常 瑩,朱靈圣

(1.上海隧道工程股份有限公司,上海市200082;2.上海大學(xué),上海市200436)

0 前言

盾構(gòu)隧道技術(shù)已成為近年來(lái)城市地下工程施工對(duì)周圍地層擾動(dòng)最小的施工方法之一。但由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制，盾構(gòu)法隧道上方一定范圍內(nèi)，尚難完全防止地表沉陷，特別在飽和含水松軟的土層中，須采取復(fù)雜的技術(shù)措施，才能把沉陷控制在很小的范圍內(nèi)。

當(dāng)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞時(shí)，導(dǎo)致地面塌陷或造成過(guò)大的地面沉降，將對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生較大破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在軟土地層中，由于地層擾動(dòng)而造成隧道周圍地層變形導(dǎo)致地表沉降的現(xiàn)象尤為顯著。同時(shí)，地表沉降是盾構(gòu)施工過(guò)程中最大的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重的地層下沉?xí)?duì)周邊建、構(gòu)筑物造成危害。

由于隧道施工引起的地表沉降影響因素很多，應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法無(wú)法反映眾多因素的綜合影響。目前，預(yù)測(cè)地表沉降常用的數(shù)值計(jì)算方法主要有有限單元法(FEM)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散元法(DEM)和剛性有限元法(RFEM)等。

近幾十年來(lái)，有限單元法發(fā)展迅速，商業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)進(jìn)一步促進(jìn)了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，例如 FLAC、ABAQUS、ANSYS、ADINA 等。這些方法具備考慮多種空間因素，可描述材料物理非線性和幾何非線性等能力和特點(diǎn)。此外，還可以考慮復(fù)雜的邊界條件，能夠模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)的特性，動(dòng)態(tài)模擬工程的實(shí)際建造過(guò)程，有能力實(shí)現(xiàn)求解復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

1 FLAC3D簡(jiǎn)介

連續(xù)介質(zhì)三維快速拉格朗日有限差分有限元計(jì)算方法(FLAC3D)是近20 a來(lái)逐步成熟完善起來(lái)的一種新型數(shù)值分析方法，它基于顯式差分法來(lái)求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程，可模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。FLAC3D可以解決諸多的有限元程序難以模擬的復(fù)雜的工程問(wèn)題，例如分布開(kāi)挖、大變形、非線性及非穩(wěn)定系統(tǒng)。

FLAC3D程序適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問(wèn)題求解。在求解過(guò)程中，F(xiàn)LAC3D采用了離散元的動(dòng)態(tài)松弛法，不需要求解大型聯(lián)立方程組（剛度矩陣）。同時(shí)，同以往的差分分析方法相比，F(xiàn)LAC3D不但可以對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，而且能模擬巖體沿某一弱面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形，F(xiàn)LAC3D可在計(jì)算模型中針對(duì)不同的材料特性，使用相應(yīng)的方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為。

相對(duì)于其它的有限元方法，采用“混合離散法”的FLAC3D在模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)時(shí)，比通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確。此外，其所采用的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，使得在模擬物理上的不穩(wěn)定過(guò)程不存在數(shù)值上的障礙。更為有效的是，其采用顯式計(jì)算法，對(duì)非線性的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行求解，計(jì)算效率更高。

在土木工程相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用中，F(xiàn)LAC3D能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，還可以考慮錨桿、擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用。

基于FLAC3D的強(qiáng)大功能，本文詳細(xì)模擬了隧道開(kāi)挖施工過(guò)程。

2 工程概況

（1）上海軌道交通7號(hào)線5標(biāo)（新村路-銅川路-中山北路站區(qū)間隧道），采用φ6 340 mm的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，主要沿嵐皋路、鎮(zhèn)坪路推進(jìn)。在中山北路、鎮(zhèn)坪路路口處，盾構(gòu)將穿越φ3 500 mm污水總管（鋼筋混凝土預(yù)制管，結(jié)構(gòu)厚度33 cm，管節(jié)長(zhǎng)3 m），下行線還將遇到中山北路高架B32橋墩下準(zhǔn)備廢棄的1根鉆孔灌注樁。污水總管與隧道相交位置處的地面標(biāo)高為+3.15 m，隧道中心標(biāo)高約為-12.37 m，上行線的94-98環(huán)、下行線的99-103環(huán)穿越總管，隧道頂部與總管底部的凈距為2.9 m，如圖1所示。

（2）隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，通縫拼裝。襯砌環(huán)全環(huán)由小封頂（F）、2塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B）、2塊鄰接塊（L）及1塊大封底塊（D）共6塊管片構(gòu)成，環(huán)寬1 200 mm。管片強(qiáng)度等級(jí)為C55、抗?jié)B等級(jí)為1.0 MPa。管片環(huán)與環(huán)之間用17根M30的縱向螺栓相連接，每環(huán)管片塊與塊間以12根M30的環(huán)向螺栓連接。

（3）工程地質(zhì)情況如表1所列。

3 數(shù)值模擬研究與現(xiàn)場(chǎng)施工比對(duì)

3.1 模型建立

計(jì)算模型的X正方向?yàn)檠厮淼垒S向，長(zhǎng)度取40 m；Y方向?yàn)槲鬯艿雷呦?，考慮消除計(jì)算結(jié)果中的邊界效應(yīng)的影響，Y向分析總長(zhǎng)度取50 m；Z軸正方向?yàn)榇怪狈较蛳蛏?，取?0 m，模型上邊界為地表，整個(gè)模型大小為：X×Y×Z=40 m×50 m×30 m，共劃分網(wǎng)格單元485 750個(gè)，節(jié)點(diǎn)500 084個(gè)。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

3.2 邊界條件及初始地應(yīng)力

模型周邊是自由邊界法向固定，底面約束3方向的自由度，頂面為自由表面。綜合考慮公路荷載和地表建筑物的自重，頂面施加地面超載20 kN，垂直方向地層應(yīng)力僅考慮土層自重，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，初始水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)X、Z方向均取為0.5。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1模型位移分析

從模型位移中分析得出，兩條隧道的中心發(fā)生了最大沉降，沉降值達(dá)到36 mm，污水管道上方土體由于污水管的影響，沉降值較小，沉降范圍也小，同時(shí)，樁基的存在也減小了土層位移。隧道兩旁的樁發(fā)生了不均勻沉降，樁基的最大沉降發(fā)生在上部，最大值為1.37 mm，樁基的底部幾乎不發(fā)生垂直位移?？偟膩?lái)說(shuō)，垂直位移對(duì)樁基的影響不是很大。污水管道位于隧道正上方的部分受開(kāi)挖影響最大，最大沉降達(dá)25 mm，越向兩邊沉降越小，在隧道開(kāi)挖的影響范圍之外，污水管的沉降幾乎為零，這說(shuō)明，地鐵隧道與管道垂直相交的情況下，管道的差異沉降最大。

盾構(gòu)推進(jìn)也使地表發(fā)生了水平位移，隧道中心線周圍的土體都向隧道中心移動(dòng)，隧道中心線上方的土體水平位移幾乎為零，向兩邊發(fā)展逐漸增大，到距離隧道中心線一定距離發(fā)展到最大，然后再慢慢減小。樁和污水管道的存在，影響了地表水平位移的均勻分布。

表1 地質(zhì)巖性表

盾構(gòu)推進(jìn)引起樁的水平位移，樁頂?shù)淖畲笏轿灰茷? mm，因?yàn)闃毒o挨隧道，所以該工程盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)樁水平位移的影響遠(yuǎn)大于垂直位移。

3.3.1.1實(shí)際施工數(shù)據(jù)分析

（1）垂直位移：

在實(shí)際施工過(guò)程中，有兩臺(tái)盾構(gòu)從南至北先后斜穿南北走向的ф3 500 mm合流污水管。穿越期間上行線最大變形量為+8.35 mm，下行線穿越期間最大變形量為+9.23 mm。通過(guò)盾構(gòu)穿越期間采用的各項(xiàng)措施及后期補(bǔ)充注漿，在對(duì)直接布設(shè)在ф3 500 mm合流污水管上的5個(gè)深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)（GD1-GD5，按ф3 500 mm合流污水管走向布設(shè)，兩點(diǎn)之間間隔約5 m）四個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測(cè)，單天沉降小于-0.05 mm，趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的比較，其中GD1(位于最左側(cè))遭到破壞無(wú)法實(shí)際反映真實(shí)數(shù)據(jù)；GD3的累計(jì)垂直變化量最大為-8.33 mm，該位置位于兩條隧道中心位置；而GD2(隧道左線中心)累計(jì)變化量為-5.98 mm；GD4(隧道右線中心)累計(jì)變化量為-6.03 mm；而隧道最右點(diǎn)GD5累計(jì)變化量為+0.53。于模型估計(jì)沉降趨勢(shì)相近，但實(shí)際變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型計(jì)算量，對(duì)與周邊高架樁基礎(chǔ)的影響其中最大點(diǎn)累計(jì)變形為2.34 mm，該樁基礎(chǔ)位置主要位于隧道距離5 m。由于盾構(gòu)穿越位置對(duì)于高架樁基為側(cè)面，幾乎沒(méi)有影響。而不在穿越影響范圍內(nèi)的污水管路累計(jì)變形為+0.23 mm，-0.37 mm基本沒(méi)有變化。

（2）水平位移：

在穿越ф3 500 mm合流污水管范圍內(nèi)南北方向布設(shè)了兩個(gè)地表水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)這兩個(gè)點(diǎn)可以得出盾構(gòu)對(duì)于周邊土體水平位移的影響，經(jīng)過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)比較，可以發(fā)現(xiàn)在穿越階段，Y1(該點(diǎn)距離隧道和ф3 500 mm合流污水管分別為3 m、2 m)單次最大變化量為0.58 mm，位移方向?yàn)橄颛? 500 mm合流污水管方向，累計(jì)最大變化量為2.34 mm，符合模型位移趨勢(shì)。

4.3.2應(yīng)力分析

地層原先處于三向垂直應(yīng)力分布狀態(tài)，盾構(gòu)推進(jìn)后，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力進(jìn)行重新分配，直至再次處于平衡狀態(tài)。而由于土體的損失，使得應(yīng)力分配將會(huì)產(chǎn)生不均勻，局部區(qū)域?qū)⒖赡茉斐奢^大的應(yīng)力集中，若應(yīng)力集中程度較高，將對(duì)施工的穩(wěn)定和安全支護(hù)造成威脅。在盾構(gòu)推進(jìn)后，隧道兩側(cè)垂直應(yīng)力產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為14.59 MPa，主要集中在兩側(cè)邊中部。隧道底部產(chǎn)生了最大水平應(yīng)力，最大值為2 MPa。隧道襯砌的垂直應(yīng)力遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力的10倍，為保證盾構(gòu)推進(jìn)的安全，最好對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行加固。

從污水管道垂直應(yīng)力云圖和水平應(yīng)力云圖研究得出，污水管兩側(cè)旁出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力達(dá)1.95 MPa，污水管上下部分出現(xiàn)了水平應(yīng)力集中，最大水平應(yīng)力達(dá)到8.2 MPa。

從樁垂直應(yīng)力云圖和樁水平應(yīng)力云圖研究得出，樁對(duì)應(yīng)隧道水平位置出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力值為8.5 MPa。

4.3.3塑性區(qū)分析

盾構(gòu)推進(jìn)完成后，在應(yīng)力重分布的過(guò)程中，由于受力不均勻和應(yīng)力集中情況的發(fā)生，使得開(kāi)挖面周圍的土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，發(fā)生了永久變形，從圖3中可以看出，隧道周圍小部分土體發(fā)生了剪切破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)銅川路-中山北路區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越ф3 500 mm合流污水管的模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)際施工情況的統(tǒng)計(jì)和比較，發(fā)現(xiàn)FLAC3D模擬盾構(gòu)近距離穿越大型管線時(shí)對(duì)周邊土體的影響與實(shí)際施工推進(jìn)中的沉降趨勢(shì)較吻合。主要沉降集中在兩條隧道之間的位置，后期沉降比較大，但是這是在不采取其他施工措施的情況下產(chǎn)生的。但通過(guò)實(shí)際施工，可以發(fā)現(xiàn)在盾構(gòu)穿越大型管線期間，經(jīng)過(guò)模型建立后對(duì)沉降趨勢(shì)的了解，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工參數(shù)的調(diào)整和對(duì)盾構(gòu)與周邊土體的積極填充漿液和后期的補(bǔ)充壓漿完全可以有效地把地表沉降控制在一個(gè)可控制的范圍之內(nèi)，從而把盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)管線的影響降低到最小程度。

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