秦亞斌 朱大勇 張振華 盧坤林

（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，230009，合肥；2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室，230009，合肥；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，243004，馬鞍山∥第一作者，碩士研究生）

地鐵隧道盾構(gòu)施工中盾構(gòu)掘進速度是施工的重要參數(shù)之一。盾構(gòu)掘進速度不同，引起的地表沉降及樁基變形也不同［1］?？刂贫軜?gòu)掘進速度是施工中必須控制的重要參數(shù)之一。

諸多學者對盾構(gòu)下穿建筑物作了研究。文獻［1］通過研究現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，認為在盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定的前提下，對地表沉降的影響最終取決于盾構(gòu)掘進速度變化幅度的大小。文獻［2］研究了盾構(gòu)掘進速度對隧道掘進面穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進速度的改變會引起隧道掘進面附近水頭分布以及作用在隧道掘進面上支護力的改變。文獻［3］應(yīng)用太沙基固結(jié)理論及Peck公式研究了盾構(gòu)掘進速度及非正常停機對地面沉降的影響。但是，在國內(nèi)外文獻中鮮見盾構(gòu)掘進速度對鄰近建筑物變形影響的研究。雖然文獻［4-7］分析了盾構(gòu)穿越建筑物施工對建筑物沉降的影響規(guī)律，并以此來確定較為合適的施工參數(shù)，控制施工過程中地表或建筑物的變形，但缺乏對掘進速度這一重要施工參數(shù)的討論。

大型立交橋施工安全需要綜合考慮地面、橋樁、橋墩及橋面等的變形，復(fù)雜性和綜合性強。文獻［8-11］分析了盾構(gòu)法開挖隧道對樁基礎(chǔ)的影響。從以往的文獻中可以看出，學者們多對盾構(gòu)側(cè)穿樁基的力學行為研究，對盾構(gòu)掘進下穿大型立交樁基的分析甚少。而當盾構(gòu)隧道正下穿立交樁基，且洞頂與樁基距離較近時，將引起施工危險性大大增加。鑒于此，本文在其他施工參數(shù)確定的情況下，研究了盾構(gòu)下穿合肥市五里墩大型立交橋時不同掘進速度對樁基的影響，即根據(jù)施工前期試驗和工程實踐確定注漿壓力與土倉壓力，采用有限差分軟件，模擬分析不同掘進速度對地面、橋樁、橋墩及橋面等變形的影響，據(jù)此確定盾構(gòu)下穿五里墩立交橋合適的盾構(gòu)掘進速度。

1 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬原理及方法

1.1 數(shù)值模擬基本原理

有限差分軟件計算分析的基本方法為連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析方法。該方法求解變形破壞問題的基本方程和計算流程概述如下：

（1）運動方程以節(jié)點為計算對象，將力和質(zhì)量均集中在節(jié)點上，然后通過運動方程在時域內(nèi)進行求解：

式中：

Fi，l（t）——t時刻l節(jié)點在i方向的不平衡力分量；

vi，l——t時刻l節(jié)點在i方向的速度，可由虛功原理導出；

ml——l節(jié)點的集中質(zhì)量，在分析靜態(tài)問題時，采用虛擬質(zhì)量以保證數(shù)值穩(wěn)定，而在分析動態(tài)問題時采用實際的集中質(zhì)量。

將式（1）左端用中心差分來近似，可得：

式中：

vi，l——t時刻l節(jié)點在i方向的速度；

Fi，l（t）——t時刻l節(jié)點在i方向的不平衡力分量；

△t——時間差分增量。

（2）本構(gòu)方程應(yīng)變速率與速度變量關(guān)系可寫成：

式中：

eij——應(yīng)變速率分量；

ui——速度分量。

本構(gòu)關(guān)系有如下形式：σij=M（σij，e·ij，k）（4）

式中：

K——時間歷史參數(shù)；

M——本構(gòu)方程形式。

（3）邊界條件。在給定的網(wǎng)格點上，位移用速度表示。對于應(yīng)力邊界條件而言，力Fi由以下公式求出：

式中：

ni——邊界段外法線方向單位矢量；

ΔS——應(yīng)力σij，b作用的邊界段的長度。

（4）應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點不平衡力。由速率來求某一時步的單元應(yīng)變增量：

（5）阻尼力。對于靜態(tài)問題，在式（1）的不平衡力中加入了非黏性阻尼，以使系統(tǒng)的振動逐漸衰減至平衡狀態(tài)（即不平衡力接近于零）。此時，式（1）變?yōu)椋?/p>

式中：

α——阻尼系數(shù)；

阻尼力fi，l（t）為：

1.2 盾構(gòu)施工的模擬方法

在隧道掘進過程中，一邊采用刀盤和盾殼控制開挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊轉(zhuǎn)動刀盤進行掘進，同時采用出土器出渣，千斤頂在后部加壓頂進，并在盾尾拼裝預(yù)制混凝土管片形成襯砌、實施壁后注漿以回填盾尾與管片間的空隙，從而不影響地面交通。

依據(jù)文獻［12］中討論的盾構(gòu)施工模擬方法，認為盾構(gòu)推進、管片安裝以及盾尾綜合注漿是一個連續(xù)、循環(huán)的過程，數(shù)值模擬中不能完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進過程，必須進行一定的簡化。通常將盾構(gòu)推進簡化成一個非連續(xù)的推進過程。盾構(gòu)推進實際上是盾構(gòu)剛度及荷載的遷移，用改變單元材料類型和參數(shù)的方法來反映盾構(gòu)的向前，而一次向前的過程中盾構(gòu)周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化。模擬計算前，先在模型里預(yù)設(shè)隧道開挖單元、管片單元及注漿體單元。盾構(gòu)推進時，假設(shè)盾構(gòu)一步一步跳躍式向前推進，每次向前推進一定的長度，隧道土體開挖后及時改變相應(yīng)單元的材料模型和參數(shù)來模擬管片和注漿體。

2 工程概況

五里墩立交橋為合肥市重要交通樞紐橋梁，其上部為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)采用直徑1.2～1.5 m的人工挖孔樁。合肥市地鐵2號線隧道下穿或側(cè)穿五里墩立交橋?？v斷面上下穿隧道平均埋深約27 m，樁基底部平均埋深約19 m。根據(jù)實際施工可知：盾構(gòu)隧道開挖直徑6.28 m，管片壁厚0.3 m，注漿壓力為0.1～0.3 MPa。

五里墩立交橋區(qū)間范圍上覆第四系人工填土、硬塑性黏土，向下分別為全風化泥質(zhì)砂巖、強風化泥質(zhì)砂巖、中等風化泥質(zhì)砂巖，斷面的地層分布有人工填筑土（Q4ml）、硬塑性黏土（XQ3）、全風化泥質(zhì)砂巖（J3Z）、強風化泥質(zhì)砂巖（J3Z）及中等風化泥質(zhì)砂巖（J3Z）。

3 計算模型

3.1 數(shù)值網(wǎng)格模型

采用有限差分軟件模擬合肥市軌道交通2號線下穿五里墩立交的盾構(gòu)掘進施工過程。數(shù)值網(wǎng)格模型X軸方向（隧道軸線方向）長420 m，Y軸方向（垂直于隧道軸線方向）寬150 m，Z軸方向（豎直方向）高90 m，即模型尺寸為420 m×150 m×90 m，如圖1所示。采用六面體與四面體單元進行網(wǎng)格劃分，數(shù)值網(wǎng)格模型共劃分成667 660個單元，包含430 665個節(jié)點。

圖1 隧道下穿五里墩立交三維數(shù)值網(wǎng)格模型

3.2 本構(gòu)模型和屈服準則

根據(jù)文獻［13］可知，由于軌道交通隧道的平均埋深為27 m，應(yīng)力水平較低，因此，本次三維數(shù)值模擬計算分析過程中，巖土體的本構(gòu)模型為理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則為Mohr-Coulomb屈服準則。

橋面、承臺及橋墩、樁基、盾殼和管片在外荷載作用下，其變形主要處于彈性階段，它們的本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型。巖土體與橋樁接觸面的本構(gòu)模型采用無厚度的接觸面模型。

3.3 計算參數(shù)

本次模擬分析涉及到的材料及其物理力學參數(shù)見表1和表2。

表1 樁土接觸面基本力學參數(shù)

4 盾構(gòu)開挖數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬中監(jiān)測點位置與實際各監(jiān)測點一致，即包括監(jiān)測斷面DBC28～DBC42各點以及隧道沿線各樁的監(jiān)測點，每個監(jiān)測斷面有14個監(jiān)測點，監(jiān)測點布置如圖2所示。

根據(jù)實際工程及經(jīng)驗，設(shè)定盾構(gòu)掘進速度為4環(huán)/d、6環(huán)/d、8環(huán)/d，對應(yīng)的開挖速度v約為6 m/d、9 m/d、12 m/d。在分析時采用 model null命令去掉開挖土體，計算結(jié)束后即視為1 d內(nèi)開挖該長度的模型變形終值。

根據(jù)實際情況，首先進行右線隧道盾構(gòu)掘進，右線隧洞先于左線隧洞盾構(gòu)掘進188 m約137環(huán)，再對左線進行開挖，分析不同開挖速度下地表及橋樁的變形規(guī)律。

圖2 地表監(jiān)測點分布圖

4.1 盾構(gòu)掘進速度對地表沉降的影響分析

為研究盾構(gòu)掘進速度對地表沉降影響的大小，將3種掘進速度下相同地表監(jiān)測點的累計沉降值進行比較，具體見表3。

表3 盾構(gòu)在不同開挖速度下的地表累計最大沉降值

由表3可以看出：在6 m/d的開挖速度下，地表沉降變形最大值為2.21 mm，發(fā)生在斷面DBC32的隧道正上方監(jiān)測點處；在9 m/d的開挖速度下，地表沉降變形較6 m/d開挖速度下的地表沉降變形大，其最大沉降在監(jiān)測斷面DBC33處，沉降值為4.67 mm；在12 m/d的開挖速度下地表沉降值均較大，最大值達7.25 mm。從地表沉降變形可以看出，12 m/d的盾構(gòu)掘進開挖速度是較為危險的；6 m/d的開挖速度最為安全；在9 m/d的開挖速度下，地表沉降也在允許的變形范圍內(nèi)。

4.2 盾構(gòu)掘進速度對樁基沉降的影響分析

為研究盾構(gòu)掘進速度對樁基沉降的影響，將6 m/d、9 m/d、12 m/d開挖速度下的相同樁基累計最大沉降值進行比較。

五里墩立交錯綜復(fù)雜，樁基眾多，盾構(gòu)下穿立交施工難度較大。其中，典型斷面樁基與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 典型斷面隧道與樁基的位置關(guān)系圖

在不同開挖速度下各樁基累計最大沉降值如表4所示。

根據(jù)文獻［14-15］對墩臺沉降值的規(guī)定，結(jié)合實際工程設(shè)置的沉降警戒值，從表4可以發(fā)現(xiàn)：在6 m/d的開挖速度下，各樁基沉降值較穩(wěn)定，變形較?。辉? m/d的開挖速度下，各樁基沉降值有所增加，最大沉降值為3.62 mm，發(fā)生在樁B3-6上；在12 m/d的開挖速度下，樁基沉降值普遍較大，有一些樁基超過預(yù)警值。其中，A4匝道各樁基的預(yù)警值為4 mm，而樁基A4-10的沉降值為6.53 mm，超過預(yù)警值2.53 mm；A3匝道各樁基的預(yù)警值為5 mm，而樁A3-16和樁A3-19的沉降值分別為6.75 mm和6.52 mm，分別超過預(yù)警值1.75 mm和1.52 mm；B4匝道各樁的預(yù)警值為5 mm，而樁B4-10的沉降值為7.58 mm，超過預(yù)警值2.58 mm。

表4 在不同開挖速度下各樁基累計最大沉降值

為更加直觀地表現(xiàn)出12 m/d開挖速度下樁基超越預(yù)警值的程度，將樁A4-10、A3-16、A3-19以及B4-10的沉降值示于圖4中進行比較。

從圖4可以看出，在12 m/d的開挖速度下，樁基A4-10的沉降值超出預(yù)警值63.25%，樁基B4-10的沉降值超出預(yù)警值51.60%，樁A3-16和A3-19的沉降值均超過預(yù)警值30%以上。由此看來，以12 m/d的開挖速度進行盾構(gòu)掘進，會引起樁基的較大變形，對立交橋的安全運行帶來一定的風險。因此在實際施工過程中應(yīng)該控制盾構(gòu)掘進速度。

根據(jù)計算結(jié)果，綜合分析取9 m/d的開挖速度進行盾構(gòu)掘進施工。

5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

現(xiàn)場以9 m/d的開挖速度進行下穿五里墩立交橋。施工過程中地表變形典型監(jiān)測斷面實測地表沉降變形結(jié)果及對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果見圖5～8?？梢姡? m/d開挖速度的數(shù)值模擬沉降值與現(xiàn)場監(jiān)測值相差不大，且均小于預(yù)警值，在安全允許范圍內(nèi)。由此說明，通過數(shù)值模擬獲得的開挖速度9 m/d用于五里墩立交橋下穿施工是合理的。

圖4 樁基沉降值與預(yù)警值對比

圖5 模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值比較（監(jiān)測斷面DBC30）

圖6 模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值比較（監(jiān)測斷面DBC33）

圖7 模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值比較（監(jiān)測斷面DBC36）

圖8 模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值比較（監(jiān)測斷面DBC39）

6 結(jié)語

在注漿參數(shù)及土倉壓力等其盾構(gòu)施工參數(shù)確定的前提下，采用有限差分軟件，分析不同盾構(gòu)掘進速度對地表沉降及樁基變形的影響，通過分析結(jié)果確定按照6環(huán)/d（約 9 m/d）盾構(gòu)掘進速度進行盾構(gòu)下穿五里墩立交橋施工，既滿足了施工安全的要求，也能依據(jù)施工進度穩(wěn)定推進?，F(xiàn)場施工的實際情況表明，盾構(gòu)掘進下穿五里墩立交工程選取6環(huán)/d的盾構(gòu)掘進速度是較為合適的。本文的研究為地鐵隧道下穿大型立交時的盾構(gòu)施工提供了確定盾構(gòu)掘進速度參數(shù)的方法，具有較好的工程應(yīng)用意義。

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