盾構近接施工對箱涵的影響分析與控制

吳華州，郭易東，蔡志勇，李興高

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089； 3.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

目前盾構法廣泛地應用到我國地鐵建設中[1-3]，由于城市環境復雜，并且隨著我國城市軌道交通系統的日益完善，地鐵隧道修建時常出現下穿建構筑物的情況。盾構隧道在施工過程中會破壞原有地層的力學平衡，從而引起箱涵產生不均勻沉降和附加應力，嚴重情況下會導致箱涵發生破壞產生裂縫從而出現漏水等情況，故需要嚴格控制盾構隧道施工對箱涵結構的影響。李濤等[4]通過數值計算分析了盾構隧道施工順序對鐵路箱涵結構變形的影響規律。王國富等[5]利用FLAC3D軟件分析了盾構下穿施工引起的橋涵結構變形和應力特征。陳曉偉等[6]通過數值模擬分析了北京某地鐵區間下穿鐵路箱涵時的注漿加固效果。朱垚鋒等[7]通過現場實測和數值模擬相結合的手段分析了淤泥地層中盾構隧道施工引起鄰近箱涵的變形規律。周紹賓等[8]通過Midas GTS有限元軟件分析了盾構施工對排水箱涵結構變形的影響規律，并提出了既有構筑物變形的有效控制措施。鐘晟[9]針對長沙地鐵1號線某盾構下穿公路箱涵工程，結合數值模擬和現場實測，分析了盾構下穿施工對箱涵結構的擾動規律。本文以北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區間盾構隧道下穿農展館南路箱涵工程為依托，通過數值模擬和現場監測相結合的方法，分析了盾構隧道施工對農展館南路箱涵的影響及相應的保護措施。

1 工程概況

北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站盾構區間在里程YK35+466.623～YK35+487.932范圍內下穿農展館南路箱涵，區間隧道與農展館南路箱涵平面位置關系及測點布置如圖1所示，該箱涵為鋼筋混凝土結構，主要用作兩湖聯通渠通道，長70 m，寬21.20 m，高5.46 m，底板標高為30.94 m，箱涵內常水位標高為33.20 m，區間距離箱涵底板最近豎向距離為13.092 m，如圖2所示，為一級風險源。該工程中左線隧道為先行線，待左線隧道施工完畢后再進行右線隧道施工。

根據工程設計文件要求，農展館南路箱涵監測項目控制標準如下：

1)箱涵基礎縱向不均勻沉降控制值為5 mm/5 m，底板縱向傾斜度小于1/1 000。

2)箱涵基礎底板橫向不均勻沉降控制值為5 mm。

3)箱涵整體均勻沉降控制值為10 mm。

4)箱涵側墻傾斜度不大于1/1 000。

2 數值計算分析

2.1 模型建立

使用FLAC3D對所建立的模型進行了分析，主要研究盾構下穿農展館南路箱涵時對箱涵的影響及相應的保護措施。本模型所有單元均采用實體單元，地層采用服從Mohr-Coulomb強度準則的彈塑性本構模型，管片、盾殼、同步注漿、二次補漿及箱涵均采用彈性模型。計算模型如圖3所示，模型x方向長110 m，y方向長60 m，z方向長50 m，盾構掘進方向每環取1.2 m，模型單元總數為53 715，節點總數為72 744。

盾構下穿農展館南路箱涵時，在離盾尾7環處從洞內采用徑向注漿加固盾構隧道周圍土體，加固范圍為拱頂部分注漿深度3 m，仰拱部分注漿深度1 m，注漿擴散半徑為0.5 m，縱向注漿范圍取盾構掌子面距箱涵前后各1倍洞徑。為了研究盾構下穿農展館南路箱涵時二次補漿的作用效果，分別設置了無二次補漿和有二次補漿兩種工況，箱涵內水的自重通過施加均布力在箱涵內來模擬。模型計算中所選取的參數見表1。

表1 模型計算參數取值

2.2 模型計算過程

本文采用Midas GTS NX軟件建立模型并劃分網格，將網格導入有限差分軟件FLAC3D中進行計算，盾構機掘進模型示意圖如圖4所示。

盾構掘進模型參照施工中所使用的土壓平衡盾構機，盾殼外徑為6.5 m，鋼筋混凝土管片外徑為6.4 m，內徑為5.8 m，環寬1.2 m，二次補漿外徑為8.5 m。該模型可對盾構施工過程進行模擬，各掘進過程的模擬方法[10]：土艙壓力通過施加壓力在盾構機前方土體上來模擬；盾構機切削土體通過賦予土體空單元來模擬；當切削土體后激活盾殼單元來模擬盾構機掘進，其中盾殼長度取7環管片寬度；當盾構機的掘進距離達到7環管片寬度以后通過激活管片單元來模擬拼裝管片；通過改變盾殼單元的材料參數來模擬同步注漿；在盾構下穿箱涵時通過激活二次補漿單元來模擬二次補漿。

2.3 計算結果分析

通過數值計算得到了兩種工況下箱涵結構沉降云圖如圖5所示，左右線施工結束后兩種工況下計算結果對比如圖6所示。

圖6分析可得，在工況一沒有進行二次補漿的沉降數據中，箱涵西側的最大沉降為11.2 mm發生在測點JGC-02-14處，平均沉降為7.3 mm，縱向最大不均勻沉降為8.4 mm；箱涵東側的最大沉降為11.4 mm發生在測點JGC-02-15處，平均沉降為7.5 mm，縱向最大不均勻沉降為8.7 mm。在工況二進行二次補漿的沉降數據中，箱涵西側的最大沉降為4.3 mm發生在測點JGC-02-14處，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.1 mm；箱涵東側的最大沉降為4.4 mm發生在測點JGC-02-15處，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.2 mm。盾構掘進通過及時二次補漿可以將箱涵的平均沉降由7.3 mm減少為2.9 mm，平均沉降減少了60%，縱向最大不均勻沉降由8.7 mm減少為3.1 mm，最大不均勻沉降減少了64%，故及時進行二次補漿可以有效減少盾構掘進時對箱涵結構的影響。

針對工況二數值模擬結果進行具體分析，箱涵各測點沉降曲線如圖7～圖10所示。

由圖7分析可得，對于箱涵西側測點，左線盾構隧道施工引起的箱涵最大沉降為2.2 mm出現在測點JGC-02-10處，平均沉降為1.3 mm，縱向最大不均勻沉降為2.1 mm；右線隧道施工導致箱涵最大沉降點右移，最大沉降增加到4.3 mm出現在測點JGC-02-14，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.1 mm。

由圖8分析可得，對于箱涵東側測點，左線盾構隧道施工引起的箱涵最大沉降為2.3 mm出現在測點JGC-02-13處，平均沉降為1.3 mm，縱向最大不均勻沉降為2.2 mm；右線隧道施工導致箱涵最大沉降點右移，最大沉降增加到4.5 mm出現在測點JGC-02-15，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.3 mm。

由圖9分析可得，對于箱涵北側測點，左線盾構隧道施工引起的箱涵最大沉降為0.11 mm出現在測點JGC-02-03處，平均沉降為0.09 mm，橫向最大不均勻沉降為0.02 mm；右線隧道施工導致箱涵最大沉降增加到1.32 mm出現在測點JGC-02-03，平均沉降1.26 mm，橫向最大不均勻沉降為0.12 mm。

由圖10分析可得，對于箱涵南側測點，左線盾構隧道施工引起的箱涵最大沉降為1.20 mm出現在測點JGC-02-26處，平均沉降為1.09 mm，橫向最大不均勻沉降為0.22 mm；右線隧道施工導致箱涵最大沉降增加到1.46 mm出現在測點JGC-02-26，平均沉降為1.31 mm，橫向最大不均勻沉降為0.30 mm。

箱涵側墻水平位移如圖11所示，側墻傾斜度為1/136 500。

由上面分析可知，盾構掘進過程中及時進行二次補漿的情況下，箱涵縱向不均勻沉降為3.3 mm，底板縱向傾斜度為33/350 000小于1/1 000，橫向不均勻沉降為0.3 mm小于5 mm，整體均勻沉降為2.9 mm小于10 mm，側墻傾斜度為1/136 500小于1/1 000，故盾構掘進下穿箱涵時對箱涵的影響滿足要求。盾構隧道開挖時會導致土體體積損失，引起周圍土體的有效應力增加，最終導致土體結構發生破壞而產生位移，從而引起箱涵的不均勻沉降，所以在盾構施工過程中及時進行二次補漿可有效減小隧道開挖對箱涵結構的影響。

2.4 數值模擬與實測數據對比

目前由于該工程正在施工左線隧道，右線隧道還沒有開始施工，在左線盾構施工通過箱涵后分別針對箱涵東側測點JGC-02-01,JGC-02-04,JGC-02-06,JGC-02-08,JGC-02-10,JGC-02-12,JGC-02-14,JGC-02-16,JGC-02-18,JGC-02-20,JGC-02-22,JGC-02-24,JGC-02-26，箱涵西側測點JGC-02-03,JGC-02-05,JGC-02-07,JGC-02-09,JGC-02-11,JGC-02-13,JGC-02-15,JGC-02-17,JGC-02-19,JGC-02-21,JGC-02-23,JGC-02-25,JGC-02-28進行分析，工況二進行二次補漿情況下數值模擬沉降與實測沉降對比如圖12所示。

分析圖12可得，在左線盾構施工通過箱涵后，箱涵東西兩側測點的數值模擬數據與實測數據的沉降趨勢基本一致。箱涵西側測點最大沉降均出現在監測點JGC-02-10處，實測數據的最大沉降為2.4 mm，平均沉降為1.2 mm，工況二進行二次補漿情況下的最大沉降為2.2 mm，平均沉降為1.3 mm，實測數據的平均沉降與工況二進行二次補漿情況下數值模擬數據的平均沉降相差不大，誤差率為7.7%。箱涵東側測點最大沉降均出現在監測點JGC-02-11處，實測數據的最大沉降為2.8 mm，平均沉降為1.4 mm，工況二進行二次補漿下的最大沉降為2.4 mm，平均沉降為1.3 mm，實測數據的平均沉降與工況二進行二次補漿情況下數值模擬數據的平均沉降相差不大，誤差率為7.1%。由沉降曲線可知，現場監測數據沉降曲線與工況二注漿情況下數值模擬計算結果曲線比較吻合，計算結果能夠較好的反映實際工程情況。

3 結論

本文針對北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區間盾構隧道下穿農展館南路箱涵工程進行了數值模擬分析，并通過現場實測數據驗證了數值模擬結果的合理性，得到如下結論：1)盾構下穿農展館南路箱涵時通過及時二次補漿可以將箱涵的平均沉降由7.3 mm減少為2.9 mm，減少了60%，縱向最大不均勻沉降由8.7 mm減少為3.1 mm，減少了64%。2)盾構施工過程中，后開挖隧道對箱涵結構沉降變形的影響大于先開挖隧道。3)盾構 掘進過程中及時進行二次補漿的情況下，箱涵縱向不均勻沉降為3.3 mm，底板縱向傾斜度為33/350 000，橫向不均勻沉降為0.3 mm，整體均勻沉降為2.9 mm，側墻傾斜度為1/136 500，都小于相應的控制指標。