嚴(yán) 峻， 席培勝， 齊天龍， 李 博

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵在緩解城市交通上起到了中流砥柱的作用?，F(xiàn)今在地鐵建設(shè)中運(yùn)用較為廣泛的是盾構(gòu)施工法。盾構(gòu)法本身具有自動(dòng)化程度高、施工快速、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小、施工安全等優(yōu)點(diǎn)。雖然盾構(gòu)法施工技術(shù)隨著盾構(gòu)性能的改進(jìn)有很大的發(fā)展，但仍然會(huì)不可避免地引起周?chē)馏w的位移，土體位移在地表上主要表現(xiàn)為引起地表不均勻沉降［1］，所以運(yùn)用相關(guān)軟件模擬施工過(guò)程，分析對(duì)周?chē)馏w的影響，了解土體位移的狀況，掌握位移變化的趨勢(shì)，及時(shí)做好支護(hù)，從而減少地面沉降是非常有必要的。本文主要是對(duì)周?chē)馏w豎向位移的模擬計(jì)算來(lái)反映盾構(gòu)施工對(duì)土體位移的影響。

目前，盾構(gòu)施工引起周?chē)馏w的位移的問(wèn)題已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。凌賢長(zhǎng)等基于擬建的哈爾濱松花江隧道，采用有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)，研究了因盾構(gòu)法掘進(jìn)施工而引起的隧道周?chē)馏w位移的變化規(guī)律［2］。趙華松等以上海軌道交通明珠線二期工程某區(qū)間隧道為研究背景，建立了盾構(gòu)法隧道施工的三維有限元分析模型，分析了隧道周?chē)馏w移動(dòng)規(guī)律和體表沉降規(guī)律［3］。天津城市建設(shè)學(xué)院的張宇基于天津地鐵3號(hào)線某區(qū)間隧道開(kāi)挖引起地面沉降的實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合理論計(jì)算與有限元數(shù)值模擬，利用有限元軟件ABAQUS，分析了下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降及其上既有隧道變形的影響［4］。

1 工程背景及模型參數(shù)

以合肥地鐵一號(hào)線繁華大道站～高鐵南站區(qū)間段為工程背景，圓形盾構(gòu)外徑為6．0m，襯砌厚度為0．3m，內(nèi)徑為5．4m，埋深為12m。根據(jù)隧道開(kāi)挖的影響范圍參考已有的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，取左右邊界為隧道外徑的3倍，即18m，隧道底部取隧道外徑的1．5倍，即9m，最后整個(gè)計(jì)算模型寬42m，高27m，縱向深度取30m。具體平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 圓形隧道斷面布置圖

本工程在合肥地區(qū)是屬于膨脹土地區(qū)，故土體采用 Mohr－Coulomb模型，土層分為4層。具體見(jiàn)表1。

表1 土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)用的管片采用C50混凝土，將襯砌結(jié)構(gòu)管片單元設(shè)置為孔模型（Null），支護(hù)時(shí)，將盾構(gòu)管片設(shè)置為各向同性彈性模型（Elastic），具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 盾構(gòu)管片混凝土材料計(jì)算參數(shù)

2 模型的建立及模擬步驟

2．1 模型的建立

FLAC3D模型尺寸選為42（X方向）×30m（Y方向）×27m（Z方向），共劃分了22680個(gè)單元，24428個(gè)節(jié)點(diǎn)，首先建立整體計(jì)算模型，其次再建立開(kāi)挖后的模型，如圖2、3。

圖2 整體計(jì)算模型

圖3 開(kāi)挖后的計(jì)算模型

2．2 模擬的步驟

本文只對(duì)單孔圓形隧道進(jìn)行模擬，模擬盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)豎向位移的影響。

具體模擬步驟如下:

①首先建立三維模型，隨后計(jì)算土體自重應(yīng)力下的豎向位移；

②得到土體的初始應(yīng)力場(chǎng)后，土體位移值賦零，為后面開(kāi)挖做好準(zhǔn)備；

③采用零模型（model null）進(jìn)行分步開(kāi)挖，每6m為一個(gè)開(kāi)挖步，共五個(gè)開(kāi)挖步，先計(jì)算整體開(kāi)挖未支護(hù)情況下的豎向位移，然后分步計(jì)算開(kāi)挖支護(hù)情況下的豎向位移，計(jì)算步距均為3000步。這里做簡(jiǎn)化處理，即假定盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后隨即進(jìn)行支護(hù)。

④循環(huán)第（3）步，直至開(kāi)挖完成，模擬過(guò)程結(jié)束［5］。

2．3 自重應(yīng)力場(chǎng)下的豎向位移

首先模擬了土體在自重應(yīng)力場(chǎng)下的土體的豎向位移。

圖4 自重應(yīng)力場(chǎng)下的豎向位移

3 整體開(kāi)挖未支護(hù)的豎向位移

由于假設(shè)了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后隨即進(jìn)行支護(hù)。所以這里不需要將開(kāi)挖未支護(hù)的每一步計(jì)算出，只需要計(jì)算整體開(kāi)挖未支護(hù)的豎向位移。通過(guò)計(jì)算得出了盾構(gòu)在整體開(kāi)挖未支護(hù)時(shí)的豎向位移。如圖5。

圖5 整體開(kāi)挖未支護(hù)的豎向位移

從圖5中可以看出:最大豎向位移為－20．652cm，發(fā)生在拱頂位置。

4 開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移

由于本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，所以本工程襯砌支護(hù)方式主要采用噴射混凝土來(lái)支護(hù)。在數(shù)值模擬中通過(guò)用殼結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出了盾構(gòu)在開(kāi)挖第一、二、三、四、五步時(shí)的開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移。如圖6至10。

圖6 第一步開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移

圖7 第二步開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移

圖8 第三步開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移

圖10 第五步開(kāi)挖支護(hù)后的豎向位移

為了更好地分析盾構(gòu)施工對(duì)地表隆沉位移的影響，將盾構(gòu)施工分為五步，然后在地表位置上取點(diǎn)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析得到如圖11。

圖11 盾構(gòu)施工對(duì)地表隆沉的豎向位移

5 結(jié) 論

將計(jì)算出來(lái)的豎向位移，找出最大豎向位移進(jìn)行比較，結(jié)合圖11得出周?chē)馏w豎向位移影響的得出如下結(jié)論:

（1）整體開(kāi)挖未支護(hù)的最大豎向位移為20．65cm方向向下，表示下沉。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于盾構(gòu)掘進(jìn)引起開(kāi)挖面土體位移，以及受擾動(dòng)土的固結(jié)沉降。整體開(kāi)挖支護(hù)后的最大豎向位移為2．592cm方向向上，表示隆起。得出這一結(jié)果的主要原因是由于假定了開(kāi)挖后立即支護(hù)，沒(méi)有等開(kāi)挖后土體沉降完成后再進(jìn)行支護(hù)，所以有了計(jì)算結(jié)果地表隆起的現(xiàn)象。

（2）通過(guò)計(jì)算得出整體開(kāi)挖后未支護(hù)的豎向位移達(dá)到了20．65cm。對(duì)施工以及施工安全均造成很大影響，開(kāi)挖支護(hù)后的最大豎向位移為2．592cm，說(shuō)明支護(hù)效果明顯。

（3）綜合圖11，可知盾構(gòu)施工對(duì)地表豎向位移的影響最主要的表現(xiàn)為對(duì)地表的隆起且隆起的最大豎向位移一般多發(fā)生在拱頂上方地表位置。所以要特別注意對(duì)這些位置的隆起的防護(hù)。

1 李圍．隧道及地下工程FLAC解析方法［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2009（1）:239．

2 凌賢長(zhǎng)，王麗霞，吳立新．盾構(gòu)施工觸發(fā)隧道周?chē)馏w位移變化規(guī)律的數(shù)值模擬分析［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2003（2）:79－81．

3 趙華松，周文波，劉濤，等．雙線平行盾構(gòu)施工引起的土體位移分析及其軟件開(kāi)發(fā)［J］．上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（4）:418－422．

4 張宇．軟土地區(qū)近距離下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降及既有隧道變形影響分析［D］．天津:天津城市建設(shè)學(xué)院，2010．

5 范德偉，宋曉光．盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地下管線影響的數(shù)值分析［J］．燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）:247－253．