盾構區間下穿既有結構施工過程模擬

何 福 渤

(天津港航工程有限公司，天津 300457)

盾構區間下穿既有結構施工過程模擬

何 福 渤

(天津港航工程有限公司，天津 300457)

以某新建地鐵盾構區間下穿既有地鐵明挖區間結構施工為例，為研究盾構施工對既有區間的影響，建立三維有限元模型進行了模擬計算，模擬計算中考慮了施工中的開挖、施加掌子面及施作管片過程，計算結果表明盾構施工不會影響既有地鐵區間結構的正常使用及運營。

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隨著我國城市建設的迅速發展，城市地下空間開發利用率越來越高，規模越來越大，地鐵網絡也在不斷的延伸和完善。地鐵區間施工中的盾構法具有振動小、噪聲低、施工速度快、安全可靠等優點，是在軟土地區進行區間隧道施工的常見工法，在其不斷普及和高速發展的同時，也面臨著更大的風險與挑戰。隨著地鐵網絡的不斷加密，目前新建區間隧道近距離穿越既有建筑物、地鐵車站或區間的現象越來越普遍。因此，進行盾構施工過程模擬計算，預測新建盾構隧道施工對既有結構的正常使用產生的影響，已經成為了一個地鐵工程界的重點研究課題[1-5]。

本文對某地鐵盾構區間下穿既有明挖區間隧道結構進行了模擬計算，以期預測盾構施工對既有結構的影響，保證工程質量以及減小對周邊結構、環境的影響。

1 工程概況

1)新建盾構區間。此段區間采用盾構法施工，左右線路中線間距約19 m，拱頂覆土厚度約28.60 m，距既有明挖區間箱體約16.10 m，距既有圍護結構底約6.10 m。主體結構為由管片錯縫拼裝而成的環形結構，結構內徑為5.50 m，管片厚度為0.35 m，環寬1.20 m，環間通過螺栓連接。下穿段主要位于粉砂、粉土層，屬微承壓水層，最大水頭約為33.2 m。

2)既有明挖區間。既有地鐵線目前正常運營，B型車，整體道床，正線采用60 kg/m鋼軌，采用明挖法施工，為兩跨箱形結構，中間設中隔墻。箱體采用C30防水鋼筋混凝土，寬9.70 m，高5.40 m，頂板厚550 mm，底板厚650 mm，側墻厚550 mm，中隔墻厚400 mm。下穿段既有箱體覆土厚度為6.88 m；圍護結構采用鉆孔灌注樁(φ800@1 000)+攪拌樁止水帷幕(φ800@600)。

3)下穿段新舊區間位置關系。下穿段范圍內新線長度約50 m，既有線長度約55 m，下穿段距既有結構最近變形縫為29.8 m，距區間風道約44 m。二者結構凈距約16.10 m，距既有圍護結構底約6.10 m。具體位置關系見圖1，圖2。

2 建立三維計算模型

目前適用于地下結構工程計算的軟件很多，如ANSYS，ABAQUS，FLAC3D，GTS等等。本文中選取了GTS有限元計算軟件，該軟件建模操作簡便快捷，支持彈性、彈塑性等多種巖土本構模型，并且具有支持施工階段計算的模塊，可以方便的進行施工階段模擬，得到位移、應變等參數隨施工階段變化的曲線。

2.1 計算模型及參數

根據以往工程經驗，盾構隧道開挖施工的影響范圍為3倍隧道直徑范圍以內。因此確定計算模型選取范圍為上至地面，下至盾構隧道底部以下3倍隧道直徑，盾構隧道左右兩側各取3倍隧道直徑，盾構前進方向取60 m。盾構區間雙線中心線間距19.11 m，大于3倍的隧道直徑，可以忽略雙線隧道施工之間的相互影響，僅研究單線隧道施工時對既有結構的影響。

計算模型共劃分了15 371個節點和79 822個單元，見圖3。

其中土體采用摩爾庫侖理想彈塑性本構模型，實體單元(見圖4)。從上至下土體劃分為6層，其計算參數如表1所示。

表1 各土層計算參數表

土層厚度/m彈性模量/MPa容重/kN·m-3泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/(°)土層①21019．30．314．1926．26土層②61590．317．0318．49土層③8．71219．40．311．1330．8土層④9．11420．60．316．4624．55土層⑤16．44020．30．310．2133．79土層⑥7．85020．20．321．6921．63

既有區間結構采用線彈性本構模型、實體單元。其彈性模量為3×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。既有區間結構單元及圍護單元劃分見圖5，圖6，盾構襯砌板單元見圖7。

鉆孔灌注樁及止水帷幕采用線彈性本構模型、實體單元。其彈性模量為2.55×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。

盾構管片采用線彈性本構模型、板單元模擬。盾構管片材料為C50混凝土，考慮其采用拼裝方式施工，對其剛度進行一定的折減，取彈性模量為3×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。

2.2 荷載

在實際施工過程中存在的外界荷載有：土體、盾構襯砌及既有結構的重力荷載，既有區間結構中的地鐵列車荷載，盾構區間開挖過程中掌子面壓力，盾構機的重力荷載。

在本次模擬計算中，考慮了土體、盾構襯砌及既有結構的重力荷載，盾構區間開挖過程中掌子面壓力，未考慮既有區間結構中的地鐵列車荷載和盾構機的重力荷載。

2.3 邊界條件

計算模型中的6個邊界面，除地面為自由邊界條件外，其他5個邊界面均施加法向位移約束。

3 模擬計算

3.1 施工過程

1)沿全盾構區間斷面開挖，采用鈍化相應的土體單元模擬開挖過程(見圖8)。2)開挖后施作盾構襯砌管片，采用激活相應的襯砌單元模擬施作管片(見圖9)。3)開挖土體的同時，施加掌子面壓力，為0.3 MPa(見圖10)。4)每個施工步驟為沿線路方向開挖1.2 m，模擬拼裝一環管片，整個計算過程，劃分為50個施工步驟。

3.2 計算分析

經過模擬計算，單線區間完成后，既有線路豎向位移云圖如圖11所示。既有結構沉降最大值約為6.4 mm，最小值約為3.1 mm，不均勻沉降差值最大約為3.3 mm。

圖12為位于既有結構與盾構區間相交叉處的點的豎向位移隨施工步驟的變化曲線。可看出既有結構隨著盾構區間的施工，其沉降值逐漸增大，最終趨于穩定。

根據相關結構規范、運營線路維修規則及相關工程實例等[6,7]，下穿既有結構的施工控制標準如下：引起既有地鐵結構絕對沉降量和水平位移不大于20 mm，車站變形的曲率半徑不大于1 500 m，相對彎曲不大于1/2 500。模擬計算表明，盾構區間施工對既有區間結構的影響滿足控制標準的要求。

4 總結及展望

1)通過對盾構下穿施工的模擬計算，可知下穿工程對既有結構的影響是在安全范圍內的，不會造成結構的破壞或影響正常使用。2)在得到實際施工過程的相關監測數據后，應與本次模擬計算進行對比，調整相關的計算參數，使實測與計算結果相吻合，尋找其擬合規律，為今后提高模擬計算精度打下基礎。3)在盾構機實際掘進過程中，由于盾構機外殼與土體、管片與土體存在間隙，以及注漿的不及時和漿液自身的收縮，均會導致土體產生地層損失，引起地層產生沉降。另外，盾構機對掌子面的預壓力和土層的水土壓力不一致，盾構機的低頭和抬頭，以及施工過程中對地層的擾動等亦會引起地層的沉降或隆起。本文模擬計算中未考慮上述因素的影響，在今后的設計科研工作中，應加強這方面研究，以更好的模擬預測施工對既有結構的影響，保證工程質量。

[1] 張成平，張頂立，吳介普，等.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制[J].中國鐵道科學，2009，30(1)：69-73．

[2] 徐干成，李成學，王后裕，等.地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J]．巖土力學，2009，30(S2)：269-276．

[3] 方 勇，何 川．盾構法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J]．鐵道學報，2007，29(2)：83-88．

[4] 范國文，王先堂．暗挖雙連拱隧道穿越淺基礎高層樓群區施工技術[J]．鐵道工程學報，2003(3)：109-116．

[5] 楊毅秋，張繼清．大直徑盾構下穿既有地鐵車站的施工模擬[J]．鐵道標準設計，2011(2)：90-93．

[6] 李永敬．地鐵施工下穿建筑物沉降控制標準研究[J]．鐵道標準設計，2006(2)：91-92．

[7] 姚宣德，王夢恕．地鐵淺埋暗挖法施工引起的地表沉降控制標準的統計分析[J]．巖石力學與工程學報，2006，25(10)：2030-2035．

Simulation of metro shield zone construction passing through existing structures

He Fubo

(TianjinPort&ChannelEngineeringCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

Take a new metro shield zone is passing through the existing metro open-cut zone as example. To study the impact on the shield zone construction, a three-dimensional finite element model was simulated. Simulation takes into account the construction of excavation, the tunnel face and facilities for applying segments process. The results show that shield construction will not affect the normal use and operation of the existing structure.

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2015-06-28

何福渤(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)25-0166-02

U455

A