置，土體為大小72 m×26.2 m矩形，隧道直徑為6.2 m，管片外徑為6.2 m且內(nèi)徑為5.5 m。忽略注漿層厚度，并采用軟化模量法[9]模擬隧道開挖（軟化模量法是指在襯砌施工前將開挖區(qū)單元的模量降低來模擬應(yīng)力釋放效應(yīng)，本文將開挖區(qū)單元模量減小40%）。模型中，土與管片的物理性質(zhì)如表1、表2所示。

定義土體下方約XY方向位移，約束土體兩側(cè)Y方向位移;網(wǎng)格單元形狀為四邊形，采用中性軸算法和自由方式劃分網(wǎng)格;單元庫采用Standard，幾何階次為線性，元素為CPE4R（四節(jié)點雙線性平面應(yīng)變四邊形單元，減縮積分，沙漏控制）。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。