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(1.安徽建筑大學,安徽 合肥 230601;2.安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601)

0 引 言

城市地鐵可以行之有效的解決交通擁堵問題[1]。雖然盾構(gòu)法施工技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，機械化程度高、施工速度快、對周圍環(huán)境影響小和施工安全等,但是地鐵隧道在掘進中會對周圍的土體和產(chǎn)生不同程度的影響，使得周圍圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布?？臻g上造成地層損失和地層位移，甚至導(dǎo)致對應(yīng)地表的沉降和變形，從而影響地上建筑，因此，地表沉降變形必須加以控制，使之在合理范圍之內(nèi)。地表變形不在合理范圍之內(nèi)，嚴重的將導(dǎo)致地面產(chǎn)生裂縫或塌陷，對地表建筑物的正常使用構(gòu)成威脅。所以，對盾構(gòu)施工過程中地表沉降和圍巖變形的研究非常重要，只有對盾構(gòu)施工進行合理的預(yù)測，才能確保盾構(gòu)施工的安全，施工過程中的地表沉降和圍巖變形是主要的控制依據(jù)，是進程盾構(gòu)施工研究的主要方法和手段[2～4]。

目前，已有很多學者研究了地表沉降和盾構(gòu)施工的關(guān)系并分析其原因[5～6]，而由于膨脹土的特殊特性，導(dǎo)致盾構(gòu)法施工穿越膨脹土層的研究不多。因此，采用模擬軟件MADAS/GTS對合肥地鐵3號線進行盾構(gòu)施工過程的三維數(shù)值模擬，分析不同施工階段下的地表沉降，確定最大豎向位移的位置和盾構(gòu)施工引起的沉降范圍，分析結(jié)果為后期施工提供指導(dǎo)意見，可以為類似工程沉降控制提供參考。

1 工程背景及模型參數(shù)

根據(jù)工程現(xiàn)場施工情況，選擇模型參數(shù)。盾構(gòu)機的內(nèi)外徑分別取為5.4m和6.0m，隧道的襯砌部分厚度取0.3m，隧道拱頂埋深取14m。為了避免模型的邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，數(shù)值模擬計算模型的邊界取隧道外徑D的3～5倍[7]。為保證計算結(jié)果的準確性和精準度，隧道左右邊界長取4D=24m，底部邊界長取2D=12m，寬度方向取5D=30m。最終建立了54m×30m×32m 的三維模型。隧道斷面布置圖見圖1。

圖1 隧道開挖斷面布置圖

合肥地區(qū)屬于膨脹土地區(qū)，土體模型采用彈塑性理論計算。盾構(gòu)隧道的盾殼和襯砌管片采用線彈性本構(gòu)模型，管片參數(shù)采用C50混凝土的參數(shù)進行計算，盾殼和管片的彈性模量分別為210GPa 和34.5GPa。在模擬軟件中選擇摩爾—庫倫準則進行計算分析。隧道斷面巖土力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖土力學參數(shù)

2 模型的建立及模擬步驟

2.1 數(shù)值模型的建立

(1)模型尺寸：數(shù)值模型X、Y和Z方向尺寸為54m×30m×32m，模型最終有22328個單元 ，120831個節(jié)點；

(2)地層劃分：按圖1所示地層進行劃分；

(3)斷面形態(tài)：按圖1所示建立模型；

(4)約束條件： ①模型地表面：自由面

②底部邊：固定邊界

③側(cè)面：限制水平方向移動；

(5)荷載條件：模型的荷載采用自重應(yīng)力荷載；

(6)考慮初始應(yīng)力條件；

建立的整體計算模型和施工完成后的模型如圖2、圖3。

圖2 開挖前計算模型

圖3 開挖后計算模型

通過建立好的計算網(wǎng)格模型進行檢查網(wǎng)格拓撲，模型檢查網(wǎng)格拓撲中鎖緊單元和重復(fù)單元數(shù)為0，說明模型的網(wǎng)格質(zhì)量較高，計算精度也較高，也反映了該模型的建立是正確合理的(圖2和圖3Y=0斷面處地表橫向沉降槽曲線的變化規(guī)律符合數(shù)值模擬要求，所以數(shù)值模擬是可行的)。

2.2 模擬的過程

通過數(shù)值模擬施工，對只有一條隧道的施工過程進行模擬并分析盾構(gòu)施工對地表豎向位移參數(shù)的影響。

具體模擬過程如下：

(1)盾構(gòu)機向前推進3m即為二個管片的寬度，支護力主要有盾構(gòu)機殼提供；

(2)對挖掉核心土的臨空區(qū)進行管片襯砌；

(3)盾尾支護力開始由管片提供；

(4)對盾尾建筑空隙進行注漿；

(5)盾構(gòu)機再向前推進3m；

(6)盾構(gòu)注漿后，導(dǎo)致土體產(chǎn)生了一定的強度，擠壓管片；

(7)重復(fù)模擬以上的施工流程。

運用有限元數(shù)值模擬軟件MADAS/GTS建立三維隧道施工的數(shù)值模型模擬盾構(gòu)施工，模擬的過程共分為10步，下面選取部分盾構(gòu)開挖施工位移云圖進行分析[8]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)開挖施工位移云圖

盾構(gòu)施工時，地表沉降變形的大小主要受到地下水位降低、土體密實、盾構(gòu)推力、施工擾動、注漿等支護不足和殘余的影響。根據(jù)不同的施工段，選取盾構(gòu)每6 m掘進長度為分析點，進行五種施工階段的地表沉降分析。位移云圖如圖4～8。

通過分析位移云圖4～8可知，在盾構(gòu)開挖中隧道頂部產(chǎn)生沉降區(qū)域，且拱頂處有最大沉降。距離隧道中心線越遠土體沉降越小，這符合使勁盾構(gòu)開挖沉降規(guī)律。開挖后隧道底部出現(xiàn)隆起，最大隆起處位于隧道拱頂，且隨著土體豎向位移不斷增大，拱底處土體隆起量逐漸減小。盾構(gòu)掘進6m、12m、18m、24m和30m時，對應(yīng)的地表最大沉降為3.1mm、8.15mm、10.51mm、11.55mm和12.58mm，所以隨著隧道開挖的不斷進行地表沉降也在不斷加大。

圖4 掘進6m的豎向位移云圖

圖5 掘進12m豎向位移云圖

圖6 掘進18m豎向位移云圖

圖7 掘進24m豎向位移云圖

圖8 掘進30m豎向位移云圖

3.2 盾構(gòu)開挖引起地表橫向沉降分析

在不同的開挖進度下對盾構(gòu)開挖引起的隧道圍巖隆沉進行數(shù)據(jù)分析。取地表位置上的檢測點分析得到如圖9，取隧道底部上的檢測點分析得到如圖10。

分析可知，Y=0斷面處地表橫向沉降槽曲線的變化規(guī)律符合數(shù)值模擬要求，所以數(shù)值模擬是可行的。進一步分析圖9可知，隨著盾構(gòu)的不斷掘進，斷面處地表沉降量逐漸上升。當盾構(gòu)掘進達到30m時，隧道中心線處的地表沉降位移最大達到了12.58mm，隨著地表離隧道中心線的橫向距離逐漸增大，地表沉降位移值呈現(xiàn)向兩邊遞減的狀態(tài)。由圖9可看出，在地表離隧道中心線20m范圍之內(nèi)地表沉降相對較大，即盾構(gòu)掘進橫向沉降影響范圍為隧道直徑D的3倍。分析圖10可知，隨著盾構(gòu)的不斷掘進，隧道下部圍巖在隧道中心線附近有較大隆起，遠離隧道中心線時，圍巖有較小沉降，且不同施工段隧道下部圍巖隆起值差距不大，但圍巖沉降隨著隧道的不斷開挖不斷增加。隧道下部圍巖隆起主要分布在隧道中心線6m(1.0D)范圍之內(nèi)，即盾構(gòu)掘進引起的下部圍巖橫向沉降影響范圍約為洞徑的2倍。

圖9 Y=0斷面處盾構(gòu)掘進過程中地表橫向沉降槽曲線

圖10 Y=0斷面盾構(gòu)施工對地表隆沉的豎向位移

4 結(jié) 論

通過對合肥地鐵3號線某區(qū)間斷盾構(gòu)隧道施工進行數(shù)值模擬，分析不同施工階段下地表沉降，并結(jié)合施工經(jīng)驗得出如下結(jié)論：

(1)綜合地表豎向位移云圖4～8可知，盾構(gòu)施工對地表的豎向位移的影響為地表的沉降與隆起，具體表現(xiàn)為拱頂沉降拱底隆起，且最大豎向位移發(fā)生在拱頂上方地表位置。

(2)地表橫向沉降以隧道中心線為對稱軸，隧道中心線兩邊沉降變化一直。隧道拱頂沉降最大，兩側(cè)逐漸減小。在地表離隧道中心線3倍洞徑范圍之內(nèi)地表沉降相對較大，3倍洞徑范圍成為地表沉降監(jiān)控的重點。

(3)隧道下部圍巖隆沉在開挖面前后具有對稱性，且不同施工段對隧道下部圍巖隆起影響不大。隧道拱底處圍巖隆起最大，向兩側(cè)隆起分別減小，并且橫向隆起影響范圍約為洞徑的2倍，同時在遠離隧道中心線時，圍巖伴有小量沉降，所以要注意這些位置的隆沉的防護。

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