盾構下穿地下綜合管廊變形規(guī)律的數(shù)值模擬研究

文｜中天建設集團有限公司 金明亮/中天建設集團有限公司，長安大學 李浩然/長安大學 李明倩

1 引言

地下綜合管廊解決了“拉鏈式路面”的弊病，成為建設“海綿城市”的重要載體。盾構施工會不可避免地對地下結構周邊土體產(chǎn)生較大擾動并觸發(fā)相關建筑物應力重分布。揭示盾構施工對地下綜合管廊變形的影響機理成為地下工程建設需要解決的重要問題之一。對盾構施工引起既有地下結構的變形破壞，部分學者開展了數(shù)值模擬研究。例如，楊廣武等采用Flac3d軟件對盾構下穿隧道施工進行數(shù)值模擬，分析了地鐵隧道沉降的變化規(guī)律，得到了地基變形模量和沉降量的關系。胡軍等針對盾構下穿既有地鐵暗挖隧道進行數(shù)值模擬，得到了隧道橫向扭轉隨盾構推力的變化規(guī)律。祝樹紅等利用ABAQUS 軟件，研究了盾構下穿過程中的土體擾動和鄰近既有管線的變形規(guī)律。張文超等利用ABAQUS 軟件對盾構下穿隧道施工進行數(shù)值模擬，分析了不同覆土厚度和隧道間距對隧道應力和位移的影響。張平采用ANSYS 軟件模擬盾構下穿既有管線，計算了管線和鄰近土體的相互作用力以及隧道開挖時地下管線變形量。Li 等建立了不同工況下盾構下穿隧道的有限元模型，對隧道各節(jié)段的應力和變形進行了分析。Li 等分別采用經(jīng)驗公式模型、等效地損模型和隨機介質(zhì)理論模型計算了盾構下穿隧道施工引起的沉降，分析了各模型主要參數(shù)對計算結果的影響。史曉濤構建了盾構近距離下穿隧道的數(shù)值分析模型，研究了不同斷面和工況下的盾構隧道施工位移場變化規(guī)律。方繼安等采用Flac3d軟件分析了盾構隧道開挖速度、掌子面支撐壓力比、隧道直徑和管隧間距等因素對既有管線沉降的影響。

Flac3d作為材料三維結構受力特性模擬和塑性流動分析的經(jīng)典軟件，越來越多地用于地下結構施工模擬中，本文采用該軟件對盾構下穿地下綜合管廊施工進行模擬，分析地下綜合管廊的沉降和各管節(jié)的變形規(guī)律。

2 實驗設計

2.1 實驗模型

建立了盾構隧道-土體-管廊的三維有限差分模型，該模型長75m、寬45m、高40m。管廊上頂板埋深3m、底板埋深6m，盾構隧道頂部埋深12m、直徑6m，管廊斷面采用3m×3m，結構頂板及側板厚0.3m，底板厚0.35m，每15m 設置一條變形縫，如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)

模型中土體采用砂土，本構關系采用摩爾庫倫模型，土體參數(shù)如表1所示。

管廊結構（管廊襯砌、注漿材料、盾殼、管片）均采用線彈性力學本構關系，材料參數(shù)如表2所示。

圖1 盾構隧道-土體-管廊結構三維模型

表1 土體參數(shù)

表2 管廊結構材料參數(shù)

圖2 剛度遷移法示意圖

3 計算模擬過程

盾構施工開挖的前進支護過程如圖2所示。在盾構機沿設計隧道中心線開挖時，以3m 為一個開挖步，共開挖15 步，總開挖距離45m。

本模型中盾構采用欠壓方式推進，掌子面土壓力為梯形荷載，其大小按欠壓比為0.4 進行施加。欠壓比如式1 所示。

式中：p 和p0 分別表示掌子面施加壓力和理論壓力。在該模型中建立接觸面，如圖3所示。

4 管廊沉降監(jiān)測結果分析

4.1 監(jiān)測點設置

在管廊結構上設置沉降監(jiān)測點，由于管節(jié)1～管節(jié)5 關于管節(jié)3 的中線對稱，因此本文僅列出管節(jié)1～管節(jié)3 結構的沉降監(jiān)測點位置和編號，如圖4所示。

管廊結構共布置3 個測面35 個監(jiān)測點，采用雙段法對各監(jiān)測點命名，例如，3-1 點表示第三側面從左到右數(shù)第一個監(jiān)測點。

4.2 監(jiān)測點沉降分析

將管節(jié)2～管節(jié)4 沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖5所示。

由圖5可知：

（1）各監(jiān)測點均經(jīng)歷了沉降緩慢及加劇階段（-19.5m～-4.5m）、沉降劇烈階段（-4.5m～4.5m）、沉降趨緩及穩(wěn)定階段（4.5m以上）。

圖3 接觸面模型

圖4 管廊沉降監(jiān)測點

圖5 各測點沉降曲線（橫坐標以開挖面位于管廊中心為零點，未到達中心為負，超過中心為正）

圖6 管節(jié)旋轉角度曲線圖

圖7 管節(jié)撓曲變形曲線

（2）不同測面、不同階段的沉降值不相同：

距盾構隧道中心越遠，管廊結構沉降值越小；

管廊結構在盾構下穿過程中產(chǎn)生了橫向傾斜或扭轉；

沉降監(jiān)測點1-3、2-4、3-3 后期均產(chǎn)生了一定程度的上升，說明該管節(jié)產(chǎn)生了旋轉。

4.3 管節(jié)變形規(guī)律分析

（1）縱向旋轉分析

管節(jié)的縱向旋轉通過第二測面沉降值表示，如式2 所示。

式中：Sx1、Sx2為監(jiān)測點沉降值，y、L為單管節(jié)編號和長度。分別繪制管節(jié)1～管節(jié)3 的縱向旋轉角度曲線，如圖6所示。

由圖6可知：

隨著盾構開挖面的推進，管節(jié)的旋轉角度逐漸增大；

盾構接近并通過管廊中線之前對管廊結構的旋轉影響大于盾構通過并遠離管廊時的影響；

盾構施工對距隧道中線較遠的管節(jié)1影響較小，對較近的管節(jié)2 影響大。

（2）縱向撓曲分析

管節(jié)的縱向撓曲通過第二測面沉降值表示，如式3 所示。

式中：Sx1、Sx2、Sx3分別表示管節(jié)1～管節(jié)3 第二測面監(jiān)測點的沉降值。分別繪制管節(jié)1～管節(jié)3 的撓曲變形曲線（規(guī)定向上為正、向下為負），如圖7所示。

由圖7可知：

管節(jié)1、2 縱向撓曲為正，說明其發(fā)生“凸” 形變形，管節(jié)3 縱向撓曲為負，說明其發(fā)生“凹”形變形。比較管節(jié)縱向撓曲的絕對值，說明距中心線越近撓曲變形越大；管節(jié)組合產(chǎn)生了“柔性”的縱向撓曲變形。

（3）相對扭轉分析

三個測面的監(jiān)測點沉降值不相等，說明管廊結構產(chǎn)生了相對扭轉，如式4 所示。

式中：T1、T2、T3為管節(jié)1～管節(jié)3的相對扭轉，其他符號意義不變。分別繪制管節(jié)1 和管節(jié)2 的相對扭轉曲線，如圖8所示。

由圖8可知：

管節(jié)1、2 的相對扭轉曲線變化趨勢類似；隨著盾構施工進行，盾構開挖面逐漸靠近管廊中心，管節(jié)的相對扭轉逐漸增大，當盾構開挖面距管廊中心-4.5m 左右時，管節(jié)相對扭轉達到最大值，此時管節(jié)1 相對扭轉為1.84×10-6rad/m，管節(jié)2 相對扭轉為5.92×10-6rad/m，說明距盾構隧道中線越近的管節(jié)相對扭轉越大；

（4）差異沉降分析

將管節(jié)2 和管節(jié)3 間前端面和后端面的差異沉降繪制成曲線，如圖9所示。

由圖9可知：

盾構開挖面接近管廊前端面過程中產(chǎn)生的差異沉降大于盾構開挖面通過管廊中心之后產(chǎn)生的差異沉降。

5 結論

本文利用Flac3d軟件對盾構下穿地下綜合管廊的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，得到以下結論：

（1）管廊單管節(jié)的變形主要為縱向旋轉、縱向撓曲和橫截面的相對扭轉，多管節(jié)組合變形則呈現(xiàn)“柔性”的特征。

（2）在盾構開挖面穿過管廊前后端面階段最容易發(fā)生事故。

圖8 管節(jié)相對扭轉曲線

圖9 差異沉降曲線