盾構(gòu)下穿道路和鐵路的數(shù)值模擬對比分析

王國棟

0 引言

隨著盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的不斷完善，盾構(gòu)法施工得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，由于開挖面支護(hù)壓力、注漿壓力、注漿量、建筑空隙等施工參數(shù)和地質(zhì)條件的限制，盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免的會對周圍體層產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生地面沉降［1-4］。數(shù)值計算是分析和處理巖土工程問題的一種重要方法，目前常用的計算軟件有ABAQUS，ANSYS，F(xiàn)LAC，COMSOL等等，其中，ABAQUS以其強(qiáng)大的非線性處理能力和自動調(diào)節(jié)收斂限度的功能，在基坑開挖、隧道施工等問題的模擬中得到廣泛應(yīng)用［5，6］，但是用數(shù)值模擬的方法對盾構(gòu)下穿鐵路時造成的鐵路地基沉降規(guī)律研究還不是很多，也鮮有文章對盾構(gòu)穿越不同環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬的詳細(xì)分析對比［7］，因此有必要對此領(lǐng)域開展研究，以探求盾構(gòu)在穿越道路以及鐵路的地表變形規(guī)律和差異。

1 工程概況

天津市津濱輕軌西段地下線工程，西起天津站，東接已建成并投入運(yùn)營的河?xùn)|區(qū)中山門站。天津站～七經(jīng)路站盾構(gòu)施工區(qū)間段，從天津站開始，至七經(jīng)路站結(jié)束。工程采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，管片外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，厚350mm，長1200mm，每環(huán)由6塊組成，錯縫拼裝。主要土層自上而下依次為①填土、③3黃色粉質(zhì)粘土、④5黃灰色粉土、⑤1灰色粉質(zhì)粘土、⑦5黃色粉砂、⑧2灰褐色粉質(zhì)粘土、⑩粘土。該區(qū)間段沿線兩側(cè)建筑物較多，地下管線復(fù)雜，地面交通比較繁忙，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中須穿越天津站全部23條鐵路股道，是西段工程五個區(qū)間段中最困難的施工段之一。

2 數(shù)值模擬

2.1 建模及參數(shù)

如圖1所示，模型寬100 m、高50 m，道路段隧道中心埋深14 m、鐵路段隧道中心埋深22 m，兩盾構(gòu)中心水平間距13 m。

圖1 計算模型

土體本構(gòu)采用DP模型，道砟層、管片、注漿材料采用線彈性材料。隧道開挖的應(yīng)力釋放率取為80%［9］。采用齊次邊界條件，約束底部豎向位移和左右兩側(cè)邊界的水平位移。鐵路荷載轉(zhuǎn)換為靜荷載計算［8］，考慮到鐵路股道間距，轉(zhuǎn)化為二維問題為100 kN/m。推進(jìn)參數(shù)按實際工況取值。各材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

1)盾構(gòu)穿越道路結(jié)果。

圖2為不同施工步驟下的地表沉降，STEP1平衡地應(yīng)力;STEP2右線應(yīng)力釋放;STEP3右線開挖、拼裝管片、注漿;STEP4左線應(yīng)力釋放;STEP5左線開挖、拼裝管片、注漿。從沉降數(shù)據(jù)可以看出，總沉降量為31.3mm，由于先施工的右線隧道注漿壓力和注漿量與后施工的左線不同，造成了沉降槽最低點向右偏移(5.2 m處)。從STEP2與STEP3的對比可以看出，地表沉降主要由應(yīng)力釋放引起，而開挖、拼裝管片、注漿步驟引起的沉降所占比例很小。右線施工對總沉降的貢獻(xiàn)率較大，占總沉降的88.5%，這一方面與盾構(gòu)施工參數(shù)有關(guān)，因為右線施工在前，施工參數(shù)的調(diào)整尚處于摸索階段，導(dǎo)致了較大的地表沉降;另一方面，左線盾構(gòu)施工時，同一斷面處的右線盾構(gòu)隧道開挖、注漿等步驟已經(jīng)完成，右線隧道周圍土體得到一定程度的加固，所以左線隧道開挖導(dǎo)致的沉降較小。

圖2 不同施工步驟下地表沉降（一）

2)盾構(gòu)穿越鐵路結(jié)果。

圖3為不同施工步驟下的地表沉降，各步驟含義與圖2相同，不再贅述。從沉降數(shù)據(jù)可以看出，總沉降量為19.7mm，曲線變化規(guī)律也與圖2相似，但最大沉降點的偏心量(3.1 m)沒有圖2明顯。從STEP2與STEP3的對比也可以看出，地表沉降主要由應(yīng)力釋放引起，而開挖、拼裝管片、注漿步驟引起的沉降所占比例很小。右線施工對總沉降的貢獻(xiàn)率較大，占總沉降的76.1%，但是其貢獻(xiàn)率要小于盾構(gòu)在道路下施工的情況。

圖3 不同施工步驟下地表沉降（二）

3 與監(jiān)測結(jié)果的對比

為配合盾構(gòu)在建(構(gòu))筑物下推進(jìn)施工，掌握盾構(gòu)在關(guān)鍵施工部位對土體及周圍環(huán)境影響，以便迅速調(diào)整，優(yōu)化施工方法，對整個區(qū)間段實施了地表沉降全程監(jiān)測。選取有代表性的監(jiān)測斷面與數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行比較。

1)盾構(gòu)穿越道路結(jié)果。

圖4是右線盾構(gòu)通過道路時地表沉降數(shù)值計算與監(jiān)測值的對比，由圖4可以看出，數(shù)值解與監(jiān)測結(jié)果比較吻合。但是在與盾構(gòu)中心水平距離較遠(yuǎn)處，數(shù)值解的沉降量小于實測值。這與地表堆載，建筑物的影響有關(guān)。左線盾構(gòu)在通過道路時地表監(jiān)測點與右線的地表監(jiān)測點不同，故沒有考慮左右線的疊加效應(yīng)(即總沉降)。

圖4 右線施工引起的地表沉降與監(jiān)測對比

圖5 兩線盾構(gòu)施工引起的地表總沉降與監(jiān)測對比

2)盾構(gòu)穿越鐵路結(jié)果。

圖5是左右線盾構(gòu)都通過鐵路時地表沉降數(shù)值計算與監(jiān)測值的對比，由圖5可以看出，數(shù)值解與監(jiān)測結(jié)果基本吻合，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)在最大沉降點的偏心方面規(guī)律性不明顯;距離盾構(gòu)中心較遠(yuǎn)處的數(shù)值解與監(jiān)測值有一定的差異。

4 結(jié)語

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，盾構(gòu)在道路和鐵路下方推進(jìn)時引起的沉降分別在30mm和20mm左右，與監(jiān)測值較為吻合。沉降量的差異與盾構(gòu)埋深、施工參數(shù)、土體參數(shù)及地表荷載等有關(guān)。沉降量過大對車輛尤其是列車的安全運(yùn)營不利，可以采取土體加固、增加注漿量和及時補(bǔ)漿等措施加以改進(jìn)。

2)右線隧道施工對地表沉降的影響遠(yuǎn)大于左線，在盾構(gòu)過道路段，右線盾構(gòu)對地表沉降的貢獻(xiàn)達(dá)88.5%;在盾構(gòu)過鐵路段，右線盾構(gòu)對地表沉降的貢獻(xiàn)為76.1%，說明右線盾構(gòu)先期施工時對周圍土體注漿產(chǎn)生的加固作用顯著，另外右線盾構(gòu)施工對道路和鐵路沉降的貢獻(xiàn)率不同反映了盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)及列車荷載等周圍環(huán)境的差異。

3)盾構(gòu)過道路段，地表最大沉降點偏心量為5.2 m，與監(jiān)測值較為符合;盾構(gòu)過鐵路路段，地表最大沉降點偏心量為3.1 m，與監(jiān)測值相比有一定差異，與實際推進(jìn)過程中參數(shù)的不斷調(diào)整變化有關(guān)。

4)二維模擬也存在一定的局限性，對于盾構(gòu)推進(jìn)的土艙壓力等參數(shù)及兩盾構(gòu)開挖面之間的縱向間距不能進(jìn)行很好的模擬，因此，有必要建立三維的計算模型，對該類工程進(jìn)行更加深入的分析和研究。

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