地鐵盾構近距離下穿城市下立交的環境影響分析

陳連偉 CHEN Lian-wei

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

0 引言

隨著城市地鐵建設的飛速發展，各大中型城市的交通壓力得到有效緩解，由于地鐵建設大多集中于城市中心和人口、商業集中區域[1]，隧道施工不可避免地需要穿越建構筑物、管線、下立交、高架橋等建筑（構）筑物，由于盾構法對周邊環境影響小、施工快速、自動化程度高，特別是對于地質條件復雜、周邊建構筑物密集的工程，盾構法具有很高的優越性，因此，研究地鐵隧道施工對城市立交的影響具有重要意義。國內外很多學者都做過深入的研究，張守領等[2]依托合肥地鐵盾構下穿五里墩立交工程項目，結合有限差分軟件計算，分析總結了施工過程中地表變形及樁基變形規律；王立新[3]對盾構穿越樁基群進行數值模擬，驗證了盾構在砂卵石地層中超近距離穿越大型立交樁基群設計方案的可行性，并提出了相應的施工措施；李權[4]等通過現場監測和數據處理，分析了盾構施工引起的周邊地表沉降規律；李攀等[5]通過有限元模擬盾構穿越下立交下長距離推進過程，分析研究了施工過程中周圍環境的變化規律；陳宇等[6]利用FLAC3D 軟件，對盾構穿越下立交的過程進行了流固耦合數值模擬，分析了盾構施工地表沉降及超孔隙水壓力的特征、量值與范圍，并與監測結果進行對比，以得到能夠反映施工技術水平的模擬施工參數。

本文以無錫地鐵3 號線盾構近距離穿越通江立交隧道為依托，采用Midas GTS NX 軟件對盾構施工過程進行數值模擬，得到盾構施工過程中通江立交隧道的變形規律。

1 工程概況

無錫地鐵3 號線無錫火車站～廣瑞站區間線路在出無錫火車站站后，于YDK23+690～YDK23+735（ZDK23+680～ZDK23+725）處下穿通江大道下立交隧道。區間線間距為13～17.5m。線路自無錫火車站以右線19‰及11‰坡度下降，之后以右線14.618‰坡度上坡至廣瑞站。區間線路隧頂埋深約為9.7～14.2m。

盾構隧道采用土壓平衡盾構進行施工，隧道外徑為6.2m，隧道內徑為5.5m，管片厚度為0.35m；標準襯砌環環寬為1.2m，管片采用強度為C50、抗滲等級為P10 的混凝土。

通江立交隧道在盾構隧道穿越段頂、底板厚度為1.2m，側墻以及中隔墻厚度為0.8m，遠離穿越區域的頂、底板厚度降為0.8m。通江大道下立交隧道設計時已為地鐵預留穿越條件，下立交底板下設有樁基礎，樁基為直徑800mm 的鉆孔灌注樁，樁長20m，左線盾構與下立交隧道結構底板凈距為1.026m，右線隧道與下立交隧道底板凈距月1.132m。通江大道下立交與盾構隧道相對位置關系見圖1，穿越段通江立交現場情況見圖2。

圖1 通江立交隧道與盾構隧道剖面關系圖

圖2 盾構穿越段通江立交現場圖

2 工程地質概況

隧道埋深范圍內，地層從上至下依次為①1雜填土、③1黏土、③2粉質黏土、④1-1粉質黏土、④2粉砂夾粉土以及⑥1黏土，其中④2粉砂夾粉土為微承壓含水層。本盾構區間內各土層縱橫向分布穩定，土質均勻，本工程場地地形平坦，無不利地形地貌存在。盾構隧道穿越通江立交的主要土層為④1-1粉質粘土、④2粉砂夾粉土、⑥1粘土層。

3 盾構區間下穿城市立交數值模擬分析

Midas/GTS 的施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加了本施工階段的分析結果。由于土體材料的特殊性，土體的應力應變關系復雜，通常具有極強的非線性，因此合理確定地層的初始應力場和材料的本構參數極為關鍵。

本次計算基本假定包括：①初始應力只考慮地層的自重作用，不計構造應力的影響；②通江立交板、墻以及隧道管片均為均質彈性材料，采用板單元進行模擬，不考慮非線性；樁基采用樁單元進行模擬，不考慮其非線性；③巖土體本構模型采用修正Mohr－Coulomb 彈塑性本構模型，簡化地表和各層土，使其呈均勻的水平層狀分布；④盾構管片作為整體進行分析，不考慮管片之間的螺栓連接。

3.1 有限元模型建立

采用Midas GTS NX 軟件建立有限元模型，土體采用實體單元進行模擬，本構關系采用修正Mohr－Coulomb 彈塑性本構模型，通過采用三軸實驗強度達到50%位置的割線剛度E50ref、主固結儀加載中的切線剛度Eoedref以及卸載/重新加載剛度Eurref來刻畫土體在不同階段的剛度。一般有Eoedref=E50ref；Eurref=3E50ref，其他參數除破壞比Rf（取0.9）、參考壓力Pref（取100kN/m2）、應力相關冪指數m（0.5＜m＜1，砂土、粉土取0.5，黏性土取1）外，均可參照地勘資料選取。土體物理力學參數見表1。

表1 地層物理力學參數

通江立交板、墻、盾構機盾殼以及地鐵隧道管片采用板單元模擬，注漿層采用實體單元模擬，樁基采用樁單元進行模擬，通江立交隧道、盾殼、盾構管片、注漿層[7]等參數見表2，結合現場施工參數，土倉壓力取0.18MPa，注漿壓力取0.3MPa，注漿量為4m3/環，車輛荷載取為城-A 級。

表2 結構材料物理力學參數

整個模型尺寸為177×120×83m，模型四周土體邊界采用法向位移約束，底部全固定約束，整個模型見圖3，盾構隧道與通江大道下立交隧道相對位置關系圖見圖4。

圖3 盾構穿越通江立交有限元模型整體示意圖

圖4 盾構穿越通江立交有限元模型整體示意圖

3.2 盾構下穿通江立交施工步序模擬

初始階段激活地層、模型邊界和自重，獲得地層的初始應力場并清零。之后一次性激活通江立交隧道結構，鈍化相應土體，并添加車輛荷載，獲得盾構隧道施工前的應力場，同時進行位移清零。計算通過生死單元來模擬盾構施工的應力釋放過程，計算工況根據定義的施工步序進行單元的激活與鈍化，每6m 為一個施工步序，盾構掘進施工的步序模擬見圖5[7]。

圖5 盾構施工過程示意圖

3.3 計算結果分析

盾構雙線貫通后，模型整體豎向位移云圖見圖6。

圖6 盾構雙線貫通后模型整體豎向位移云圖

3.3.1 盾構隧道施工引起的地表沉降分析

選取通江立交附近垂直于盾構方向的地表測點，分析盾構施工過程中通江立交隧道范圍外的地表沉降情況，地表沉降見圖7。

圖7 垂直于盾構方向的地表沉降曲線

從圖7 可知，在非通江大道下立交隧道區域，地表沉降槽曲線較符合高斯曲線特征[7]，左線盾構施工貫通后，地表沉降槽曲線呈現單峰特性，沉降最大值位于隧道中心線上方，最大沉降為-7.43mm；當右線盾構貫通后，沉降槽曲線呈現雙峰特性，左線沉降進一步增大至-7.46mm，右線隧道上方地表最大沉降為-6.82mm。

3.3.2 盾構隧道施工引起的通江立交隧道結構沉降分析

選取通江立交隧道結構北側跨中位置為監測點，分析研究盾構隧道施工引起的通江立交頂板、底板沉降情況，由于通江立交頂板北側邊界位于左線盾構中心線，選取左線盾構中心線為參照，各測點距離左線盾構中心線的距離作為橫坐標，頂板跨中各測點沉降見圖8；選取左右線盾構隧道對稱軸作為參照，各測點距離對稱軸的距離作為橫坐標，底板跨中各測點沉降見圖9。

圖8 通江立交頂板沉降曲線

圖9 通江立交底板沉降曲線

從圖8 和圖9 可知，左線盾構施工完成后，通江立交結構在左線正上方產生一定沉降，左線貫通后，通江立交隧道結構最大沉降為-1.98mm，右線盾構施工時，左線上方的通江立交隧道結構沉降進一步增大，右線上方通江立交隧道結構沉降急劇增大，通江立交隧道結構沉降分布在左右線盾構隧道中心線之間范圍，江立交結構最大沉降為-2.44mm。盾構施工過程中，隧道頂板最大差異沉降為-0.213mm，最大差異沉降率為0.011%；隧道底板最大差異沉降為-0.256mm，最大差異沉降率為0.016%。

從計算結果可知，盾構施工引起的通江立交隧道結構沉降及差異沉降率均滿足設計監測限值要求，在可控范圍內。根據計算中主要參數選取，同時考慮到施工期間不可預估因素的影響，對施工現場提出如下措施：①穿越時應使盾構均衡勻速施工，同時盡量少做糾偏動作，即使做糾偏動作，幅度也不宜過大，必要時進行注漿保護，以減少盾構對地面建筑物的影響。同時加強監測、信息化施工、施工參數動態管理。②為保證通江立交的后期沉降盡快達到穩定，增強注漿效果，穿越段管片采用增設注漿孔的特殊襯砌環，并考慮在盾構穿越后在隧道內采取二次注漿，加固因開挖而松動的土層，防止松動現象向上擴展，進而控制地面沉降，同步注漿建議≥4m3/環，二次注漿建議≥1.2m3/環；本段管片配筋考慮通江立交影響提高兩個等級配置。③掘進時嚴格控制地層損失率不大于3‰，加強對下立交的監測，根據監測結果及時調整優化施工參數。

4 通江立交隧道現場沉降監測與數值模擬結果對比

無錫火車站～廣瑞站盾構區間穿越通江立交隧道結構時，結合現場測點布置的可實施性以及現場監測便利情況，將地面（頂板）監測點布置在結構跨中位置，將底板監測點布置在中隔墻位置，現場監測點布置見圖10。

從圖11 和圖12 可以看出，在整個盾構施工過程中，通江立交頂板最大沉降為-2.14mm，底板最大沉降為-2.29mm，數值模擬結果與監測結果規律基本吻合，頂板計算值與監測值最大差值為0.57mm，底板計算值與監測值最大差值為-0.39mm，存在差異原因主要由于施工參數調整變化、施工誤差以及額外的地層損失導致的，因此，可以認為監測結果與數值模擬結果具有較好的一致性。

圖11 通江立交頂板監測值與計算值對比

圖12 通江立交底板監測值與計算值對比

5 結論

本文以無錫地鐵3 號線無錫火車站～廣瑞站盾構區間穿越通江大道下立交為背景，利用Midas GTS NX 有限元軟件，對盾構穿越通江立交的風險進行模擬分析，通過數值計算，提出相應的施工措施，并將現場監測結果與模擬結果進行對比，得出以下結論：

①數值模擬可以較好地反映出盾構施工過程中，地表及周邊建（構）筑物的變形規律，以驗證現階段設計方案的可行性。通過數值模擬結果可知，地表最大沉降為-7.46mm；通江大道下立交隧道結構最大沉降為-2.44mm，最大差異沉降為-0.256mm，最大差異沉降率為0.016%，均滿足設計的監測限值要求。②以數值模擬計算得出的規律和結果為依據，對施工現場提出具有針對性的措施及要求。通過現場實際監測值與數值模擬計算結果進行對比可知，現場實際監測值與數值模擬計算結果的誤差在可控范圍內，數值模擬可以較好地模擬盾構穿越通江立交隧道施工過程，為工程提供參考依據。