大直徑盾構(gòu)穿越棚戶區(qū)時導(dǎo)致結(jié)構(gòu)綜合變形及其穩(wěn)定性研究

段常在（上海中宇工程建設(shè)技術(shù)有限公司，上海 200080 )

圍繞盾構(gòu)下穿導(dǎo)致既有建筑結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外學(xué)者也進行了一些有益的研究。Mili Ziano 等[1]對磚石建筑結(jié)構(gòu)建立二維仿真模型進行計算機仿真分析，在隧道施工過程中，黏性土中磚石結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性會隨開挖過程而發(fā)生相應(yīng)變化，并因此繪制出磚石結(jié)構(gòu)建筑物在隧道開挖過程中相應(yīng)產(chǎn)生的地表沉降曲線。張海波[2]對西安地鐵盾構(gòu)隧道施工進行了 FLAC 3D三維數(shù)值模擬研究，優(yōu)化了一系列重要施工參數(shù)，對實際現(xiàn)場施工有較大指導(dǎo)作用。劉招偉等[3]以廣州地鐵 2號線為工程依托，對現(xiàn)場實際施工掘進過程和地表沉降規(guī)律進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出隧道盾構(gòu)與地表沉降的相互作用關(guān)系。

本文以武漢市軌道交通 8號線一期隧道盾構(gòu)下穿棚戶區(qū)項目為工程背景，采用基于有限差分理論的 FLAC 3D進行數(shù)值模擬，研究大直徑盾構(gòu)下穿老舊棚戶區(qū)時導(dǎo)致結(jié)構(gòu)綜合變形及其穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 大直徑盾構(gòu)開挖對地層擾動機理

大直徑盾構(gòu)下穿老舊棚戶區(qū)開挖會對地層造成較大的擾動，究其主要原因是盾構(gòu)在下穿施工過程中造成周圍巖土層的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變、地層發(fā)生損失、土顆粒的固結(jié)和次固結(jié)等[4]，其中超大直徑盾構(gòu)下穿施工引發(fā)的周圍巖土層擾動和發(fā)生破壞的重塑土再次產(chǎn)生固結(jié)是地層沉降的基本表現(xiàn)。超大直徑盾構(gòu)隧道在掘進時周圍土體一系列力學(xué)特性會發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的改變，孔隙水壓力和土體總應(yīng)變改變導(dǎo)致了應(yīng)力狀態(tài)的總體變化，究其原因是土體受到土拱作用和開挖卸荷等的影響，隧道盾構(gòu)在開挖過程中周圍土體被擠壓引起地下水位產(chǎn)生變化從而導(dǎo)致孔隙水壓力產(chǎn)生變化。

盾構(gòu)機千斤頂?shù)臋M向推力致使盾構(gòu)機不斷向前掘進，盾構(gòu)機的刀盤要克服掘進過程中的阻力需要千斤頂提供足夠的推力，才可以繼續(xù)向前推進，同時作用于盾構(gòu)機上的推力又成為反力，反向作用于土體，成為土體的附加應(yīng)力[5]。

盾構(gòu)機向前推進過程中對土體的擠壓作用主要是：掘進過程中土體對管片產(chǎn)生的阻力f1、作用于開挖臨空面的主動土壓力f2、土體與盾構(gòu)機表面的摩擦力f3、盾構(gòu)機車架和表面之間的摩擦力f4、盾構(gòu)機尾部與管片之間的摩擦力f5等。如果千斤頂產(chǎn)生的總推力F≥f1+f2+f3+f4+f5，開挖臨空面的土體會經(jīng)歷加載過程產(chǎn)生彈塑性變形[6]。巖土體由于隧道盾構(gòu)掘進而產(chǎn)生的影響范圍如圖 1 所示，其中虛線所示圓錐體表示土體擠壓擾動的影響范圍：① 區(qū)土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)未產(chǎn)生變化，此時土體水平和垂直應(yīng)力分別用σh、σv表示；② 和 ④ 區(qū)域土體呈現(xiàn)的擠壓作用較大，出現(xiàn)了較大擠壓變形，在開挖過程中 ② 區(qū)σh和σv均略有增加，相比較而言④ 區(qū)σv基本沒有變化，只有σh呈現(xiàn)上升的趨勢；圖中 ③區(qū)土體受到盾構(gòu)機刀盤不斷切削作用，其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變得十分復(fù)雜，如果在施工過程中沒有采取及時的支護措施，將會導(dǎo)致臨空面土體應(yīng)力得到釋放，水平向應(yīng)力值變小；相反如果在施工過程中土體得到相應(yīng)支護， 且支撐支護應(yīng)力過大時，將會導(dǎo)致σh出現(xiàn)不同程度的增大。如果千斤頂產(chǎn)生的總推力F＜f1+f2+f3+f4+f5，盾構(gòu)機則不能推動前方土體呈靜止?fàn)顟B(tài)，此時如果沒有對開挖土體的臨空面進行相應(yīng)支護，土體應(yīng)力將會得到釋放，同時出現(xiàn)臨空面滑移的狀況。

圖1 盾構(gòu)前方土體擾動區(qū)

2 工程背景

武漢地鐵 8號線一期工程某盾構(gòu)區(qū)間，下穿大量老舊棚戶區(qū)建筑結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)區(qū)間采用一臺直徑 12.51m復(fù)合式超大泥水平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)機自車站始發(fā)，然后長距離穿越高密集棚戶區(qū)，穿越總長 754.62 m。盾構(gòu)機從車站以R=700m的半徑曲線始發(fā)，縱斷面坡度由平坡變?yōu)?2.7% 的下坡，掘進地層為全斷面粉細(xì)砂地層。該棚戶區(qū)原定在掘進前進行拆除，但因種種原因拆除未果，盾構(gòu)掘進時需嚴(yán)格控制地面沉降，確保安全下穿棚戶區(qū)建（構(gòu)）筑物。

3 三維數(shù)值仿真模擬

3.1 三維模型建立

本文以武漢地鐵 8號線某區(qū)間大直徑盾構(gòu)穿越老舊棚戶區(qū)為工程背景，采用基于有限差分理論的計算軟件 FLAC 3 D進行三維建模，分別建立隧道軸線埋深 12 m、18 m、24 m的計算模型，采用直徑為 12.51m的超大直徑盾構(gòu)開挖，研究不同隧道軸線埋深對地表和棚戶區(qū)建筑結(jié)構(gòu)變形及其穩(wěn)定性影響機理。

隧道襯砌采用線彈性計算模型，同時考慮襯砌接頭對結(jié)構(gòu)強度的影響，襯砌結(jié)構(gòu)在計算時進行了 0.2 的強度折減，密度取為 2 500 kg/m3，彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.25。模型中地下水位取地表以下 3 m，采用水土合算的方式進行計算，地下水位以下土體計算重度采用浮重度進行計算。土體本構(gòu)關(guān)系采用考慮塑性變形的 Drucker-Prager描述[9]，各層土體材料參數(shù)見表 1。模型尺寸范圍為 100 m×60 m×70 m（x軸×y軸×z軸），模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

表1 各層土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 計算網(wǎng)格模型

模型土體選用實體單元計算，襯砌選用殼單元，盾構(gòu)上部框架結(jié)構(gòu)梁和柱均選用梁單元進行模擬。三維模型土體四周約束其法線方向的水平位移，底面邊界約束其豎向位移，土體上部為自由邊界。在模型正式計算之前首先對土體進行地應(yīng)力清零，確保初始狀態(tài)接近真實應(yīng)力狀態(tài)[8-9]。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 地層沉降

提取隧道貫通后各模型豎向位移云圖，將不同隧道軸線埋深的位移云圖進行比較，如圖 3 所示。

通過計算可知，隧道軸線埋深為 12 m、18 m、24 m時，最大沉降值分別為 2.63 mm、1.90mm和 1.13 mm，巖土體最大隆起值分別為 0.105 mm、0.145mm和 0.204 mm。比較 3 組計算模型可得，3 組模型土體最大沉降值均出現(xiàn)在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對隧道結(jié)構(gòu)及地表沉降產(chǎn)生的影響越大，隧道軸線埋深對巖土體隆起程影響不大。

圖3 位移云圖

3.2.2 管片應(yīng)力

提取隧道貫通后隧道縱向中間截面的管片最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖，將不同隧道埋深的云圖進行比較，3 種埋深的管片云圖如圖 4 ～圖 6 所示。

圖4 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 12 m）

圖5 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 18 m）

圖6 管片最大和最小主應(yīng)力（隧道埋深 24 m）

模型管片采用的混凝土型號為 C 40，隧道埋深 12 m時，管片的最大主應(yīng)力為 46.8 kPa，最小主應(yīng)力為 800 kPa；隧道埋深 18m時，管片的最大主應(yīng)力為 60.1 kPa，最小主應(yīng)力為 1 003.5 kPa；隧道埋深 24m時，管片的最大主應(yīng)力為 73.4 kPa，最小主應(yīng)力為 1 202.8 kPa。3 個模型均未產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。比較 3 個計算模型的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，隧道埋深越大，管片的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大，當(dāng)埋深較大時，盾構(gòu)開挖時需注意管片的受力情況。

3.2.3 地表沉降

提取隧道貫通后各計算模型地表豎向位移值，將不同隧道軸線埋深地表沉降曲線進行比較，如圖 7 所示。

圖7 地表沉降曲線

由圖 7 可以看出，地表沉降沿縱向變化規(guī)律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現(xiàn)為“兩頭大、中間小”的分布趨勢，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線埋深 12m時，大小為 5.38 mm。由于模型只對巖土體一部分進行計算，故在邊界處存在邊界效應(yīng)，在計算邊界處地表沉降值也出現(xiàn)了較大的增幅。

3.2.4 建筑物沉降

本文模型隧道上部建筑為 2 層框架結(jié)構(gòu)，在進行計算分析之前做如下假定。

（1）計算時忽略填充墻對框架結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度的影響，填充墻荷載折算為 10 kN/m2施加在梁上，樓板面荷載計算值取為 5 kN/m2。

（2）假定盾構(gòu)隧道在掘進過程中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與周圍土體不發(fā)生相對滑動，接觸面的位移為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和土體共同位移。

（3）現(xiàn)實情況中梁和柱之間為鉸接，模型中梁柱之間建立耦合約束方程來模擬位移的協(xié)調(diào)和彎矩的實現(xiàn)。

提取隧道盾構(gòu)掘進過程中不同隧道軸線埋深框架結(jié)構(gòu)同一位置的沉降曲線，如圖 8 所示。

圖8 盾構(gòu)開挖過程中建筑結(jié)構(gòu)沉降曲線

通過分析可知，隨著掌子面中軸線與結(jié)構(gòu)距離的不斷增大，地表結(jié)構(gòu)的沉降值變化規(guī)律為：由緩慢增長到迅速增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。比較圖 6 的 3 條曲線，隧道埋深越小，上部老舊棚戶區(qū)結(jié)構(gòu)沉降值越大，故當(dāng)隧道埋深較小時，在隧道盾構(gòu)開挖時需要對地表結(jié)構(gòu)加強監(jiān)測，避免產(chǎn)生較大變形保證安全。

4 結(jié) 語

本文主要介紹了盾構(gòu)開挖地層沉降機理和有限差分軟件FLAC 3D三維建模的相關(guān)內(nèi)容，其中主要介紹了大直徑隧道盾構(gòu)開挖過程中對周圍地層的擾動機理，包括地層損失理論的相關(guān)論述、土體初始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變的過程和影響因素。文章從地層沉降特征的視角深入研究了地表變形沉降機理和上部老舊建筑結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律，針對隧道不同軸線埋深進行了 FLAC 3D三維數(shù)值模擬，通過計算得出以下結(jié)論：

（1）土體最大沉降值均出現(xiàn)在隧道斷面上部土體，且隧道軸線埋深越小，對隧道結(jié)構(gòu)及地表沉降產(chǎn)生的影響越大，隧道軸線埋深對巖土體隆起程影響不大。

（2）隧道埋深越大，管片的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力越大，說明管片所受的拉力及壓力就越大。當(dāng)埋深較大時，盾構(gòu)開挖時需注意管片的受力情況，盾構(gòu)下穿時管片未產(chǎn)生拉應(yīng)力，且最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力峰值均控制在安全范圍內(nèi)。

（3）地表沉降沿縱向變化規(guī)律呈近似 U 型分布，整體沉降值呈現(xiàn)為“兩頭大、中間小”的分布趨勢，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線埋深 12m時，大小為 5.38 mm。

（4）隨著掌子面中軸線與結(jié)構(gòu)距離的不斷增大，上部結(jié)構(gòu)的沉降值變化規(guī)律為：由緩慢增長到迅速增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。隧道埋深越小，上部老舊棚戶區(qū)結(jié)構(gòu)沉降值越大，故當(dāng)隧道埋深較小時，在隧道盾構(gòu)開挖時需要對地表結(jié)構(gòu)加強監(jiān)測，避免產(chǎn)生較大變形保證安全。