張富明，魏清武

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250101）

隨著我國經(jīng)濟政治等領域得到極大地發(fā)展，大量人口涌入經(jīng)濟發(fā)達的城市地區(qū)，交通擁堵現(xiàn)象問題越來越成為城市進一步發(fā)展的阻礙。為了緩解城市的交通壓力，各大城市開始極力發(fā)展地下交通。地鐵交通作為地下交通的主要方式，可以極大地緩解交通壓力，為城市的發(fā)展帶來更大的空間[1-3]。但隨之而來的問題也開始在大量的地鐵建設中出現(xiàn)。城市中的地鐵建設往往會從地下穿越各種建筑物，在施工過程中一定會或多或少的對上部建筑造成一定的影響，其中下穿在技術難度上是最大的，風險也最高。因此，必須研究隧道下穿對既有建筑物的影響。

針對隧道開挖，已經(jīng)有眾多學者開展了大量的研究工作。劉富強[4]利用多元優(yōu)化模型，通過前后對比的方式，分析總結除了多元優(yōu)化模型的優(yōu)點，并結合工地實際的情況將多元回歸優(yōu)化模型在實際應用中效益最大化；段軍朝、李珂等[5]以成都地鐵6號線某段下穿重型商混站為背景，利用有限元數(shù)值軟件模擬分析了隧道開挖及施工過程總結了界定地層擾動范圍的規(guī)律，提出了有效的施工建議，確保了施工安全；李志[6]以石家莊地鐵為背景，研究了隧道臨近區(qū)下穿建筑群，利用有限元軟件ANSYS模擬了磚混結構和框架結構，并針對不同盾構參數(shù)，分析了施工對地表沉降的影響，實用性較大；郭建圓[7]利用邁達斯GTS/NX軟件、兩階段法理論，研究了隧道開挖導致的土體附加應力對CFG復合地基樁土受力以及變形規(guī)律，通過改變CFG樁的參數(shù)，進行了對盾構隧道的響應分析，還考慮不同隧道掘進參數(shù)下，掘進對復合地基的影響并提出了相應的解決措施；徐朝輝[8]依托蘭州地鐵1號線，利用FALC 3D數(shù)值計算軟件，模擬了盾構隧道下穿黃河段的強透水沙卵石地層，更具實際情況研究總結了塌方處理措施以及有效預防塌方的技術措施；司增國[9]利用邁達斯數(shù)值計算軟件以園上園小區(qū)樓群為模擬區(qū)，研究了隧道掘進在開挖次序不同的條件下，對不同高度的建筑物的影響，總結了雙線隧道對底層影響的區(qū)別，提出了控制變形的有效措施。Didascalou等[10]在柏林地鐵中開展了一項測量活動，以表征電磁波在地下鐵路隧道中的傳播。利用945和1853.4MHz的接收功率水平，研究了彎曲拱形隧道的衰減和衰落特性。

學者們研究模擬的大多為環(huán)境較差的地質，多數(shù)為對建筑樓房的影響，而青島市區(qū)內高架橋數(shù)量較多，具有新的研究價值。因此，文章以青島地鐵下穿高架橋為工程背景，基于ANSYS和FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，研究了盾構隧道在花崗巖地層中掘進，對開挖隧道深度對上部高架橋的影響做了分析。

1 工程實例

青島地鐵4號線洪山坡站—勁松三路站區(qū)間位于青島市市北區(qū)，為本線第十二段區(qū)間。區(qū)間主要在道路南側行車區(qū)及綠化帶下穿行。地表道路兩側建構筑物密集，多以5～7層及11、18層高層建筑為主。區(qū)間兩端的步進洞、始發(fā)洞和接收洞及空推段采用礦山法，其余地段采用TBM法施工。區(qū)間地表范圍內存在給水、雨水、污水、路燈、供暖、通訊、燃氣、供電等管線，地下管線主要沿道路兩側及路中綠化帶鋪設。左、右線為兩條并行的單洞單線圓形隧道，隧道直徑為6m。隧道洞身范圍主要位于微風化花崗巖層中，覆巖、覆土厚度約12.5～51m。區(qū)間采用2臺TBM從內海區(qū)間TBM始發(fā)井兼軌排井始發(fā)，沿內蒙古路—海泊橋站區(qū)間向東掘進，依次經(jīng)過海泊橋站、鞍山路站、錯埠嶺站、福州路站、洪山坡站及區(qū)間，然后進入洪山坡站—勁松三路站區(qū)間，在勁松三路站小里程端吊出。在洪山坡站大里程端頭與區(qū)間共同設置TBM步進洞段，調整TBM始發(fā)前姿態(tài)。到達勁松三路站前Ⅵ級圍巖段均采用礦山法，開挖形成接收洞室和空推拼管片段。區(qū)間起止里程Z（Y）DK10+546.000～Z（Y）DK11+665.250，ZDK11+305.806，左、右線隧道長分別為1125.056m、1119.25m。在里程ZDK11+104.247 （YDK11+103.800）處設置聯(lián)絡通道兼泵房。區(qū)間左、右線隧道平面曲線半徑最小為600m，線間距為14.0～16.8m，該地段采用TBM法施工，礦山法由兩端車站提供施工工作面。步進洞及始發(fā)洞前2.0m二襯采取現(xiàn)澆C45、P12混凝土，TBM到達勁松三路站后澆環(huán)梁采用現(xiàn)澆C45、P10混凝土。高架橋與隧道位置關系圖如圖1所示。

2 數(shù)值計算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計算模型建立

圖1 隧道位置關系平面示意圖

文章利用有限元數(shù)值模擬軟件建立模型，依據(jù)地鐵下穿杭鞍高架橋實際情況，由于隧道沿高架橋下穿距離過長，因此建立二維模型。因此，計算模型的尺寸為100m×70m×1m，橋樁地下長度為15m，地上長度10m，因不同地段高架橋兩側建筑物不同，所以同時建立兩側有建筑物與無建筑的模型，隧道從地下20m處，逐步加大開挖深度至40m。對于模型土層的厚度，考慮實際工況的同時簡化模型，從上至下各地層厚度依次取為3m、4m、8m、35m。二維數(shù)值模型如圖2所示。

2.2 力學參數(shù)

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

表1 土層基本物理力學參數(shù)

2.3 模擬計算步驟

施工方法采取盾構法施工，全斷面施工。計算模擬過程運用FLAC 3D完成，為1個初始應力平衡，然后同時開挖兩個隧道，噴漿，鋪設管片。初始應力平衡為精確度小于1×10-4，開挖、噴漿、管片都計算6000步，最后得出計算結果。

3 數(shù)值計算結果分析

豎向位移云圖如圖3所示。從圖3可以看出，開挖后隧道上部巖石會有少量沉降，而下部巖石會有少量隆起，最大隆起量為0.15573mm，最大沉降量為0.172mm，由于隧道再開挖過程中主要下穿地層為微風化花崗巖，橋梁沉降量也比較微小。

圖2 二維數(shù)值模型

圖3 豎向位移云圖

橋中點沉降量隨隧道開挖深度的增加而變化的曲線圖如圖4所示，自變量為隧道埋深，因變量為隧道中點沉降量。從曲線中可以看出，隨著隧道埋深的增加，橋的沉降量也不斷增加，且在橋周圍有建筑物的情況下，沉降量會明顯大于橋周圍沒有建筑的橋的沉降。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[11]。

圖4 橋中點位移變化圖

4 結論

經(jīng)以上分析，同時考慮周圍交通、不同土層以及橋梁的設計等，結合數(shù)值模型模擬計算，得出以下結論。（1）隧道開挖會造成圍巖擾動，對隧道上部和下部巖石擾動尤為明顯，上部巖石會發(fā)生沉降，下部巖石會隆起。（2）隨著隧道開挖深度的增加，上部建筑物的沉降量也會隨之增加。（3）隧道下穿橋梁時，掘進過程中上部有其他建筑物會比單獨下穿橋梁所造成的橋梁沉降更大。因此在新建隧道開挖之前，需要采用隔斷法、土體加固、建筑物本體加固、基礎托換等措施保證既有結構的穩(wěn)定性。