張曉軍（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

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盾構(gòu)隧道淺埋下穿高速公路三維模擬分析研究

張曉軍
（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

廣州地鐵十四號(hào)線鄧江區(qū)間從始發(fā)井出發(fā)，下穿街北高速公路匝道、路基及其街口收費(fèi)站，同時(shí)在軌道右線右側(cè)上方有街北高速的涵洞與其并行。為確保盾構(gòu)施工時(shí)街北高速及其周邊建構(gòu)筑物的安全性，文章結(jié)合盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的的主要特點(diǎn)，建立了能全面反映盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過(guò)程的三維模擬方法，分析盾構(gòu)始發(fā)井及左右洞施工過(guò)程對(duì)街北高速路面及周邊建構(gòu)筑物的變位影響過(guò)程。同時(shí)，根據(jù)盾構(gòu)隧道數(shù)值模擬研究成果，確定盾構(gòu)施工影響的沉降控制措施，經(jīng)模擬分析得知，盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)街北高速路面影響均在控制范圍以內(nèi)，合理的盾構(gòu)施工能夠確保路面及周邊建筑物安全。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；三維模擬；高速公路；沉降控制

由于城市規(guī)劃交通走廊的制約，城市地鐵建設(shè)區(qū)間隧道多處淺埋下穿或鄰近城市地表建筑物。盾構(gòu)隧道對(duì)近接地表建筑物的影響研究也較多。文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］研究了盾構(gòu)隧道的數(shù)值模擬方法，忽略了盾構(gòu)摩擦力及盾尾空隙的影響。文獻(xiàn)［4］詳細(xì)介紹了盾構(gòu)施工的模擬方法，并介紹了盾構(gòu)施工時(shí)的平、縱強(qiáng)弱影響分區(qū)以及對(duì)周邊建筑物的影響及加固措施，但并未考慮到盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)高速公路的影響。本文在前系文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合廣州地鐵軌道十四號(hào)線下穿街北高速項(xiàng)目，研究盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)高速公路的影響及對(duì)策。

1　工程概況

廣州市軌道交通十四號(hào)線鄧村站至江埔區(qū)間從盾構(gòu)始發(fā)井起，下穿街北高速匝道、路基及其街口收費(fèi)站A和B，同時(shí)在軌道右線右側(cè)上方有街北高速的涵洞與其并行。十四號(hào)線設(shè)計(jì)車速為80 km/h，左右線設(shè)計(jì)線間距13 m，隧道的埋深從6.5 m變化至17 m；街北高速設(shè)計(jì)車速為100 km/h，交叉處街北高速公路為路基段和匝道收費(fèi)站，街北高速現(xiàn)狀路基寬26 m，雙向4車道，其交叉位置表、地理位置圖如圖1、圖2所示。

圖1　鄧村站至江埔站區(qū)間下穿街北高速公路平面布置圖

圖2　隧道與街北高速縱面位置關(guān)系圖（單位：mm）

2　工程地質(zhì)

盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越街北高速公路區(qū)段地質(zhì)情況主要為人工填土、上部第四系地層有素填土6.1 m，下部為粉質(zhì)粘土厚約3.5 m、中粗砂約2.5 m、礫砂厚約2.0 m、全風(fēng)化礫巖約3.8 m、強(qiáng)風(fēng)化礫巖約1.8 m、下伏中～微風(fēng)化礫巖，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖面起伏。盾構(gòu)隧道洞身主要位于全～中風(fēng)化礫巖，地層巖性較好，隧底均為微風(fēng)化礫巖。其中人工填土主要為公路及民居建筑垃圾組成的雜填土，呈稍壓實(shí)～欠壓實(shí)狀態(tài)，殘積土主要為粉質(zhì)粘性土，局部位置揭露有全風(fēng)化花崗巖，為砂質(zhì)粘性土，粉質(zhì)粘性土/全風(fēng)化砂礫巖呈軟塑～堅(jiān)硬土狀地下水發(fā)育，水量中等～豐富，具有承壓性。物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。地質(zhì)橫縱斷面圖分別如圖3、圖4所示。

3　盾構(gòu)三維模擬分析

3.1三維建模

結(jié)合本工程實(shí)際情況，從盾構(gòu)始發(fā)井段到下穿通過(guò)高速路面段區(qū)間總長(zhǎng)度約160 m，考慮到單個(gè)模型的單元數(shù)太多，因此計(jì)算選取基坑始發(fā)井段ZCK59+ 210～ZCK59+280.5段及交叉段ZCK59+315～ZCK59+ 385.5區(qū)間分別建模進(jìn)行施工過(guò)程模擬，主要分析盾構(gòu)始發(fā)井基坑開挖及盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)高速路基匝道和街北高速路基、收費(fèi)站及涵洞的影響。此地段隧道埋深約15～17.9 m，左右線間距13 m。建模范圍橫向取69 m（約11.5倍盾構(gòu)隧道直徑），豎向取47.5 m（約8倍盾構(gòu)隧道直徑），模型縱向按直線考慮［3］。街北高速與盾構(gòu)隧道三維模型及位置關(guān)系如圖5所示。

表1　物理力學(xué)參數(shù)取值表

圖3　地質(zhì)橫斷面圖（單位：mm）

圖4　地質(zhì)縱斷面圖（單位：m）

圖5　街北高速與盾構(gòu)隧道三維模型及位置關(guān)系圖

圍巖采用實(shí)體單元，管片采用shell殼單元模擬，地下連續(xù)墻用實(shí)體單元模擬，基坑橫撐用Beam梁?jiǎn)卧M，同步注漿和二次注漿通過(guò)隨掘進(jìn)進(jìn)尺逐漸改變圍巖參數(shù)實(shí)現(xiàn)，路基寬度及收費(fèi)站范圍內(nèi)考慮20 kPa超載。

3.2施工過(guò)程模擬

將盾構(gòu)施工過(guò)程分為4個(gè)階段（挖土階段、盾尾注漿階段、盾尾脫開階段、固結(jié)沉降階段）模擬，分析每個(gè)施工階段的主要特點(diǎn)及土層的受力，通過(guò)施加各種合理的表面力模擬盾構(gòu)施工時(shí)的扭矩和注漿壓力，并考慮各個(gè)階段的荷載釋放，同時(shí)用逐步改變盾構(gòu)邊緣圍巖參數(shù)來(lái)模擬同步注漿時(shí)漿液強(qiáng)度的硬化過(guò)程。

3.3路面變位計(jì)算分析

取路面中心各點(diǎn)為研究對(duì)象分析沉降槽曲線，隨左右線盾構(gòu)的掘進(jìn)，其地面沉降槽曲線圖如圖6和圖7所示。

圖6　先行洞施工路面沉降曲線圖

圖7　后行洞施工路面沉降曲線圖

先行洞施工完后，沉降槽寬度約27.5 m，此范圍內(nèi)路面最大沉降值5.5 mm，由橫向沉降槽導(dǎo)致的最大路面局部?jī)A斜斜率約為0.000 4（5.4 mm/13.5 m）。后行洞完成后，路面主要影響范圍增加為-25＜X＜25 m，沉降槽寬度增加到50 m，此范圍內(nèi)路面最大沉降值9.0 mm，路面局部?jī)A斜不變。

單洞施工時(shí)，掌子面距離路面中心約18 m時(shí)地面開始微量沉降，到7.5 m時(shí)的地面沉降量為3.5 mm，占整個(gè)沉降量的64%，但之后隨著掘進(jìn)的進(jìn)行，沉降值迅速增加；在掌子面到達(dá)路面中心時(shí)，沉降值已經(jīng)達(dá)到4.7 mm，完成總沉降的87%；掌子面通過(guò)路面中心7.5 m后，地面沉降值為5.2 mm，幾乎完成了整個(gè)沉降量的99%，在此之后的掘進(jìn)對(duì)研究面豎向位移幾乎沒有影響。

后行洞施工時(shí)，右洞拱頂路面受左洞施工影響，其豎向位移增加，最大豎向位移由5.8 mm增加到7.8 mm，增幅約38%；與右洞掘進(jìn)位移影響范圍的疊加部分主要集中在左右線之間的夾土層，其沉降值由4 mm左右增加到9.0 mm左右，增幅約55%；可見，在此種地質(zhì)條件和埋深時(shí)，兩隧道凈距7 m（約1.2D）時(shí)，兩洞豎向位移相互影響不大，但中間夾土層有位移疊加且增大。

3.4涵洞計(jì)算分析

矩形涵洞距離右線較近，斜向距離約9.0～19 m，涵洞襯砌為45 cm鋼筋混凝土襯砌。在右線開挖過(guò)程中，涵洞襯砌的橫向位移為1.2 mm，豎向位移為3.2 mm；左線開挖后，橫向位移增加到1.3 mm，豎向位移減少為2.9 mm?？梢姸軜?gòu)施工對(duì)矩形箱涵襯砌的影響很小，主要是離涵洞較近的右線的影響，左線施工基本不會(huì)對(duì)涵洞位移造成影響［5］。

4　沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果并參照國(guó)內(nèi)外地表變形房屋等級(jí)破壞標(biāo)準(zhǔn)［5-6］，收費(fèi)計(jì)重站房屋為單層排架結(jié)構(gòu)，其變形破壞可按照相鄰柱基的沉降差控制。同時(shí)，根據(jù)廣州市地方標(biāo)準(zhǔn)并參考國(guó)內(nèi)外地鐵施工地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)（如表2所示），本項(xiàng)目交叉段路基段變形按照最大沉降30 mm，最大傾斜0.003控制是安全合理的；矩形涵洞襯砌按照最大沉降30 mm控制；收費(fèi)站A處具有計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)，位移控制量10 mm，傾斜控制0.002。

表2　建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)此，本段盾構(gòu)施工的路基段最大沉降值9.0 mm＜30 mm，最大傾斜0.001＜0.003；涵洞襯砌最大位移3.2 mm＜30 mm；收費(fèi)站A處最大沉降值6.0 mm＜10 mm，傾斜0.000 3＜0.002。可見，始發(fā)井施工及左右線盾構(gòu)隧道的施工滿足路面及收費(fèi)站、箱涵結(jié)構(gòu)變形控制要求，施工過(guò)程安全合理。

5　結(jié)論

（1）廣州地鐵十四號(hào)線鄧村站至江埔盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越街北高速公路路基段及其匝道收費(fèi)站，數(shù)值模擬交叉段采用先盾構(gòu)始發(fā)井基坑施工，再施工左右洞的施工順序，計(jì)算結(jié)果表明盾構(gòu)始發(fā)井的施工不會(huì)引起路面變形；左右洞的施工將引起街北高速路面及收費(fèi)站A變形，同時(shí)對(duì)矩形箱涵的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生微小影響，施工不會(huì)對(duì)收費(fèi)站B造成影響。

（2）右洞施工完成時(shí)，路面最大豎向沉降值約5.8 mm，最大水平位移2.5 mm，沉降槽寬度約27.5 m；左洞再施工完成時(shí)，路面最大豎向位移增加到9.0 mm，最大水平位移增加到3.2 mm，沉降槽寬度增加到50 m；最大路面斜率0.000 4。收費(fèi)站A處的最大位移為6.0 mm，最小位移1.0 mm，最大傾斜約0.000 3。

（3）根據(jù)廣州市地方標(biāo)準(zhǔn)并參考國(guó)內(nèi)外地鐵施工地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目交叉段路基段變形按照最大沉降30 mm，最大傾斜0.003控制是安全合理的；矩形涵洞襯砌按照最大沉降30 mm控制；收費(fèi)站A處具有計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)，位移控制量10 mm，傾斜0.002基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成破壞。據(jù)此，本段盾構(gòu)施工的路基段最大沉降值9.0 mm＜30 mm，最大傾斜0.001＜0.003；涵洞襯砌最大位移3.2 mm＜30 mm；收費(fèi)站A處最大沉降值6.0 mm＜10 mm，傾斜0.000 3＜0.002，可見始發(fā)井施工及左右線盾構(gòu)隧道的施工滿足路面及收費(fèi)站、箱涵結(jié)構(gòu)變形控制要求，施工過(guò)程安全合理。

（4）為進(jìn)一步減少施工過(guò)程引起的路面沉降，盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)路面影響的主要范圍（到達(dá)前15 m～通過(guò)后7.5 m），應(yīng)嚴(yán)格控制高速公路上的行車速度及載重，控制掘進(jìn)速度，同時(shí)加強(qiáng)路面變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù)，確保施工安全。

［1］李曙光，馮小玲，方理剛.盾構(gòu)法地鐵隧道施工數(shù)值模擬［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（3）：86-87.

［2］楊廣武，關(guān)龍，劉軍.盾構(gòu)法隧道下穿既有結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2009（6）：54-60.

［3］張海波，殷宗澤，朱俊高.地鐵隧道盾構(gòu)法施工過(guò)程中地層變位的三維有限元模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（5）：755-760.

［4］王明年，張曉軍，茍明中，等.盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過(guò)程三維模擬方法及重疊段近接分區(qū)研究［J］.巖石力學(xué)，2012（1）：273-279.

［5］賈永剛，王明年，任世林.地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學(xué)分析，鐵道學(xué)報(bào)，2007，29（6）：89-94.

［6］張曉軍.盾構(gòu)重疊隧道近接地表建筑物安全控制技術(shù)研究［J］.廣東公路交通，2011（1）：53-57.

Research on Three-dimensional Simulation for Shallow Shield Tunneling Undercrossing Expressway

Zhang Xiaojun
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Guangzhou metro line 14 Deng Jiang interval started from the initial wells， crossing under Jiebei highway ramp，roadbed and Jiekou toll station， and on the right side rail line right above the highway， parallel with culverts. In order to ensure the safety of the buildings and JieBei highway during the shield construction， based on the main features of shield tunneling， this paper established a method fully reflecting the whole process of the three-dimensional simulation and analyzed the surrounding displacement influence process during the shaft constructure and hole crossing under the highway. Meanwhile， combining with domestic and international relevant research results， it determined the influence of shield construction settlement control measures. The simulation analysis showed that the scope of shield construction effect were within the control range and reasonable shield construction could ensure the security of the road surface and the surrounding building structures.

shield tunneling； three-dimensional simulation； expressway； settlement control

U455.43

A

1672-9889（2016）02-0065-04

張曉軍（1985-），男，四川大竹人，工程師，主要從事公路隧道設(shè)計(jì)及研究工作。

（2015-07-08）