盾構(gòu)法開(kāi)挖地鐵聯(lián)絡(luò)通道對(duì)地表沉降的影響研究

孫龍飛 陳振雷 李堅(jiān)成

（寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211）

0 引言

為了緩解城市的公共交通壓力，地鐵由于其運(yùn)量大，排放低的特點(diǎn)而成為了綠色交通的代表。地鐵隧道之間的聯(lián)絡(luò)通道作為地鐵列車(chē)故障時(shí)人員逃生的救生通道，已經(jīng)被運(yùn)用到工程實(shí)際上[1-5]。凍結(jié)法作為一種有效的聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖施工方法，許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量深入地監(jiān)測(cè)與研究[6-11]，但存在的問(wèn)題是該方法凍結(jié)土層需要大量的時(shí)間和成本，且凍結(jié)對(duì)土體加固是臨時(shí)性質(zhì)的。

由于凍結(jié)法等開(kāi)挖施工方法的效率較低，成本較高且局限性強(qiáng)，因此人們也一直在探究更有效的方法。而盾構(gòu)法作為軟土地區(qū)地下隧道施工的一種常用工法，由于施工方便、高效、安全等特點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用到地鐵、公路和鐵路工程中。

世界首條盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道已被運(yùn)用到寧波地鐵聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖上。盾構(gòu)法挖掘地鐵聯(lián)絡(luò)通道變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但對(duì)于施工過(guò)程中引起軟土地層移動(dòng)和地表沉降的原因及機(jī)理，人們還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，正在進(jìn)行深入研究，包括試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真。K.M.Lee和R.K.Rowe[12]發(fā)展了一種三維彈塑性有限元法用來(lái)模擬施工工序、隧道位移及應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地面沉陷的影響；易宏偉和孫 鈞[13]對(duì)上海地區(qū)軟土盾構(gòu)隧道不同受力階段以及地表沉降的次結(jié)固問(wèn)題進(jìn)行了有限元分析；張志強(qiáng)等[14]建立了模擬盾構(gòu)機(jī)（包括剛度、自重和推力）前行掘進(jìn)隧道的三維有限元模型，并應(yīng)用在南京地鐵隧道工程。目前學(xué)者所做的盾構(gòu)法挖掘隧道的仿真分析很多都缺少測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對(duì)盾構(gòu)法開(kāi)挖地鐵聯(lián)絡(luò)通道的研究也相對(duì)較少，利用測(cè)試與仿真相結(jié)合的方法來(lái)分析施工過(guò)程引起地表沉降的研究更需要進(jìn)行深入研究。

本文以寧波軌道交通3號(hào)線某區(qū)間的地鐵聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖為例，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道施工全過(guò)程沉降監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬及測(cè)試與仿真的標(biāo)定分析，形成了一套真實(shí)、可靠、先進(jìn)的仿真流程，可為聯(lián)絡(luò)通道后續(xù)沉降監(jiān)控及其它聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程的沉降預(yù)測(cè)提供支持。

1 工程概況

該聯(lián)絡(luò)通道連接寧波軌道交通3號(hào)線的兩條地鐵隧道，是國(guó)內(nèi)貫通的首條盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道，同時(shí)也是世界上首條采用盾構(gòu)法施工的軌道交通聯(lián)絡(luò)通道。

1.1 聯(lián)絡(luò)通道概況

作為兩條地鐵隧道間的聯(lián)絡(luò)通道在目前的軌道交通中有著非常重要的作用。寧波地鐵聯(lián)絡(luò)通道總體上屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。左右兩個(gè)地鐵隧道為環(huán)寬為1.5 m 的三環(huán)混合管片構(gòu)成，其中隧道管片及聯(lián)絡(luò)通道管片的厚度分別為350 mm和250 mm。整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道包括始發(fā)段及接收端各兩環(huán)鋼管片，中間為19環(huán)鋼筋混凝土管片。鋼結(jié)構(gòu)包括環(huán)梁和隧道鋼管片。各個(gè)管片間都是通過(guò)彎螺栓連接而成，鋼結(jié)構(gòu)中接縫部分通過(guò)焊接進(jìn)行拼接。

圖1 地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 施工方法

綜合考慮技術(shù)的發(fā)展和地鐵聯(lián)絡(luò)通道穿越土層的性質(zhì)，本次工程采用盾構(gòu)法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的施工。在施工時(shí)，采用盾構(gòu)法挖掘推進(jìn)并支護(hù)，在推進(jìn)的過(guò)程中逐步完成管片襯砌。襯砌管片間分別通過(guò)環(huán)向和縱向彎螺栓連接，襯砌為通縫拼裝。

2 仿真模擬

為了解聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，為后續(xù)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，本文進(jìn)行了地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程的仿真模擬及其與測(cè)試的標(biāo)定研究。

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

該聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)17 m，隧頂埋深12.3 m。計(jì)算模型的上邊界取至地面，下至隧道中線以下15.4 m。沿隧道縱向取3環(huán)長(zhǎng)度，即4.5 m，橫向邊界取至距離隧道中線41.25 m的位置。據(jù)此，有限元模型尺寸為82.5 m×4.5 m×30.8 m。整體模型由整個(gè)地鐵聯(lián)絡(luò)通道及其外表土層組成，包括160350個(gè)節(jié)點(diǎn)，108812個(gè)二階四面體單元。地鐵聯(lián)絡(luò)通道有限元模型包含兩端隧道部分的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土管片，兩端各2環(huán)鋼管片，以及聯(lián)絡(luò)通道中間部分的混凝土管片，其中將隧道部分的鋼筋混凝土管片簡(jiǎn)化成一個(gè)整體，鋼結(jié)構(gòu)中的環(huán)梁和2環(huán)鋼管片簡(jiǎn)化成一個(gè)整體，鋼結(jié)構(gòu)中的隧道鋼管片簡(jiǎn)化成一個(gè)整體。綜合考慮實(shí)際施工的逐步開(kāi)挖和襯砌過(guò)程及有限元計(jì)算的收斂性，將聯(lián)絡(luò)通道19環(huán)混凝土管片分為三部分，按從右到左順序分別是6環(huán)、7環(huán)、6環(huán)混凝土管片。模型底部采用固定約束，其它側(cè)面都約束對(duì)應(yīng)法向位移，上表面地面為自由邊界。荷載考慮地應(yīng)力及開(kāi)挖和支護(hù)等作用，其有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 地鐵聯(lián)絡(luò)通道有限元模型

2.2 材料屬性

聯(lián)絡(luò)通道襯砌塊主要為鋼管片及鋼筋混凝土管片，其各項(xiàng)機(jī)械性能參數(shù)如表1，其中鋼筋混凝土的彈性模量是根據(jù)鋼筋和混凝土的配筋率折算得到的。

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù)

2.3 施工過(guò)程的模擬與仿真分析

（1）施工過(guò)程模擬

仿真過(guò)程應(yīng)用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬，采用衰減模量法模擬隧道應(yīng)力釋放。首先完成隧道開(kāi)挖前的地應(yīng)力平衡計(jì)算（初始工況），然后模擬隧道開(kāi)挖并鋪設(shè)隧道管片（工況一），再逐步按聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程分多個(gè)工況支護(hù)、開(kāi)挖及管片鋪設(shè)（工況二至工況七）。開(kāi)挖過(guò)程各工況的具體介紹如表2所示，具體進(jìn)程尺寸見(jiàn)圖3。

表2 開(kāi)挖工況

圖3 模擬聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程的工況圖

（2）各工況的仿真分析

首先是初始工況，進(jìn)行地應(yīng)力的平衡計(jì)算。對(duì)于隧道及地下工程，初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡與否直接影響到后續(xù)分析步應(yīng)力結(jié)果的準(zhǔn)確性。在大多數(shù)地下工程分析中，巖土體的初始應(yīng)力場(chǎng)即為自重應(yīng)力場(chǎng)，其豎向應(yīng)力隨深度線性變化，豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力分別為：

式中：γ為平均重度；k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)：

式中：μ為側(cè)膨脹系數(shù)。

本文研究的實(shí)際工程所在地土層主要為黏土，計(jì)算中黏土的γ取17.5 kN/m3，μ=0.34，k0=0.52。

在表2各開(kāi)挖工況的計(jì)算中，考慮計(jì)算效率、收斂性及盾構(gòu)機(jī)在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖過(guò)程中的特殊作用（既占有一部分已經(jīng)開(kāi)挖但尚未襯砌管片的空間，又同時(shí)對(duì)該位置有支護(hù)作用），本次仿真將每個(gè)工況分成3個(gè)分析步，即土體彈性模量的衰減、管片的襯砌及土體的開(kāi)挖。土體彈性模量先衰減40%，接著激活聯(lián)絡(luò)通道管片單元，將管片襯砌上去，最后是徹底將土體去除。各工況都以這三個(gè)分析步進(jìn)行計(jì)算，直到聯(lián)絡(luò)通道挖通，管片襯砌完畢。

3 結(jié)果與討論

3.1 聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖橫向測(cè)點(diǎn)的沉降位移監(jiān)測(cè)

沿著聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖方向—橫向各位置的沉降位移是整個(gè)施工進(jìn)程需要關(guān)注的，因此在聯(lián)絡(luò)通道中心位置布置地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以中心位置左右對(duì)稱各分布4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，與中心位置距離分別為6 m、2.5 m、5 m、5 m。測(cè)點(diǎn)號(hào)從右至左分別為D5-1～D5-9共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布俯視圖

地表沉降監(jiān)測(cè)跟隨整個(gè)施工及加固過(guò)程，直至聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)完成。圖5為各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降位移變化曲線。由于本文主要討論盾構(gòu)法開(kāi)挖地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工對(duì)地表沉降的影響，因此主要考慮和討論工況二至工況七。

圖5 各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降位移變化曲線

由圖5可見(jiàn)在各工況下，沉降沿橫向?yàn)橐宦┒沸吻€，在聯(lián)絡(luò)通道正上方地表沉降最大，最大沉降量為21.1 mm，聯(lián)絡(luò)通道中心向兩側(cè)地表沉降逐漸減小。

3.2 聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖豎向位移CAE結(jié)果分析

（1）各工況結(jié)果分析與比較

根據(jù)實(shí)際施工工況進(jìn)行了模擬開(kāi)挖過(guò)程的仿真計(jì)算，分別得到了工況二至工況七的計(jì)算結(jié)果。圖6為所計(jì)算的其中一個(gè)工況（工況三）的位移云圖。圖中顯示是工況三完成時(shí)地表位移的變化規(guī)律，在中間測(cè)點(diǎn)D5-5處的沉降位移最大為7.73 mm，其它工況的計(jì)算結(jié)果變化規(guī)律與工況三類(lèi)似。

圖6 聯(lián)絡(luò)通道在工況三完成時(shí)地表沉降云圖

表3為工況三下各測(cè)點(diǎn)仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。通過(guò)對(duì)仿真模型上的各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)位置繪制各工況的沉降位移曲線，得到各工況下仿真與測(cè)試橫向各測(cè)點(diǎn)的沉降位移對(duì)比曲線，見(jiàn)圖7。

表3 工況三下各測(cè)點(diǎn)仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)各個(gè)工況下仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析可見(jiàn)，聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖各工況下橫向各測(cè)點(diǎn)沉降位移與測(cè)試結(jié)果基本趨勢(shì)保持一致。雖然橫向各測(cè)點(diǎn)是圍繞聯(lián)絡(luò)通道地表中點(diǎn)（D5-5）左右對(duì)稱分布，且兩端都有臺(tái)車(chē)支撐，但是沿開(kāi)挖方向先開(kāi)挖的位置（D5-1～D5-4）還是在各工況下產(chǎn)生了相對(duì)更大的沉降幅值。

圖7 各工況下橫向測(cè)點(diǎn)仿真與測(cè)試沉降位移對(duì)比曲線

在工況二到工況四的施工進(jìn)程中，即聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖并逐步完成始發(fā)端環(huán)梁和鋼管片的襯砌，一直進(jìn)行到十三環(huán)混凝土管片都鋪設(shè)完畢時(shí)，沉降幅值都相對(duì)較小，中間部分的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值大于兩邊，沉降變化曲線相對(duì)較緩和。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖貫通時(shí)（工況五），地表橫向各測(cè)點(diǎn)沉降幅值大量增加，沉降曲線變化較劇烈。但隨著工況六和工況七的進(jìn)行，橫向各測(cè)點(diǎn)沉降幅值增大不再明顯，沉降逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）典型點(diǎn)沉降結(jié)果分析與比較

以下是以在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖線中央上部地表測(cè)點(diǎn)D5-5為例進(jìn)行仿真與測(cè)試的對(duì)比分析。圖8為該點(diǎn)沉降位移隨開(kāi)挖工況（時(shí)間）變化的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比。結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)D5-5的沉降位移變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，工況四和工況五的進(jìn)程讓沉降幅值加速增大，工況五之后趨于平緩，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)較為一致。

圖8 定點(diǎn)沉降位移隨開(kāi)挖工況（時(shí)間）變化的曲線

由此可見(jiàn)，隨著盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖聯(lián)絡(luò)通道，雖然土體有開(kāi)挖流失，但由于接收端臺(tái)車(chē)支撐和接收端環(huán)梁鋼管片鋪設(shè)，地表沉降增大的比較緩慢。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)行到工況四和工況五時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)部大量的土體開(kāi)挖流失讓沉降幅值加速增大，并在土體完全開(kāi)挖貫通時(shí)幾乎達(dá)到沉降最大值。但隨著管片結(jié)構(gòu)都鋪設(shè)完成，沉降也逐步平緩，并最終趨于穩(wěn)定。

盡管由于實(shí)際測(cè)試的誤差以及數(shù)值模擬在模型建立、材料參數(shù)選取、邊界條件等方面的近似處理等原因，致使仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有完全吻合，但是以上仿真結(jié)果的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律保持一致，且數(shù)值較為接近。總體而言，聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程位移沉降的模擬基本反映了實(shí)際施工開(kāi)挖過(guò)程，且此仿真流程可用于后續(xù)聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)與細(xì)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變子結(jié)構(gòu)分析。

4 結(jié)論

本文對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法施工的全過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，兩者結(jié)果基本吻合。主要得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)盾構(gòu)地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并成功完成了地表沉降仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比標(biāo)定，驗(yàn)證了仿真流程的準(zhǔn)確性。

（2）聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程各工況下，橫向的地表沉降呈U 型，即聯(lián)絡(luò)通道正上方沉降最大，兩邊沉降逐漸減小，沉降最大值為21.1 mm。

（3）隨著聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖的進(jìn)行，地表沉降逐步增大，而在聯(lián)絡(luò)通道土體開(kāi)挖貫通時(shí)的危險(xiǎn)工況需要特別關(guān)注，此時(shí)沉降幅值幾乎已經(jīng)達(dá)到最大值。然后隨著所有管片結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)完成，結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡，地表沉降逐步變緩并最終趨于穩(wěn)定。

（4）本文所建立的分析流程可為后續(xù)地表沉降監(jiān)控及其它聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程的沉降預(yù)測(cè)提供分析數(shù)據(jù)。