凈距對盾構下穿行車通道施工的影響研究

摘要：利用數值仿真方法，模擬不同凈距下盾構下穿地下行車通道的施工過程，重點研究盾構開挖對行車通道位移和內力的影響，并總結影響規律。結果表明：隨著盾構掘進，地下行車通道隨地層出現沉降變位，開挖凈距越小，通道沉降量隨之減小;盾構下穿施工擾動使上部行車通道的彎矩分布呈現側壁內凹和橫板外凸效果，開挖凈距由1D減小至0.75D和0.5D時，彎矩增幅分別為17%和40%。

關鍵詞：盾構隧道;下穿施工;行車通道;施工凈距;數值模擬

0" "引言

在城市軌道交通迅速發展過程中，盾構法憑借先進的施工工藝，在城市地鐵建設中得到了廣泛應用[1-2]。目前大中城市地下空間開發較為充分，盾構施工過程中，除引起地層擾動變位以外，在近距離穿越地下管線、建筑基礎和人行通道等結構開挖時，將會誘發結構出現變形破壞[3-4]。其中下穿地下行車通道是盾構施工的典型案例。

為了確保結構在運營過程中的安全性，需要嚴格控制施工擾動下通道的總體沉降及變形，不少學者在相關方面進行了相關研究。陳麗蓉[5]通過對上海外灘通道盾構下穿南京東路人行地道期間的人行地道沉降現場監測數據分析，得出人行地道沉降呈周期性累加的規律。李鐵軍等[6]采用三維有限元軟件，分析盾構下穿富士康通道施工時通道的沉降。薛登宇等[7]采用MIDAS-GTSNX軟件，分析盾構隧道下穿某地下通道，結果表明，盾構開挖至通道正下方時通道沉降達到最大值。上述成果對盾構施工引起人行通道總體沉降及變形以及做了大量研究，但針對不同凈距下盾構隧道下穿施工對地下行車通道的影響規律，缺少進一步詳細地分析和歸納。

本文以福州地鐵4號線盾構隧道下穿前橫路口地下行車通道為研究背景，通過有限差分軟件對穿越過程進行數值模擬，重點關注不同凈距下盾構隧道下穿施工對地層壓力、地下行車通道位移和內力的影響，總結影響規律，以期為類似工程提供參考。

1" "工程概況

1.1" "工程概述

福州地鐵4號線接近90°角下穿前橫路口地下行車通道，線路位置關系如圖1所示。參考機動車下穿通道施工圖設計說明可知，前橫路口地下通道起點里程K1+636.387，終點里程K2+101.825，總長381.438m，其中西側U形通道長153.613m，箱形通道長80m，東側U形坡道長147.825m。

1.2" "工程地質

由勘察資料可知，工程現場地層自上而下分別為雜填土（1層）、殘積砂質黏性土（2層）、全風化花崗巖（3層）、沙土狀強風化花崗巖（4層），各土層參數如表1所示。

2" "數值模型

2.1" "模型建立

針對新建盾構隧道與上部行車通道間凈距d不同，采用FLAC3D數值分析軟件，分別建立盾構下穿行車通道動態開挖模型。模型沿盾構掘進方向長60m，寬60m，高度根據兩結構間凈距分別取20.9m（d=0.5D）、22.3m（d=0.75D）、24m（d=1D）三種工況，D為盾構隧道外徑。約束模型側面的法向位移與底部的豎向位移，頂面為自由面，如圖2所示。

2.2" "計算參數及本構模型

地下行車通道主體結構采用C40防水混凝土現澆，抗滲等級P8，其頂板、側壁厚度為0.6m，底板厚0.8m，長、寬、高分別為12m、10m、5.4m。盾構隧道管片襯砌環外徑為6.2m，內徑為5.5m，管片寬1.2m，厚度為0.35m。管片采用C50防水混凝土澆筑。

在開挖面設置均布荷載，參照工程施工參數，頂推力大小取0.15MPa。土體、管片、注漿層均采用實體單元模擬，地下通道襯砌采用殼單元模擬。土體選用摩爾庫倫本構模型，盾構隧道襯砌、注漿體采用彈性本構模型，結構參數如表2所示。

2.3nbsp; "模擬過程

開挖過程模擬如下：建立三維模型并約束邊界，計算應力場和位移場，并將土體位移歸零。進行新建盾構隧道開挖，每開挖一步對開挖面土體施加頂推力，將新開挖孔洞臨空面布設殼體單元模擬盾殼，刪除脫出盾尾管片外部盾殼。為新脫出盾尾的管片和注漿層賦予對應材料參數，以盾構隧道幅寬為單次進尺標準，分步開挖隧道，直至施工完成。

3" "結果分析

3.1" "通道變位

新建盾構隧道對周圍土體的擾動，必將引起上部行車通道的變位。在通道頂面設置A、B、C、D、E五個豎向位移監測點，如圖3所示。各測點平面分布分別對應土壓力測點位置。不同凈距下盾構下穿施工對地下行車通道豎向位移的影響如圖4所示。

圖4表明，隨著盾構開挖進行，地下行車通道逐漸發生沉降，且在開挖面通過監測斷面時刻，下部土體卸載引發沉降量迅速增大，而后趨于穩定。各測點沉降量隨著盾構與地下行車通道間凈距減小而減小，其中1D凈距時，A、B、C、D（E）點最終沉降分別為-15.05mm、-15.27mm、-15.56mm、-15.26mm;0.75D凈距時，分別為-12.22mm、-12.12mm、-12.64mm、-12.11mm，較1D凈距減幅約20%;0.5D凈距時，分別為-9.59mm、-9.18mm、-9.99mm、-9.18mm，較1D凈距減幅約39%。雖然小凈距工況下通道下沉量減小，但這僅是由于凈距減小，使兩結構間土層變薄，對應地層變形空間縮減所致，并不能說明減小凈距有利于保持盾構開挖工程中上部結構的穩定性。

3.2" "通道內力

為獲得盾構隧道下穿開挖過程中地下行車通道的內力變化情況，在通道中間截面上、下、左、右布置結構附加內力測點如圖5所示。各測點附加彎矩隨盾構開挖的變化情況如圖6所示。其中正值表示通道各面受載發生“內凹”，負值表示“外凸”。

由圖6可知，通道上各測點的附加彎矩，隨盾構與地下行車通道之間凈距的減小而逐漸增大，在凈距由1D減小至0.75D和0.5D過程中，各測點彎矩增幅約17%和40%。綜合各測點內力變化情況可知，開挖面通過行車通道下方時，引起結構內部彎矩變化最為顯著，而后逐漸趨于穩定，最終呈現兩側壁向內擠壓，上下板向外凸出的變形狀態，與盾構通過后下部地層沉降的變形趨勢相吻合。

4" "結論

本文以福州地鐵4號線工程為背景，利用數值方法模擬不同凈距下盾構下穿地下行車通道的施工過程。研究結果表明，盾構掘進過程中，地下行車通道以沉降變位為主，其中開挖面通過通道正下方對應的結構沉降速度最快。小凈距開挖時地層變形空間受限，通道沉降量隨之減小。在盾構下穿施工影響下，地下行車通道呈現側壁內凹、橫板外凸的內力分布狀態，與盾構開挖導致的地層沉降變化規律一致。

參考文獻

[1] 劉建航，侯學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[2] 錢七虎.迎接我國城市地下空間開發高潮[J].巖土工程學報，1998，20（1）：112-113.

[3] 孫均.市區基坑開挖施工的環境土工問題[J].地下空間1999，19（4）： 257-265.

[4] 張慶賀，柏炯.上海軟土盾構法隧道的理論與實踐[J].同濟大學學報，1998， 26（4）： 387-392.

[5] 陳麗蓉.上海外灘通道工程中土壓平衡盾構下穿對地下通道沉降影響研究[J].建筑施工，2010，32（4）：287-288.

[6] 李鐵軍，盾構施工近距離下穿大斷面公路隧道施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2015（6）：44-47.

[7] 薛登宇.深厚素填土地段盾構近距離下穿地下通道數值分析[J].內蒙古科技與經濟，2018（11）：92-93+95.