盾构隧道施工穿越既有线三维数值模拟

盾构隧道施工穿越既有线三维数值模拟

张飞进

（海南省公路勘察设计院　海南海口　570206）

摘　要　针对北京地铁10号线某区间盾构隧道下穿既有车站结构实际工程，利用FLAC-3D软件建立了盾构施工的物理力学模型，模拟了盾构隧道穿越既有线施工过程。通过数值模拟，得到盾构施工对既有结构的影响规律。讨论了地基变形模量、等代层厚度和模量、围岩应力初期释放率、盾构正面土压力等因素对地表沉降和筏板基础沉降的影响，得出穿越结构物时参数的合理取值。通过对计算结果分析，为施工过程的控制、监控量测提供了技术支持。

关键词　盾构隧道　既有线　数值模拟　施工优化

1　引　言

北京地铁10号线某区间隧道利用盾构法施工，下穿既有城铁地面车站。区间隧道高程范围内地层主要为第四纪全新世冲洪积层：粉土层、粉质粘土层、粘土层和粉细砂层。地下水主要为地表浅层滞水和潜水。隧道直径为6 000mm，普通衬砌环结构，环宽1 200mm，由6块预制钢筋混凝土管片错缝拼装构成。隧道上方覆土11．41 m，隧道顶部至车站基底9．215 m。既有结构与拟建地铁10号线区间隧道平面关系如图1所示。

图1　城铁13号线与拟建地铁10号线平面关系图

盾构法施工非常复杂，单纯依靠经验公式和试验研究难以全面准确反映盾构施工的真实状态。数值模拟是研究盾构隧道施工引起地表沉降和结构变形的重要手段。由于盾构法隧道掘进的三维效应，采用三维分析是必要的。

2　数值计算假定

①根据地质勘察报告，将土体简化成5层均质水平层状分布的土层。

②由于城市地铁隧道工程一般都埋深较浅，土体结构相对疏松，因此构造应力可以忽略不计，只考虑自重应力场。

③对于盾构衬砌管片采用C50材料参数，但考虑到接头以及错缝拼装方式的影响，将管片的刚度进行修正，折减系数确定为0．85。

④盾构机切削刀盘的推进力效应以及正面土压力的稳定效应，采用在盾构作业开挖面处施加一定的表面力来进行模拟。

⑤计算中不考虑地下水的渗透作用，采用水土合算的方法，地下水位以下采用饱和容重处理。

⑥对于开挖的时间效应不考虑，即认为土体的变形与时间无关，只与荷载步有关。

⑦土体采用弹塑性材料，材料的塑性屈服准则采用摩尔—库仑屈服准则。

⑧对于注浆以及浆液与土体的作用，采用等代层来模拟，认为受扰动范围的土体和浆液成为一体，在管片衬砌的外面形成一个等代层。

3　盾构施工数值模型

数值模拟根据地质勘察报告和施工现场的实际工程地质、施工图阶段设计文件等建立数值模型。建模时主要考虑的因素有以下几个方面：

（1）工程地质水文条件

根据地质勘察报告，将地层以岩性和地质特点简化划分为5个不同的类别，各土层的物理力学指标依据地质勘察报告选取。土体自上而下为：杂填土，粉质粘土，粉细砂和粉土，五层材料参数的选取根据其厚度加权平均得出。土层分布与性质见表1。

表1　土层分布及其性质

（2）模型范围

根据实际地质情况并参考以往施工经验数据，确定隧道开挖影响范围在距离开挖中心3倍隧道直径范围内，两条隧道轴线相距13 m。从而确定模型范围为：上至地面，下至隧道底部以下3倍洞径，横向取两条隧道中心线两侧各27．5 m，开挖方向取66 m。

（3）荷载

附加荷载：由于既有结构引起的附加荷载施加在结构的筏型基础上面，取为60 kPa，由道床引起的地表附加荷载施加在线路上面，取为10 kPa。

地应力：初始应力场只考虑自重应力场，不考虑构造应力的影响。垂直地应力S_zz和水平地应力S_yy，S_xx按照以下公式考虑：

S_zz＝初始值＋g_x×x＋g_y×y＋g_z×z

S_yy＝S_xx＝0．4S_zz

式中，g_x，g_y，g_z分别为X，Y，Z方向的应力梯度；x，y，z为X，Y，Z方向的坐标。

（4）边界条件

上部地面自由，模型底部固定Z方向的位移，纵向（开挖方向）在边界Y＝0 m和Y＝66 m处固定Y方向的位移。横向在边界X＝0和X＝55 m处固定X方向的位移。

（5）支护模拟

衬砌采用C50混凝土管片，弹性摸量取30 GPa，泊松比取为0．17。注浆产生等代层根据不同的模拟过程而不同，后面给出有关参数。

（6）计算力学模型

FLAC-3D软件提供了12种内嵌的材料本构模型，包括1种零模型、3种弹性模型、8种弹塑性模型。对于本次模拟，开挖部分采用零模型，土体采用莫尔—库仑塑性模型，衬砌和结构的筏板基础采用各向同性弹性模型。

根据以上情况建立计算模型，共划分单元77 660个，节点数总共80 192个。FLAC网格模型如图2所示，隧道与上覆结构基础关系如图3所示。

图2　FLAC网格模型

图3　隧道与上覆结构基础关系

4　数值计算结果与分析

地基变形模量提高与最大沉降的关系如图4所示。从图4可以看出，地基的承载力得到改善，最大沉降量变小。最大沉降量与模量变化并不成正比关系，随着变形模量的提高，最大沉降减少变慢。

围岩应力释放率与最大沉降的关系如图5所示。由图5可以看出，围岩应力释放率越小对控制基础沉降和结构变形越有利。最大变形增大的速率比围岩的应力释放率增大速度要大，较低的应力释放率可以将沉降降低到很小。

图4　最大沉降与地基变形模量的关系

图5　最大沉降与应力释放率的关系

图6　最大沉降与开挖面控制压力的关系

开挖面控制压力与最大沉降关系如图6所示。由图6可以看出，开挖面控制压力的增大能有效减低最终基础沉降，过大的控制土压力就会使前方土体隆起，产生负地层损失。

不同等代层弹性模量和不同等代层厚度对地表变形的影响如图7和图8所示。由图7、图8可知，地表位移与等代层的弹性模量之间不存在单调的递增或递减关系，当等代层的弹性模量很大或很小时，地表位移较小；而当等代层的弹性模量处于中间值时，地表位移却较大。其原因在于等代层弹性模量较大时，等代层本身的变形小，对原地层的支撑作用大，使地表位移减小；当等代层弹性模量较小时，土体的侧向挤压作用使隧道拱底隆起较大，地表位移减小。

图7　不同等代层弹性模量的地表变形

图8　不同等代层厚度的地表变形

上述数值分析探讨了土体变形模量变化、初期围岩荷载释放率、盾构开挖面土压力、等代层的厚度和弹性模量等因素对于结构变形的影响。根据数值分析结果，提出盾构穿越既有结构的优化施工参数和控制措施以满足沉降等控制要求：结构下土体采用注浆加固的方法从地面一直加固到隧道底部3 m，使土体弹性模量提高1倍，加固范围为结构筏型基础范围；盾尾脱出时围岩荷载释放控制在20%以内，盾构正面土压力为0．24 MPa；注浆形成的等代层采用弹性体，等代层厚度取为0．15 m，弹性模量为6．0 MPa，泊松比选为0．3。以此为参数进行模拟计算，结构物下断面最终沉降和结构物基础最终沉降如图9和图10所示，满足结构物安全要求。

图9　最终竖向位移

图10　最终基础沉降

5　结　论

通过对影响地表变形和结构物沉降的各种因素进行数值计算和分析，得到利用盾构法修建隧道施工时进行控制的依据。数值分析结果表明：地基变形模量的提高，能减小地面沉降和施工过程中的差异沉降；围岩应力释放率越小，地面沉降和施工过程中的差异沉降越小；盾构正面土压力越大，会引起前方土体发生隆起，减少最终沉降，但是会增大施工过程中的差异沉降；等代层变形模量越大或者越小，有利于减少沉降，居中时沉降最大。通过采取地基加固措施和盾构施工参数的调整优化，可以使盾构推进过程中对周围地面和结构物的影响达到最小。通过对计算结果分析，为施工过程的控制、监控量测提供技术支持。

参考文献

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