系梁施工對既有盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值模擬

【中圖分類號】：U455 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-14-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.004

Numerical Simulation of the Influence of Tie Beam Construction on Existing Shield Tunnel

CHEN Yaqi

（CCCC Second Highway Consultants Co.Ltd.，Wuhan 430056，China）

【Abstract】：Inorder tostudytheimpactofconstructionloadsonexistingshieldtunneld，thisstudytakestheconstruction of the tie beamattherailway-related pilelocation in ContractSectionA1of thefirstphase projectof Fuzhou Binhai New City Expressway as acase.The finite element software midas GTS NX was employed for numerical simulation，aiming to analyze the additional stress imposed on the shalow-buried existing shield tunnel and the consequent lining displacement during the tie beam construction process.Based on the simulation results， anassessment was made todetermine whether the tie beam construction scheme complies with relevant specifications，thereby ensuring the safe operation of the existing tunnel.

【Keywords】：tie beam;constructionload;shield tunnel

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推進(jìn)，新建構(gòu)筑物不可避免與既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交叉，新建工程施工對既有建筑影響的評估對于既有構(gòu)筑物安全運營至關(guān)重要。關(guān)國輕采用簡化的非連續(xù)模型數(shù)值模擬方法研究既有盾構(gòu)隧道在樁基施工與承載階段所受的影響。蘇稚寅等2研究上海北橫通道工程V標(biāo)段 15.5m 超大直徑盾構(gòu)隧道施工得出，施工過程中既有樁基、地層和盾構(gòu)穿越表現(xiàn)出顯著的相互作用影響。肖飛分析了盾構(gòu)隧道下穿施工對既有鐵路的影響，并評估了“門式隔離樁 + 地層注漿”方案的加固效果。

本文以福州市濱海新城高速公路一期工程A1合同段涉鐵樁位置系梁施工為研究背景，使用midasGTSNX有限元軟件，對淺埋既有盾構(gòu)隧道處地面系梁施工進(jìn)行數(shù)值模擬，計算施工對盾構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載值及在系梁施工時盾構(gòu)結(jié)構(gòu)及周邊土體的位移變形，評估施工方案對既有隧道運營安全的影響。

1工程概況

濱海新城高速公路一期工程A1合同段起于福州市長樂區(qū)鶴上鎮(zhèn)北山村，與鶴上收費站出口匝道形成鶴上北山互通，接規(guī)劃福州濱海高速二期終點。高架跨越峽漳線，沿地鐵6號線走廊帶下穿福州繞城高速，終于上余村，順接澤竹互通連接線。路線起止里程K3+079～K6+426 ，全長 3.35km ，全寬 33.5m ，設(shè)計車速 80km/h ，雙向6車道，包括H匝道 538.4m，A 匝道289.8m，B 匝道 685.7m 、主線橋 394.7m 、蓮柄港中橋60m 、南洋西河大橋 150m 、1*旱橋 276.4m.2^# 旱橋80m，3^* 旱橋 323m 、4旱橋 336m 。

3^# 旱橋 3^# 系梁底標(biāo)高在地面以下，系梁施工時樁基尚未承載，系梁自重由地面承載。系梁高 2.5m ，長35.5m ，寬 1.7m ，間距 16m ，涉地鐵位置盾構(gòu)隧道覆土厚度約 6m 。見圖1-圖2和表1。

2系梁施工隧道對既有盾構(gòu)隧道影響

采用midasGTSNX有限元軟件建模，計算盾構(gòu)結(jié)構(gòu)形變及在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值。既有盾構(gòu)隧道埋深約 6m ，盾構(gòu)隧道襯砌厚度 35cm 。整體3D計算模型尺寸設(shè)置為 100m×16m×60m 。見圖3。

1）土體初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力，不計算溫度和構(gòu)造應(yīng)力的影響；

各層土體均為各向同性，計算模型遵循以下假設(shè)：

2）盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)為線彈性材料;

3）隧道結(jié)構(gòu)和土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則，

計算模型中土體采用實體單元，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則；盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元，理想彈性單元。頂面自由邊界，其他面均采取法向約束。除各單元自重外，考慮系梁施工期間基樁尚未承載系梁自重，將系梁的自重視作 2m 高混凝土堆載，將相應(yīng)數(shù)值的分布荷載加載于系梁布設(shè)位置。

2.1附加荷載計算結(jié)果

盾構(gòu)拱頂位置為附加荷載值最大位置。以左線隧道拱頂一維單元結(jié)果圖為比對基準(zhǔn)線，以初始應(yīng)力狀態(tài)與系梁堆載后拱頂處土體應(yīng)力之差作為附加應(yīng)力值。襯砌結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力最大值 160kPa ，最小值為145kPa ；堆載后應(yīng)力最大值 172kPa ，最小值為152kPa。系梁堆載在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的附加荷載約12kPa。見圖4。

2.2既有盾構(gòu)隧道位移計算結(jié)果

模型中，通過設(shè)定施工階段，將初始應(yīng)力狀態(tài)位移清零，設(shè)定好模型初始應(yīng)力狀態(tài)，在施加系梁施工時產(chǎn)生的混凝土堆載面荷載后，可以模擬計算得出系梁堆載導(dǎo)致盾構(gòu)位移值。模型整體變形最大值出現(xiàn)在地表，為 47mm ，土體變形隨著土層深度變大減小，地表沉降為各土層變形累積值；盾構(gòu)結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為 19.6mm ，隨土體整體下沉，襯砌結(jié)構(gòu)本身并無明顯變形。見圖5和圖6。

3結(jié)論及建議

系梁施工在襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載值為12kPa，小于CJJ/T202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的 20kPa 控制指標(biāo)值。

襯砌結(jié)構(gòu)隨著土體整體沉降產(chǎn)生較大的豎向位移，超過了CJJ/T202—2013規(guī)定的城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制預(yù)警值 10mm ，接近控制值 20mm 。說明直接進(jìn)行整段的系梁混凝土澆筑施工作業(yè)有可能會造成既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大的豎向位移，影響既有盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，危及既有隧道的安全運營。由于加固已投入運營的既有隧道周邊土體可能性較小，但加固系梁周邊土體或分散荷載應(yīng)該是有效減少土體沉降的方式；通過改變施工方案，盡早使基樁承載系梁荷載是更為簡便和行之有效的處理方案：一方面可以直接采用鋼模板與基樁剛接，使系梁混凝土荷載通過模板傳遞到樁基上；另一方面，可以澆筑系梁混凝土，在系梁下層混凝土終凝后，基樁承載系梁荷載后再施工上層系梁混凝土。

參考文獻(xiàn)：

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[2]蘇稚寅，謝家沖，王子怡.淺埋超大直徑盾構(gòu)近穿既有高架樁基的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2024，24（24）：10439-10448.

[3]肖飛.新建盾構(gòu)隧道下穿施工對既有鐵路影響分析[J].城市軌道交通，2024，27（12）：201-205.