地鐵雙線盾構下穿對既有雨水箱涵的影響分析＊

高強，薛曉磊，劉帥兵，張譽，秦錫

（中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

隨著中國軌道交通建設的快速發展，地鐵隧道的數量與規模日益增長，盾構施工不可避免將對土體產生擾動，施工中參數的控制是盾構研究的重要內容。數值模擬方法相對于現場試驗及模型試驗，具有便捷、經濟的優點，成為盾構施工研究的主要方法。

針對盾構雙隧道施工對既有結構的影響，國內外學者開展了如下研究。張海鯤等[1]研究了盾構施工對既有地下管線的影響，分析了隧道盾構施工過程中的管線力學行為變化；盛艷軍[2]通過對復合地層地鐵盾構隧道下穿多棟建筑物沉降的監測與分析，分析了建筑物沉降的歷時變化及建筑物沉降規律；黃林江等[3]對不同工況下基坑周圍建筑物傾斜量變化進行模擬仿真分析，總結了基坑開挖對周圍建筑物的影響；張慶飛等[4]總結了盾構下穿鐵路的不同工況，對盾構下穿既有運營鐵路問題提出了若干建議；鐘晟[5]對盾構掘進施工穿越公路箱涵的全過程進行數值模擬，結合現場監測數據及數值計算結果，分析了盾構掘進對既有箱涵結構的擾動影響、橫斷面沉降、縱斷面動態沉降變化規律；高利宏[6]分析了新建左、右線依次穿越過程中既有雙線隧道沉降變形的規律，對隧道開挖階段土體穩定性進行了研究。目前，大多數研究主要涉及盾構下穿管線及公路、鐵路箱涵，對于盾構下穿鐵路箱涵施工研究較少。

基于此，以鄭州市軌道交通7 號線盾構下穿磚混雨水箱涵為工程背景，利用有限元方法對盾構雙隧道下穿磚混雨水箱涵進行了數值模擬，得到了盾構掘進對雨水箱涵結構變形及地表沉降的規律，以期為城市盾構下穿雨水箱涵等風險源提供可靠的參考依據和工程實例。

1 工程概況

鄭州市軌道交通7 號線一期工程北起惠濟區東趙北，南止于二七區南部大學路與規劃豫一路路口，工程全長約26.81 km，均為地下線。采用盾構法施工，隧道橫斷面為圓形，選用鋼筋混凝土管片襯砌，混凝土等級為C50，每環管片外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，厚度為0.35 m，長度為1.5 m。根據工程地質勘察報告，擬建場區地層自上而下分布情況為雜填土、黏質粉土、粉砂、粉質黏土。磚混雨水箱涵與區間位置關系如圖1所示。

圖1 磚混雨水箱涵與區間位置關系圖

區間隧道在里程左DK15+712.821（右DK15+725.638）處下穿雨水箱涵（1 000 mm×1 000 mm），管線與隧道最小垂直凈距12.63 m，施工場地平面圖如圖2 所示。其中左側線路為直線，該區段隧道最小埋深為14.782 m，線路縱坡26.4‰；右側線路為弧線，線路曲率半徑為450 m，線路縱坡26.0‰，最小覆土深度為14.93 m，左右線路水平凈距為33.68 m。

圖2 鄭州市軌道交通7 號線一期工程施工場地平面圖

2 有限元模型及參數

2.1 計算模型

為預測下穿施工過程中既有結構及地表的變形規律和量值，尋找和發現施工變形的關鍵控制工況，并為下穿施工過程既有結構及地表變形控制標準的制定提供理論基礎，研究中采用有限元方法進行數值模擬計算。建立三維地質力學模型，對下穿施工過程進行了數值模擬。模型邊界處的應力不應受到隧道開挖的影響，建議垂直邊界距隧道中心線的距離應大于（4～5）D，底部邊界到隧道中心線的距離應大于（2～3）D，其中D為隧道直徑。

根據實際工程情況可知，模型尺寸如下：長度取100 m，寬度取100 m，高度取40 m。計算模型中隧道結構采用板單元模擬，土體采用實體單元模擬。具體模型如圖3 所示。除地表設置為自由面外，其他各垂直邊界設置法向位移約束，底部邊界設置完全約束。地層采用摩爾-庫倫本構模型，砌體人防采用砌體本構模型，隧道管片采用彈性本構模型。

圖3 有限元模型示意圖

砌體模型是一種線性彈塑性模型，旨在模擬無筋砌體結構的宏觀各向異性響應。在該模型中，庫倫準則用于模擬預定義方向上的破壞，而整體摩爾-庫倫準則用于表示砌塊的破壞，其本構關系考慮了介質的方向特性和庫倫破壞準則適用的3 個最大破壞面的方向。事實上原始節理巖石模型已經解釋了砌體力學行為的關鍵特征之一，即屈服時的各向異性。然而，由于砌塊與砂漿之間的“自鎖效應”，它并沒有考慮到載荷下磚砌體的強度增強效應（即當砌塊水平放置時，沿頭部接縫的拉伸和剪切強度因受到底部接縫增加的垂直應力狀態的貢獻而增強）。PLAXⅠS 3D 砌體本構模型通過砌塊的尺寸比來定義強度增強系數SFbeta，從而模擬磚砌體隨深度增加而增加的拉伸和剪切強度。

式中：φ2為水平方向上內摩擦角的數值；b為磚塊寬度的數值；a為磚塊高度的數值。

2.2 計算參數

因盾構隧道施工采用管片作為襯砌，環內、環間螺栓的存在降低了管片結構的整體強度與剛度，因此，在原C50 管片結構物理參數的基礎上乘以系數0.85 進行折減。各土層及管片的物理力學參數如表1、表2、表3 所示。

表1 地層物理力學參數

表2 板單元物理力學參數

表3 砌體人防物理力學參數

3 計算結果分析

3.1 地表沉降

圖4、圖5 為地鐵7 號線盾構隧道右線、左線開挖完成后的地層沉降三維云圖。圖6 為既有磚混雨水箱涵地表面A—A'截面（圖3）沉降曲線。可以看出：右線隧道斜穿開挖完成后，在磚混雨水箱涵與右線曲線隧道交界處地表有最大沉降，最大沉降值為3.35 mm；在雨水箱涵右側末端地表伴隨著輕微隆起，最大隆起值達0.16 mm；隨著左線隧道開挖完成，磚混雨水箱涵與右線隧道交界處地表面最大地表沉降值為3.41 mm，較右線開挖完成時增加了1.79%，右側隆起值繼續增長，最大隆起值達0.76 mm，較右線開挖完成時增加了375%。

圖4 右線開挖完成后地表沉降三維云圖

圖5 左線開挖完成后地表沉降三維云圖

圖6 雨水箱涵地表面A—A′截面沉降曲線

3.2 地表水平位移

圖7 為地鐵7 號線盾構隧道右線、左線相繼開挖完成后地層水平位移云圖。圖8 為既有磚混雨水箱涵地表面A—A'截面（圖3）水平位移曲線。可以看出：右線隧道斜穿開挖完成后，在隧道軸線兩側地表水平位移方向相反，左側地表水平位移最大值為0.96 mm，右側較遠處水平位移最大值達1.21 mm；隨著左線隧道開挖完成，右線隧道左側水平位移最大值為1.15 mm，較右線開挖完成時增加了17.8%，此時在右線隧道曲線內側（右側）地表水平位移方向相同，最大水平位移出現在雙隧道軸線之間，最大水平位移值為1.09 mm，較右線開挖完成時減小了9.92%。

圖7 地層水平位移云圖

圖8 雨水箱涵地表面A—A′截面水平位移曲線

3.3 雨水箱涵位移

圖9 為雙隧道施工完成后既有磚混雨水箱涵豎向位移云圖。可以看出：箱涵變形趨勢與A—A'截面地表變形趨勢相同，最大豎向位移位于右線軸線上方，最大位移值達3.51 mm，最大隆起值達0.83 mm。

圖9 雨水箱涵豎向位移云圖

圖10為雙隧道施工完成后既有磚混雨水箱涵水平位移云圖。箱涵水平位移在2 條隧道軸線上方位移方向相反，在右線隧道左側最大水平位移值為0.96 mm，右側水平位移最大值位于雙隧道軸線之間，并偏向右線隧道曲線內側，最大水平位移值達0.87 mm。

圖10 雨水箱涵水平位移云圖

圖11 為雙隧道開挖完成后既有磚混雨水箱涵軸向應變云圖。與變形云圖相似，在右線隧道軸線上方雨水箱涵交界處箱涵應變最大值達0.14×10-3。

圖11 雨水箱涵軸向應變云圖

4 結論

通過三維有限元對鄭州市軌道交通7 號線盾構雙隧道下穿既有雨水箱涵進行分析，研究盾構隧道相繼開挖對既有雨水箱涵的影響，結合前人的研究成果，得到以下結論：①盾構隧道施工使地表產生不均勻沉降，第一條隧道軸線地表有較大位移，第二條隧道施工使得地表沉降略微增大。在首條隧道軸線與既有箱涵交界處地表沉降值最大，在箱涵另一側末端地表會輕微隆起。②地表水平位移在隧道軸線兩側方向相反，最大水平位移發生在首條隧道左側；雙隧道開挖完成后最大水平位移位于雙隧道軸線之間，且偏向首條隧道。③雨水箱涵位移變化規律與其上地表土體位移規律相似，在首條隧道與箱涵交界處沉降值最大；第二條隧道開挖會使得箱涵整體位移值增大，但幅值較小。