盾構下穿不同階段沉降影響分析

賀雪來

【摘 要】 以溁湖區間下穿既有2號線隧道中MJS加固為工程背景，通過現場監測與數值模擬手段對相關數據進行對比分析，評估MJS加固的效果。同時分析不同施工階段既有隧道沉降量，總結沉降規律并提出相應施工建議。

近年來，城市化水平的提高，大中城市的增加，使得城市中的問題逐漸增多，需要走城市可持續發展道路，尤其是人口密度的增加給交通帶來了巨大的壓力，這就促使我們要充分利用地下空間，提高土地利用率，緩解城市交通壓力。城市交通壓力不斷增大，城市軌道交通建設成為解決城市交通壓力的重要手段。隨著軌道交通規模的不斷增大，帶來許多具有挑戰的工程難題。特別是在一些軟土地區淺埋盾構掘進工程施工過程中，特別是在下穿隧道、管線以及建（構）筑物的保護上，如何處理不造成嚴重后果，如何在掘進過程中對周邊軌道交通工程實現無擾動一直是工程界面臨的難題。

本文對地鐵盾構施工引起的地表形變規律影響因素進行研究，并運用數值模擬軟件對長沙4號線溁灣鎮～湖南師大站下穿既有2號線部分進行模擬，同時根據實測數據以及模擬結果對比分析，總結出其中規律并提出合理施工建議。

1 FLAC3D計算原理

FLAC3D程序在數學上采用快速拉格朗日方法，基于顯式差分來獲得模型全部運動方程和本構方程的步長解，其本構方程由基本應力應變定義及虎克定律導出，運動平衡方程則直接應用了柯西運動方程，該方程由牛頓運動定律導出[4～6]。質點的應力狀態是由應力張量定義。由柯西公式，任意平面上單位法向量上的力矢可以表示為式（1）：

總的來說，FLAC3D計算簡單的理解：在已經做得好的模型上，通過命令輸入的形式，讓模型上的節點獲得該點的所有參數，然后FLAC3D軟件通過系統自帶的計算方程，通過計算重新賦值給每個節點，節點為節點之間則通過插值法完善節點與節點之間的曲線，最后獲得完整的云圖。

2 工程概況與模型建立

軌道交通4號線溁灣鎮站～湖南師大站區間采用盾構法施工，區間縱坡為單向坡，最小坡度0.2%，最大坡度2.6%，豎曲線半徑分別為3000 m、5000 m。地鐵4號線區間左線和右線分別始發38.7 m、28.7 m后下穿既有地鐵2號線，交叉段距離為27 m。既有2號線區間隧道采用盾構法施工，內徑5.4m，外徑6.0 m。4號線區間與既有2號線區間隧道輪廓最小豎向凈距為2.863 m。下圖1為盾構下穿既有軌道交通2號線的位置關系與地質剖面圖。

既有2號線區間隧道采用盾構法施工，內徑5.4 m，外徑6 m，4號線區間與既有2號線區間隧道輪廓最小豎向凈距2.86 m。設計采用“豎井+MJS水平旋噴”方案對既有2號線隧道進行預保護。每個豎井設置13根直徑為2.0米半圓水平旋噴樁，每根樁長42 m，具體布設見圖2。

由于MJS加固體是半環繞的隧道，且上下兩條隧道是斜交關系。前處理建模軟件采用Hypermesh進行，所得在建隧道與既有隧道之間位置關系具體效果如下圖3所示以及平面圖如圖4所示。

本次模型取地表為自由邊界，其他面法向固定。隧道土體開挖采用空模型，土體采用摩爾-庫倫模型，盾構管片采用殼單元[7，8]。MJS樁采用彈性模型根據實際情況，既有2號線隧道埋深11.9 m。在建的4號線隧道埋深約19 m，隧道外徑6 m。內徑5.4 m。管片每環1.5 m。厚度0.3 m。在盾構施工過程中，由于土體損失、周圍孔隙水壓變化及襯砌變形等因素的存在，土體原始應力將重新分布，原有的土體平衡遭破壞，導致地層發生不同程度的變形。地層變形過大會引起臨近隧道土體應力狀態的改變，使隧道產生變形，也會在地面產生一定的沉降[9，10]。

3 實測數據對比分析

整個盾構模擬下穿過程可以分為五個工況，如圖4.5所示，模擬盾構下穿過程工況如表1所示。

4號線下穿2號線左線主要研究對象為自動化測點取靠近掘進中線的10個監測點G11、G15、G18、G21、G24、G28、G31、G34、 G37和G41每個點之間相距約3m，其中位于下穿中心的監測點為G24。整個監測周期從4月11日至4月30日，可分為五個不同階段，如上表4.2所示，進行監測數據分析。各個階段沉降變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，在新建4號線左線下穿既有2號線左線期間，既有2號線最大累計沉降為2.66mm；最大累計沉降出現位置在新、舊交叉穿越中心位置，累計沉降峰值并不隨下穿施工階段改變而改變。地表沉降最大累計沉降為3.34mm；最大累計沉降出現在新、舊交叉穿越中心位置附近，可能原因是由于當時有鉆孔機在旁側，影響地表沉降。；既有隧道沉降以及地表沉降的各階段既有2號線隧道沿線沉降與Peck公式的預測吻合，基本呈現正態分布。

4 結論

（1）模擬數據與實測數據變形曲線趨勢較為一致，模擬數據與實測數據最大值較為吻合，說明有限元模擬結果從宏觀上能較真實反映出現場狀況。因此，本次模擬結果比較可信。

（2）盾構下穿施工時，為了確保施工人員能及時獲得精準的監測數據，應對既有隧道采用自動化監測系統進行實時監控。實驗研究得知，沉降一般發生在盾構掘進中以及離開后。因此，在盾構下穿過程中，尤其是在盾構到達下穿中心，需要加大監測頻率，并實時反饋給指揮中心。

【參考文獻】

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