地鐵雙線盾構(gòu)下穿對既有雨水箱涵的影響分析＊

高強(qiáng)，薛曉磊，劉帥兵，張譽(yù)，秦錫

（中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

隨著中國軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道的數(shù)量與規(guī)模日益增長，盾構(gòu)施工不可避免將對土體產(chǎn)生擾動(dòng)，施工中參數(shù)的控制是盾構(gòu)研究的重要內(nèi)容。數(shù)值模擬方法相對于現(xiàn)場試驗(yàn)及模型試驗(yàn)，具有便捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，成為盾構(gòu)施工研究的主要方法。

針對盾構(gòu)雙隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了如下研究。張海鯤等[1]研究了盾構(gòu)施工對既有地下管線的影響，分析了隧道盾構(gòu)施工過程中的管線力學(xué)行為變化；盛艷軍[2]通過對復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)隧道下穿多棟建筑物沉降的監(jiān)測與分析，分析了建筑物沉降的歷時(shí)變化及建筑物沉降規(guī)律；黃林江等[3]對不同工況下基坑周圍建筑物傾斜量變化進(jìn)行模擬仿真分析，總結(jié)了基坑開挖對周圍建筑物的影響；張慶飛等[4]總結(jié)了盾構(gòu)下穿鐵路的不同工況，對盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營鐵路問題提出了若干建議；鐘晟[5]對盾構(gòu)掘進(jìn)施工穿越公路箱涵的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對既有箱涵結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響、橫斷面沉降、縱斷面動(dòng)態(tài)沉降變化規(guī)律；高利宏[6]分析了新建左、右線依次穿越過程中既有雙線隧道沉降變形的規(guī)律，對隧道開挖階段土體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。目前，大多數(shù)研究主要涉及盾構(gòu)下穿管線及公路、鐵路箱涵，對于盾構(gòu)下穿鐵路箱涵施工研究較少。

基于此，以鄭州市軌道交通7 號線盾構(gòu)下穿磚混雨水箱涵為工程背景，利用有限元方法對盾構(gòu)雙隧道下穿磚混雨水箱涵進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了盾構(gòu)掘進(jìn)對雨水箱涵結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的規(guī)律，以期為城市盾構(gòu)下穿雨水箱涵等風(fēng)險(xiǎn)源提供可靠的參考依據(jù)和工程實(shí)例。

1 工程概況

鄭州市軌道交通7 號線一期工程北起惠濟(jì)區(qū)東趙北，南止于二七區(qū)南部大學(xué)路與規(guī)劃豫一路路口，工程全長約26.81 km，均為地下線。采用盾構(gòu)法施工，隧道橫斷面為圓形，選用鋼筋混凝土管片襯砌，混凝土等級為C50，每環(huán)管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，厚度為0.35 m，長度為1.5 m。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場區(qū)地層自上而下分布情況為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土。磚混雨水箱涵與區(qū)間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 磚混雨水箱涵與區(qū)間位置關(guān)系圖

區(qū)間隧道在里程左DK15+712.821（右DK15+725.638）處下穿雨水箱涵（1 000 mm×1 000 mm），管線與隧道最小垂直凈距12.63 m，施工場地平面圖如圖2 所示。其中左側(cè)線路為直線，該區(qū)段隧道最小埋深為14.782 m，線路縱坡26.4‰；右側(cè)線路為弧線，線路曲率半徑為450 m，線路縱坡26.0‰，最小覆土深度為14.93 m，左右線路水平凈距為33.68 m。

圖2 鄭州市軌道交通7 號線一期工程施工場地平面圖

2 有限元模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

為預(yù)測下穿施工過程中既有結(jié)構(gòu)及地表的變形規(guī)律和量值，尋找和發(fā)現(xiàn)施工變形的關(guān)鍵控制工況，并為下穿施工過程既有結(jié)構(gòu)及地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論基礎(chǔ)，研究中采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。建立三維地質(zhì)力學(xué)模型，對下穿施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型邊界處的應(yīng)力不應(yīng)受到隧道開挖的影響，建議垂直邊界距隧道中心線的距離應(yīng)大于（4～5）D，底部邊界到隧道中心線的距離應(yīng)大于（2～3）D，其中D為隧道直徑。

根據(jù)實(shí)際工程情況可知，模型尺寸如下：長度取100 m，寬度取100 m，高度取40 m。計(jì)算模型中隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，土體采用實(shí)體單元模擬。具體模型如圖3 所示。除地表設(shè)置為自由面外，其他各垂直邊界設(shè)置法向位移約束，底部邊界設(shè)置完全約束。地層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，砌體人防采用砌體本構(gòu)模型，隧道管片采用彈性本構(gòu)模型。

圖3 有限元模型示意圖

砌體模型是一種線性彈塑性模型，旨在模擬無筋砌體結(jié)構(gòu)的宏觀各向異性響應(yīng)。在該模型中，庫倫準(zhǔn)則用于模擬預(yù)定義方向上的破壞，而整體摩爾-庫倫準(zhǔn)則用于表示砌塊的破壞，其本構(gòu)關(guān)系考慮了介質(zhì)的方向特性和庫倫破壞準(zhǔn)則適用的3 個(gè)最大破壞面的方向。事實(shí)上原始節(jié)理巖石模型已經(jīng)解釋了砌體力學(xué)行為的關(guān)鍵特征之一，即屈服時(shí)的各向異性。然而，由于砌塊與砂漿之間的“自鎖效應(yīng)”，它并沒有考慮到載荷下磚砌體的強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)（即當(dāng)砌塊水平放置時(shí)，沿頭部接縫的拉伸和剪切強(qiáng)度因受到底部接縫增加的垂直應(yīng)力狀態(tài)的貢獻(xiàn)而增強(qiáng)）。PLAXⅠS 3D 砌體本構(gòu)模型通過砌塊的尺寸比來定義強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)SFbeta，從而模擬磚砌體隨深度增加而增加的拉伸和剪切強(qiáng)度。

式中：φ2為水平方向上內(nèi)摩擦角的數(shù)值；b為磚塊寬度的數(shù)值；a為磚塊高度的數(shù)值。

2.2 計(jì)算參數(shù)

因盾構(gòu)隧道施工采用管片作為襯砌，環(huán)內(nèi)、環(huán)間螺栓的存在降低了管片結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度與剛度，因此，在原C50 管片結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)0.85 進(jìn)行折減。各土層及管片的物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2、表3 所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 板單元物理力學(xué)參數(shù)

表3 砌體人防物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

圖4、圖5 為地鐵7 號線盾構(gòu)隧道右線、左線開挖完成后的地層沉降三維云圖。圖6 為既有磚混雨水箱涵地表面A—A'截面（圖3）沉降曲線?？梢钥闯觯河揖€隧道斜穿開挖完成后，在磚混雨水箱涵與右線曲線隧道交界處地表有最大沉降，最大沉降值為3.35 mm；在雨水箱涵右側(cè)末端地表伴隨著輕微隆起，最大隆起值達(dá)0.16 mm；隨著左線隧道開挖完成，磚混雨水箱涵與右線隧道交界處地表面最大地表沉降值為3.41 mm，較右線開挖完成時(shí)增加了1.79%，右側(cè)隆起值繼續(xù)增長，最大隆起值達(dá)0.76 mm，較右線開挖完成時(shí)增加了375%。

圖4 右線開挖完成后地表沉降三維云圖

圖5 左線開挖完成后地表沉降三維云圖

圖6 雨水箱涵地表面A—A′截面沉降曲線

3.2 地表水平位移

圖7 為地鐵7 號線盾構(gòu)隧道右線、左線相繼開挖完成后地層水平位移云圖。圖8 為既有磚混雨水箱涵地表面A—A'截面（圖3）水平位移曲線。可以看出：右線隧道斜穿開挖完成后，在隧道軸線兩側(cè)地表水平位移方向相反，左側(cè)地表水平位移最大值為0.96 mm，右側(cè)較遠(yuǎn)處水平位移最大值達(dá)1.21 mm；隨著左線隧道開挖完成，右線隧道左側(cè)水平位移最大值為1.15 mm，較右線開挖完成時(shí)增加了17.8%，此時(shí)在右線隧道曲線內(nèi)側(cè)（右側(cè)）地表水平位移方向相同，最大水平位移出現(xiàn)在雙隧道軸線之間，最大水平位移值為1.09 mm，較右線開挖完成時(shí)減小了9.92%。

圖7 地層水平位移云圖

圖8 雨水箱涵地表面A—A′截面水平位移曲線

3.3 雨水箱涵位移

圖9 為雙隧道施工完成后既有磚混雨水箱涵豎向位移云圖?？梢钥闯觯合浜冃乌厔菖cA—A'截面地表變形趨勢相同，最大豎向位移位于右線軸線上方，最大位移值達(dá)3.51 mm，最大隆起值達(dá)0.83 mm。

圖9 雨水箱涵豎向位移云圖

圖10為雙隧道施工完成后既有磚混雨水箱涵水平位移云圖。箱涵水平位移在2 條隧道軸線上方位移方向相反，在右線隧道左側(cè)最大水平位移值為0.96 mm，右側(cè)水平位移最大值位于雙隧道軸線之間，并偏向右線隧道曲線內(nèi)側(cè)，最大水平位移值達(dá)0.87 mm。

圖10 雨水箱涵水平位移云圖

圖11 為雙隧道開挖完成后既有磚混雨水箱涵軸向應(yīng)變云圖。與變形云圖相似，在右線隧道軸線上方雨水箱涵交界處箱涵應(yīng)變最大值達(dá)0.14×10-3。

圖11 雨水箱涵軸向應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

通過三維有限元對鄭州市軌道交通7 號線盾構(gòu)雙隧道下穿既有雨水箱涵進(jìn)行分析，研究盾構(gòu)隧道相繼開挖對既有雨水箱涵的影響，結(jié)合前人的研究成果，得到以下結(jié)論：①盾構(gòu)隧道施工使地表產(chǎn)生不均勻沉降，第一條隧道軸線地表有較大位移，第二條隧道施工使得地表沉降略微增大。在首條隧道軸線與既有箱涵交界處地表沉降值最大，在箱涵另一側(cè)末端地表會輕微隆起。②地表水平位移在隧道軸線兩側(cè)方向相反，最大水平位移發(fā)生在首條隧道左側(cè)；雙隧道開挖完成后最大水平位移位于雙隧道軸線之間，且偏向首條隧道。③雨水箱涵位移變化規(guī)律與其上地表土體位移規(guī)律相似，在首條隧道與箱涵交界處沉降值最大；第二條隧道開挖會使得箱涵整體位移值增大，但幅值較小。