系梁施工對既有盾構隧道影響的數值模擬

【中圖分類號】：U455 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-14-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.004

Numerical Simulation of the Influence of Tie Beam Construction on Existing Shield Tunnel

CHEN Yaqi

（CCCC Second Highway Consultants Co.Ltd.，Wuhan 430056，China）

【Abstract】：Inorder tostudytheimpactofconstructionloadsonexistingshieldtunneld，thisstudytakestheconstruction of the tie beamattherailway-related pilelocation in ContractSectionA1of thefirstphase projectof Fuzhou Binhai New City Expressway as acase.The finite element software midas GTS NX was employed for numerical simulation，aiming to analyze the additional stress imposed on the shalow-buried existing shield tunnel and the consequent lining displacement during the tie beam construction process.Based on the simulation results， anassessment was made todetermine whether the tie beam construction scheme complies with relevant specifications，thereby ensuring the safe operation of the existing tunnel.

【Keywords】：tie beam;constructionload;shield tunnel

隨著城市基礎設施建設推進，新建構筑物不可避免與既有結構產生交叉，新建工程施工對既有建筑影響的評估對于既有構筑物安全運營至關重要。關國輕采用簡化的非連續模型數值模擬方法研究既有盾構隧道在樁基施工與承載階段所受的影響。蘇稚寅等2研究上海北橫通道工程V標段 15.5m 超大直徑盾構隧道施工得出，施工過程中既有樁基、地層和盾構穿越表現出顯著的相互作用影響。肖飛分析了盾構隧道下穿施工對既有鐵路的影響，并評估了“門式隔離樁 + 地層注漿”方案的加固效果。

本文以福州市濱海新城高速公路一期工程A1合同段涉鐵樁位置系梁施工為研究背景，使用midasGTSNX有限元軟件，對淺埋既有盾構隧道處地面系梁施工進行數值模擬，計算施工對盾構產生的附加荷載值及在系梁施工時盾構結構及周邊土體的位移變形，評估施工方案對既有隧道運營安全的影響。

1工程概況

濱海新城高速公路一期工程A1合同段起于福州市長樂區鶴上鎮北山村，與鶴上收費站出口匝道形成鶴上北山互通，接規劃福州濱海高速二期終點。高架跨越峽漳線，沿地鐵6號線走廊帶下穿福州繞城高速，終于上余村，順接澤竹互通連接線。路線起止里程K3+079～K6+426 ，全長 3.35km ，全寬 33.5m ，設計車速 80km/h ，雙向6車道，包括H匝道 538.4m，A 匝道289.8m，B 匝道 685.7m 、主線橋 394.7m 、蓮柄港中橋60m 、南洋西河大橋 150m 、1*旱橋 276.4m.2^# 旱橋80m，3^* 旱橋 323m 、4旱橋 336m 。

3^# 旱橋 3^# 系梁底標高在地面以下，系梁施工時樁基尚未承載，系梁自重由地面承載。系梁高 2.5m ，長35.5m ，寬 1.7m ，間距 16m ，涉地鐵位置盾構隧道覆土厚度約 6m 。見圖1-圖2和表1。

2系梁施工隧道對既有盾構隧道影響

采用midasGTSNX有限元軟件建模，計算盾構結構形變及在盾構結構產生的附加荷載標準值。既有盾構隧道埋深約 6m ，盾構隧道襯砌厚度 35cm 。整體3D計算模型尺寸設置為 100m×16m×60m 。見圖3。

1）土體初始應力場只考慮自重應力，不計算溫度和構造應力的影響；

各層土體均為各向同性，計算模型遵循以下假設：

2）盾構隧道襯砌結構為線彈性材料;

3）隧道結構和土體之間符合變形協調原則，

計算模型中土體采用實體單元，本構關系采用摩爾-庫倫屈服準則；盾構襯砌結構采用板單元，理想彈性單元。頂面自由邊界，其他面均采取法向約束。除各單元自重外，考慮系梁施工期間基樁尚未承載系梁自重，將系梁的自重視作 2m 高混凝土堆載，將相應數值的分布荷載加載于系梁布設位置。

2.1附加荷載計算結果

盾構拱頂位置為附加荷載值最大位置。以左線隧道拱頂一維單元結果圖為比對基準線，以初始應力狀態與系梁堆載后拱頂處土體應力之差作為附加應力值。襯砌結構初始應力最大值 160kPa ，最小值為145kPa ；堆載后應力最大值 172kPa ，最小值為152kPa。系梁堆載在盾構結構上產生的附加荷載約12kPa。見圖4。

2.2既有盾構隧道位移計算結果

模型中，通過設定施工階段，將初始應力狀態位移清零，設定好模型初始應力狀態，在施加系梁施工時產生的混凝土堆載面荷載后，可以模擬計算得出系梁堆載導致盾構位移值。模型整體變形最大值出現在地表，為 47mm ，土體變形隨著土層深度變大減小，地表沉降為各土層變形累積值；盾構結構豎向位移最大值為 19.6mm ，隨土體整體下沉，襯砌結構本身并無明顯變形。見圖5和圖6。

3結論及建議

系梁施工在襯砌結構產生的附加荷載值為12kPa，小于CJJ/T202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》要求的 20kPa 控制指標值。

襯砌結構隨著土體整體沉降產生較大的豎向位移，超過了CJJ/T202—2013規定的城市軌道交通結構安全控制預警值 10mm ，接近控制值 20mm 。說明直接進行整段的系梁混凝土澆筑施工作業有可能會造成既有盾構隧道產生較大的豎向位移，影響既有盾構隧道的襯砌結構，危及既有隧道的安全運營。由于加固已投入運營的既有隧道周邊土體可能性較小，但加固系梁周邊土體或分散荷載應該是有效減少土體沉降的方式；通過改變施工方案，盡早使基樁承載系梁荷載是更為簡便和行之有效的處理方案：一方面可以直接采用鋼模板與基樁剛接，使系梁混凝土荷載通過模板傳遞到樁基上；另一方面，可以澆筑系梁混凝土，在系梁下層混凝土終凝后，基樁承載系梁荷載后再施工上層系梁混凝土。

參考文獻：

[1]關國輕.樁基施工與承載對既有盾構隧道非線性變形影響研究[J/OL].施工技術（中英文）：1-9，[2024-11-28].

[2]蘇稚寅，謝家沖，王子怡.淺埋超大直徑盾構近穿既有高架樁基的影響[J].科學技術與工程，2024，24（24）：10439-10448.

[3]肖飛.新建盾構隧道下穿施工對既有鐵路影響分析[J].城市軌道交通，2024，27（12）：201-205.