盾構(gòu)水平穿越位置對運營行車通道的影響研究

摘要：為研究盾構(gòu)施工擾動及汽車荷載對行車通道的影響機制，基于福州地鐵4號線盾構(gòu)穿越前橫路口行車通道工程，采用數(shù)值模擬方法建立了不同水平穿越位置的盾構(gòu)掘進模型，通過Dynamic-Implicit分析通道內(nèi)部的移動車輛荷載，并總結(jié)了通道結(jié)構(gòu)的靜-動力響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明：當盾構(gòu)從沉降縫正下方穿越時，行車通道相鄰管節(jié)間以張開變形為主，而當下穿位置不處于沉降縫正下方時，相鄰管節(jié)之間將產(chǎn)生較明顯的錯臺變形;盾構(gòu)不同水平穿越位置下行車通道，由汽車荷載作用引起的加速度、動應(yīng)力及動位移時程曲線分別趨于一致，均在輪載經(jīng)過特征點時達到峰值;在汽車荷載作用下，接縫處特征點的加速度及動應(yīng)力隨著通道管節(jié)間錯臺量的增大而增大;當動力響應(yīng)特征點處管節(jié)的沉降量增大時，該點在汽車荷載作用下的振動幅度減小。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;行車通道;車輛荷載;復(fù)合擾動;數(shù)值計算

0" "引言

在盾構(gòu)下穿運營行車通道的過程中，下部土體卸載會引起通道周圍約束條件發(fā)生變化，極易造成通道結(jié)構(gòu)在沉降縫等關(guān)鍵位置的變形，進而改變汽車經(jīng)過時的動力響應(yīng)特性。因此，研究盾構(gòu)不同水平位置下穿行車通道的影響機制，對保障通道運營過程中的安全性具有重大意義。

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者對盾構(gòu)下穿既有地下通道結(jié)構(gòu)方面的問題進行了研究。郭建寧[1]基于寧波地鐵1號線區(qū)間隧道斜交下穿淺覆土市政公路框架隧道工程，研究了盾構(gòu)下穿施工不同階段各項施工參數(shù)的改變，對于上部框架隧道的豎向沉降、側(cè)向位移及扭轉(zhuǎn)變形的影響規(guī)律。李昌斌[2]通過有限差分軟件，對蘭州地區(qū)砂卵石地層盾構(gòu)下穿既有通道結(jié)構(gòu)的施工過程進行模擬，設(shè)置了基底是否預(yù)加固的不同工況，研究了盾構(gòu)開挖對通道結(jié)構(gòu)的影響，并指出地下通道的存在能在一定程度上阻礙周圍土體變形。

若在盾構(gòu)開挖基礎(chǔ)上考慮車輛荷載的作用，既有結(jié)構(gòu)將承受更為復(fù)雜的復(fù)合擾動。溫鵬飛[3]通過有限元法建立了車輛-軌道動力模型，研究了不同程度軌道不平順情況下列車行進的動力響應(yīng)特性變化規(guī)律。許朋成[4]基于北京地鐵10號線盾構(gòu)下穿京滬及京津高鐵工程，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的對比，分析了高速鐵路受盾構(gòu)下穿影響的地層及軌道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并進一步研究了列車動力響應(yīng)的變化情況。

本文以福州地鐵4號線下穿前橫路口地下行車通道工程為背景，在考慮通道內(nèi)部汽車荷載作用基礎(chǔ)上，通過有限元軟件ABAQUS模擬了盾構(gòu)不同水平位置穿越通道結(jié)構(gòu)的多組工況，并通過靜-動力指標分別分析了其影響機制。

1" "工程概況

1.1" "工程背景

福州市軌道交通4號線橫嶼站至后嶼站區(qū)間隧道，正交穿越前橫路口運營行車通道，通道主體結(jié)構(gòu)采用C40現(xiàn)澆防水混凝土，總長度381.438m，其中箱形段長80m，節(jié)段之間設(shè)有寬度為2cm的沉降縫，采用中埋式止水帶與背貼式止水帶防水。盾構(gòu)與行車通道的空間位置關(guān)系如圖1所示。

1.2" "地質(zhì)概況

橫嶼站至后嶼站區(qū)間范圍內(nèi)地層，自上而下依次為雜填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖及強風(fēng)化花崗巖。其中盾構(gòu)下穿行車通道區(qū)段以殘積砂質(zhì)黏性土為主，為簡化計算，數(shù)值模型將土體簡化為殘積砂質(zhì)黏性土單一土層，密度取1.86g/cm3，粘聚力取10.7kPa，內(nèi)摩擦角取23.6°，變形模量取15MPa。

2" 數(shù)值模型建立

2.1" "模型建立

通道-土體-隧道三維數(shù)值模擬計算模型如圖2所示。該模型沿行車通道方向長80m，沿盾構(gòu)掘進方向長60m，土層高度為50m，模型頂面自由，底面設(shè)置為固定約束，四周施加法向約束。

2.2" "材料參數(shù)

2.2.1" "通道管節(jié)及沉降縫

模型中采用三維8節(jié)點實體單元模擬前橫路口地下行車通道，為研究盾構(gòu)不同水平穿越位置工況下對通道結(jié)構(gòu)的影響機制，將通道箱型段劃分為20m長的4個管節(jié)，并利用彈簧單元來模擬相鄰管節(jié)間的連接。通道管節(jié)之間的法向接觸設(shè)置為“硬接觸”，不設(shè)置切向接觸，以保證沉降縫兩側(cè)的傳力特性。行車通道計算參數(shù)如表1所示。

2.2.2" "盾殼及襯砌

橫嶼站至后嶼站區(qū)間隧道盾構(gòu)襯砌采用C50混凝土預(yù)制，其外徑為6.2m，內(nèi)徑為5.5m，環(huán)寬為1.2m，考慮到管片接頭對結(jié)構(gòu)剛度的弱化作用，根據(jù)文獻[5]模型中取剛度折減系數(shù)為0.75，從而將盾構(gòu)襯砌簡化為均質(zhì)圓環(huán)實體單元。襯砌管片及盾殼材料參數(shù)如表2所示。

2.3" "汽車荷載施加

本文通過ABAQUS中的子程序DLOAD實現(xiàn)汽車移動荷載的施加，并采用式（1）模擬汽車荷載[6]：

F（t）=F0+Fd sin（ωt） " " " " " " " （1）

式中F0為汽車靜荷載;Fd為汽車振動荷載的幅值，其計算按公式（2）計算：

Fd=M0·α·ω2" " " " " " " " " " " " " "（2）

式中M0為汽車簧下質(zhì)量;α為幾何不平順矢高，反映了路面不平整度情況;ω為振動圓頻率;v為車速;L為路面幾何曲線波長。

根據(jù)規(guī)范[7]，F(xiàn)0取軸重100kN的BZZ-100標準軸載，根據(jù)文獻[8]，簧下質(zhì)量M0取250kg，幾何不平順矢高α取15mm，面幾何曲線波長L取3m，則汽車以限制速度60km/h通過行車通道時的荷載曲線如圖3所示。

2.4" "工況設(shè)置

共設(shè)置盾構(gòu)與中心沉降縫的水平距離為0、0.25L和0.5L的3組工況，其中L表示通道管節(jié)的長度，此時固定盾構(gòu)與行車通道的凈距為0.5D，各工況下盾構(gòu)與通道的位置關(guān)系如圖4所示。

3" "結(jié)果分析

3.1" "通道管節(jié)接縫處變形分析

3.1.1" "錯臺變形

圖5反映了盾構(gòu)不同水平位置下穿工況中，行車通道各管節(jié)的最終豎向位移及錯臺情況。由圖5可知，除工況1外，各管節(jié)的最終豎向位移不再呈軸對稱分布。當盾構(gòu)中心與沉降縫2的水平距離為0.25L時（工況2），盾構(gòu)施工對管節(jié)1、2、4的影響相對較小，而管節(jié)3左側(cè)在土體卸載作用下發(fā)生顯著沉降，因此該管節(jié)的最終傾斜角較大，同時管節(jié)2與管節(jié)3之間出現(xiàn)明顯的錯臺現(xiàn)象。當盾構(gòu)掘進完成時，管節(jié)1、2間的錯臺量為0.279mm，管節(jié)3、4間的錯臺量為0.205mm，而管節(jié)2、3間的錯臺量達到了6.583mm。

當盾構(gòu)中心與沉降縫2的水平距離為0.5L時（工況3），各管節(jié)并未出現(xiàn)明顯的傾斜現(xiàn)象，盾構(gòu)施工使其正上方的管節(jié)3產(chǎn)生整體向下的豎向位移，而該工況下管節(jié)1、2、4受到的影響同樣較小，因此相鄰管節(jié)在沉降縫2和沉降縫3處的錯臺量較大。當盾構(gòu)掘進完成時，管節(jié)1、2間的錯臺量為0.188mm，管節(jié)2、3間的錯臺量為3.337mm，管節(jié)3、4間的錯臺量為2.276mm。

3.1.2" "張開變形

在工況1至工況3中，行車通道各管節(jié)在接縫處的張開變形情況有所不同，如表3所示。工況2中管節(jié)3與管節(jié)4在頂板處的張開量為1.98mm，而沉降縫2處的相鄰管節(jié)除了1.81mm的張開變形外，還伴隨著明顯的錯臺現(xiàn)象。在工況3中，盾構(gòu)隧道開挖引起管節(jié)在接縫處的變形主要以錯臺為主，各管節(jié)的傾斜角度較小，因此該工況下各管節(jié)間基本沒有發(fā)生張開變形。

3.2" "通道動力響應(yīng)特性分析

為研究盾構(gòu)開挖擾動下汽車荷載引起的通道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性變化規(guī)律，選取管節(jié)底板中心表面動態(tài)響應(yīng)增大的特征點A進行通道動力響應(yīng)特性研究，如圖6所示。

3.2.1" "加速度響應(yīng)分析

汽車移動荷載作用下，工況1中體征點A的加速度時程曲線如圖7所示。除峰值有所不同外，其余工況曲線與之大致相同。工況1至3中特征點的豎向加速度均在汽車輪載經(jīng)過時達到最大值，分別為1.31m/s2、1.65m/s2和1.55m/s2。經(jīng)分析可得，工況2中行車通道在沉降縫2處的相鄰管節(jié)，受盾構(gòu)下穿影響產(chǎn)生的錯臺量最大，管節(jié)2右端與管節(jié)3左端的沉降差為6.583mm，受該位置不平順的影響，A點在汽車荷載作用下的加速度峰值達到1.65m/s2，該值相較于工況1和工況3中的A點加速度峰值分別增大了26.0%和6.5%。由此可見，接縫處特征點在汽車行進時的加速度，隨著通道管節(jié)間錯臺量的增大而增大，即汽車經(jīng)過管節(jié)接縫處時特征點的加速度與通道不平順程度成正相關(guān)。

3.2.2" "動應(yīng)力響應(yīng)分析

盾構(gòu)不同水平穿越位置工況下汽車從駛?cè)氲诫x開模型的過程中，A點的動應(yīng)力時程曲線形態(tài)大致相同（以工況1為例，如圖8所示）。在工況1至3中，A點的豎向動應(yīng)力峰值分別為67.9kPa、71.9kPa和68.6kPa，特征點的動應(yīng)力響應(yīng)在各工況下的變化趨勢，與加速度響應(yīng)規(guī)律基本相同，于此不再贅述，但其變化程度相較于加速度響應(yīng)并不顯著。

3.2.3" "動位移響應(yīng)分析

表4為各工況附加動位移時程曲線的峰值。若以正負動位移的差值表示振動幅度，則工況2中A點的振幅最小。這是由于在工況2中，管節(jié)3左端沉降量大于其余工況，下方土體受管節(jié)沉降的擠壓作用而變得更為密實。且此時A點距離盾構(gòu)距離較近，由于同步注漿漿液硬化，A點下方土體剛度變大，所以在汽車荷載作用時，工況2中A點的振動幅度最小。由此可見，當動力響應(yīng)特征點處管節(jié)的沉降量增大時，該點在汽車荷載作用下的振動幅度減小。

4" "結(jié)論

通過有限元軟件ABAQUS模擬了盾構(gòu)以不同水平位置下穿行車通道的多組工況，分析了通道管節(jié)的沉降、接縫處的變形，以及汽車荷載作用下的動力響應(yīng)特性。得到以下結(jié)論：

當盾構(gòu)從沉降縫正下方穿越時，行車通道相鄰管節(jié)間以張開變形為主;而當下穿位置不處于沉降縫正下方時，相鄰管節(jié)之間將產(chǎn)生較明顯的錯臺變形;當盾構(gòu)從通道管節(jié)正下方穿越時，該管節(jié)將產(chǎn)生整體沉降，兩端的錯臺量基本相同。

盾構(gòu)不同水平穿越位置下行車通道在汽車荷載作用下的加速度、動應(yīng)力及動位移時程曲線分別趨于一致，均在車輛輪載經(jīng)過特征點時達到峰值。在汽車荷載作用下，接縫處特征點的加速度、動應(yīng)力隨著通道管節(jié)間錯臺量的增大而增大，即汽車經(jīng)過管節(jié)接縫處時特征點的加速度、動應(yīng)力與通道不平順程度成正相關(guān)，且相較于動應(yīng)力響應(yīng)，加速度響應(yīng)的變化更為顯著。當動力響應(yīng)特征點處管節(jié)的沉降量增大時，該點在汽車荷載作用下的振動幅度減小。

參考文獻

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