王敬賓

(中國(guó)鐵建中鐵十四局有限公司，山東 濟(jì)南 250061)

0 前 言

隨著我國(guó)近年來發(fā)展迅猛，越來越多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市開始修建地鐵工程，而地下開挖隧道一定會(huì)導(dǎo)致地面及地面構(gòu)筑物或多或少的有一定的位移變形，為防止由于隧道開挖影響地面設(shè)施發(fā)生事故，所以研究隧道開挖對(duì)地面建筑的影響是很有必要的。通過多年的經(jīng)驗(yàn)累積和研究，學(xué)者們?cè)谒淼篱_挖對(duì)既有地上既有線的位移影響、結(jié)構(gòu)變形以及預(yù)測(cè)方法等一形成了較為完整的體系，對(duì)實(shí)際工程的預(yù)測(cè)可以達(dá)到相對(duì)的準(zhǔn)確[1～4]。胡眾、卲迅等[5]以安徽省合肥市地鐵1號(hào)線下穿工程為依托，利用有限元軟件FLAC3D軟件對(duì)隧道開挖過程中隧道的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了研究。周宜、王海亮等[6]以山東省青島市地鐵3號(hào)線為背景，通過合理設(shè)計(jì)的掏槽型式、爆破參數(shù)以及裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。傅雅莉[7]利用數(shù)值分析軟件，對(duì)江西省南昌市軌道交通1號(hào)線下穿彭家橋段進(jìn)行了施工對(duì)地層、橋梁結(jié)構(gòu)以及橋墩基礎(chǔ)的影響，預(yù)測(cè)了隧道施工對(duì)橋梁的影響。Didascalou等[8]在柏林地鐵中開展了一項(xiàng)測(cè)量活動(dòng)，以表征電磁波在地下鐵路隧道中的傳播。利用945和1 853.4 MHz的接收功率水平，研究了彎曲拱形隧道的衰減和衰落特性。Shen等[9]提出了一種基于無線多媒體傳感器的地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)裂縫檢測(cè)方法，為裂紋的圖像采集、圖像檢測(cè)和識(shí)別提供了一種解決方案。夏元友等[10]對(duì)隧道淺埋開挖所引起的土體水平方向的位移進(jìn)行了分析，為相關(guān)工程提供了理論參考。但由于實(shí)際工程中，各種影響隧道開挖的因素更為復(fù)雜，為了更進(jìn)一步研究TBM隧道開挖對(duì)既有建筑物等結(jié)構(gòu)的影響，本文使用兩種不同的數(shù)值分析軟件結(jié)合，利用數(shù)值分析計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)的方法，研究TBM開挖隧道對(duì)上部橋梁及土體的影響。

1 工程概述

山東省青島市地鐵1號(hào)線區(qū)間從海泊橋站至小村莊站，右線區(qū)間起止里程為：YSK39+491.675～YSK40+553.150，右線長(zhǎng)度1 061.475 m，左線起止里程為：ZSK39+491.675～ZSK40+553.150，左線長(zhǎng)度1 061.119 m。如圖1所示，區(qū)間從海泊橋站沿途經(jīng)過人民路、南寧路、撫順路、進(jìn)入小村莊車站。該線路主要穿過人民路下方，人民路道路兩側(cè)有大量的居民區(qū)和商業(yè)店鋪，樓層在8層左右。人民路當(dāng)前道路寬為20～30 m，計(jì)劃建設(shè)道路寬度約40 m，人民路為城市交通主干道，平時(shí)車輛通行較多，并且道路兩側(cè)分布大量的電力、煤氣、有線、自來水等管線，隧道軸線與既有人民路立交橋軸線呈62°夾角。

圖1 區(qū)間周邊環(huán)境平面示意圖

2 數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

本文利用大型數(shù)值模擬軟件ANSYS，依據(jù)青島地鐵1號(hào)線下穿人民路立交橋?qū)嶋H工況，建立一個(gè)和實(shí)際工況接近的三維數(shù)值模型。在實(shí)際工況下，隧道左線818.751 m，右線648 m，綜合考慮邊界影響效應(yīng)和簡(jiǎn)化建模，模型的尺寸為100 m×100 m×50 m。對(duì)于模型土層的厚度，考慮實(shí)際工況資料和簡(jiǎn)化建模的需要，從上至下各層地層厚度依次取為：8、8、34 m。數(shù)值模型如圖所示2。

圖2 三維數(shù)值模型

2.2 力學(xué)參數(shù)

在三維數(shù)值模型中，地層的土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)本地勘測(cè)資料可知，工程下穿1個(gè)地層，為微風(fēng)化花崗巖。施工過程涉及全斷面注漿加固。注漿加固區(qū)本構(gòu)關(guān)系同樣采用摩爾-庫倫模型，通過調(diào)整力學(xué)參數(shù)模擬加固效果，加固后具體參數(shù)的取值并無相關(guān)理論研究，文中根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定。地層參數(shù)如表1所示。

表1 土層基本物理力學(xué)參數(shù)

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

在數(shù)值模型中設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各位于每個(gè)橋墩正上方的橋面點(diǎn) ，編號(hào)為1到6。地面上總共有5各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于中間及左右排兩個(gè)橋墩正中間，另外2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)則位于每個(gè)兩個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正中間，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)為A到E,如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平面布置圖

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖4所示為開挖完成后模型豎向應(yīng)力分布云圖。從圖4可以看出，當(dāng)隧道斜穿橋梁開挖后，橋面少部分區(qū)域，特別是條基上部橋面板承受拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力約為1.719 MPa，而橋墩及部分基礎(chǔ)主要承受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力約為11.76 MPa。由于橋面板在水平方向較長(zhǎng)，所以在與橋墩連接處容易引起拉引力，而橋墩為豎向構(gòu)件，仍然主要承受壓應(yīng)力。由此可見，在隧道開挖過程當(dāng)中橋梁各部分均能抵抗住由于開挖引起的應(yīng)力影響。

圖4 豎向應(yīng)力云圖

圖5為垂直方向的各部分位移圖，從圖5可知，地面大部分有少量的沉降，且隧道開挖的正上方橋面和土體均有少量的沉降，橋面板最大沉降處為左線隧道東側(cè)邊，約為0.37 mm。右線條基上方橋面和土體均有較大的隆起，最大值約為2 mm。由此可知該區(qū)域處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下橋面板易開裂或者錯(cuò)動(dòng)，在隧道施工時(shí)要注意重點(diǎn)監(jiān)測(cè)該部位及附近區(qū)域。雖然各區(qū)域均有不同程度的位移變形，但都能滿足允許要求。

圖5 豎向位移云圖

4 結(jié) 論

1) 隧道上部區(qū)域有少量沉降，但是距離隧道較遠(yuǎn)，且地層較厚，下穿部位巖石堅(jiān)硬，所以對(duì)上部影響較小。

2) 隧道開始開挖時(shí)對(duì)沉降隆起影響較小，當(dāng)開挖至橋下時(shí)沉降變化明顯增大，所以開挖至橋下時(shí)對(duì)上部影響最大。

3) 雙線隧道開挖中，隧道上方地表會(huì)有小幅度的隆起，且基礎(chǔ)附近土體變形量最大。因此新建隧道開挖之前，可以采用隔斷法、土體加固、建筑物本體加固、基礎(chǔ)托換等措施保證既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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