馬建領

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司,吉林 長春 130000）

引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展,地面交通運輸系統(tǒng)愈發(fā)擁擠,地下軌道交通作為緩解地面交通壓力的一種方式,在近些年來得到了長足的發(fā)展。

地鐵隧道的開挖方法主要有明挖法、淺埋暗挖法、地下連續(xù)墻法、礦山法、盾構法等[1]。盾構法作為新興的一種機械化施工方法,在施工過程中由頂部刀盤切削土體開挖,通過出土軌道運送至出土車中,再由出土車將土拉至洞外,同時依靠千斤頂在后部加壓頂進,并在盾殼內拼裝預制管片,在前進過程中盾尾同步注漿,最終形成隧道結構[2]。盾構法具有施工速度快、洞體質量比較穩(wěn)定、不影響地面交通與設施、施工過程不受氣候條件影響等特點[3]。

新建地鐵隧道的開挖路線往往與已有道路路線平行,這就導致了新建地鐵在施工過程中會對道路結構產生一定的影響,造成道路結構發(fā)生病害或破壞,常見的道路結構病害類型有地表塌陷、不均勻沉降、裂縫等[4-6]。因此,為了保證盾構施工的正常進行以及道路結構的安全穩(wěn)定,需要分析盾構施工對上方道路結構產生的影響。

目前,國內外學者對盾構施工引起的上方既有結構變形已經進行了一定的研究。崔玉龍等[7]通過數值模擬結合現(xiàn)場監(jiān)測的方法,分析了盾構對既有隧道的影響,并給出了建議的盾構施工參數。楊萬精[8]等采用FLAC3D 模擬的方法研究了盾構下穿過程中地表沉降和地表水平位移的變化,并對比了不同工況下的變形情況,最后給出了盾構施工的合理參數。李磊[9]等采用數值模擬與實際監(jiān)測相結合的方法,考慮既有隧道周圍土壓力的分布規(guī)律,研究了盾構下穿時土倉壓力、注漿壓力等參數對上方既有隧道變形的影響。Xie[10]等采用三維有限差分法對盾構過程進行了模擬,探究了盾構施工最小程度影響上方結構的施工參數,并結合實測數據驗證了其模型的適用性。

現(xiàn)有的盾構施工對既有結構的影響分析多采用數值模擬與現(xiàn)場實測相結合的方法,關于盾構施工對道路結構的影響研究較少,本研究以長春某地鐵盾構開挖平行道路結構段為背景,通過建立三維有限元模型分析了盾構施工對道路結構的影響規(guī)律,并給出了合理的施工建議。

1 工程概況

本研究以長春地鐵六號線歐亞賣場～ 飛躍路區(qū)間盾構施工段為基礎,區(qū)間全線采用盾構法施工,隧道外徑為φ6 200 mm,管片厚度為350 mm,采用加泥式土壓平衡盾構機。整體地形起伏平坦,總體地勢西低東高,地貌類型為沖積洪積波狀臺地。盾構開挖面至道路結構的豎向間距為7 m,盾構左線與右線間隔17 m,對稱分布在道路結構兩側,道路結構至盾構開挖面間的地層分布情況見圖1,自上而下為：粉質粘土層,可塑偏軟,層厚2.6 m；全風化泥巖,全風化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化,層厚5.8 m；強風化泥巖層,強風化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化,層厚12.8 m；中風化泥巖層,中風化,暴露時間長時易崩解,遇水易軟化。道路結構為4 cmAC-13 + 5 cmAC-20 + 6 cm AC-25 + 20 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+ 20 cm 水泥石灰砂礫土層。

圖1 土層分布圖

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

2.1.1 模型尺寸

為了探究盾構施工對道路結構的影響,采用ABAQUS 建立了三維數值有限元分析模型,對盾構平行于道路下方開挖施工的工況進行了模擬計算?？紤]到盾構施工的影響范圍及計算機的計算能力,計算模型的尺寸設定為 200m× 5 0m× 50m（長×寬×高）。

2.1.2 材料屬性

道路結構中的瀝青面層及基層采取線彈性模型模擬,各層的材料參數見表1。

表1 道路材料參數

盾構開挖面上的各土層采用摩爾- 庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型,各土層的材料參數見表2。

表2 土層材料參數

2.1.3 計算過程

將模型的四個側面的邊界條件設置為XY 方向約束,Z 方向自由,將頂面設置為自由邊界,底面設置為XYZ 方向約束。

按實際施工情況將模型的模擬計算過程分為四個階段：

第一階段：初始地應力平衡,將地層中受重力影響而產生的初始應力以預應力的方式進行施加,保證地層中的既有應力狀態(tài)正確；

第二階段：施工擾動模擬,盾構機的掘進會影響一定范圍內土體強度的變化,將開挖部分土體的強度模量加以適當的衰減,以模擬盾構機對土體的擾動作用；

第三階段：土體開挖,將開挖部分的土體失效,模擬土被盾構機挖出的實際情況；

第四階段：管片拼裝,將管片單元激活,并設置與土體的接觸關系,以模擬管片對土體形成的支護效果。

2.2 計算過程

2.2.1 盾構對道路結構橫向變形影響分析

在道路結構橫斷面上,將道路左邊緣設為坐標原點,橫向為x 軸,盾構對道路結構橫向變形的影響見圖2。

圖2 橫向變形圖

通過圖中數據可以看出,在x 值為0 和10 時,沉降量達到最大值,x 為0 和10 分別對應了道路的左邊緣和右邊緣,這意味著在道路橫斷面上,左右兩端的變形大于中間的變形。這是因為道路寬度與盾構左線與右線間的間距接近,道路結構的左邊緣和右邊緣位于盾構軸線上方,盾構的軸線上方沉降較大,中間小于軸線,因此道路結構的沉降呈現(xiàn)兩邊大,中間小的特點。

2.2.2 盾構對道路結構縱向變形影響分析

在道路結構縱斷面上,將道路起點設為y 軸坐標原點,縱向為y 軸,盾構對道路結構縱向變形的影響見圖3。

圖3 縱向變形圖

通過圖像可以看出,在道路起點附近,沉降呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,增大大約50 m 之后進入到平穩(wěn)階段,在50 m～150 m 的中間段整體沉降較為平穩(wěn),在150 m～200 m 進入到終點附近,沉降呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這是由于縱斷面上各點的沉降接近,起點和終點處對道路的支撐作用較為明顯,使得道路結構在縱向上呈現(xiàn)凹形。

2.2.3 盾構對道路結構應力狀態(tài)影響分析

道路結構在自然狀態(tài)下的應力分布見圖4。

圖4 自然應力分布圖

道路結構在盾構施工影響下的應力分布見圖5。

圖5 工后應力分布圖

通過圖像可以看出盾構施工的影響使得整個道路結構中的應力增大,產生的附加應力使道路結構趨向于不利的方向,因此在施工過程中需實時監(jiān)測道路變形,及時調整盾構參數,以保證施工過程的安全穩(wěn)定。

3 結論

本研究通過數值模擬分析了盾構施工對道路結構的影響,發(fā)現(xiàn)在道路橫斷面上沉降呈現(xiàn)兩端大、中間小的特點,在縱斷面上呈現(xiàn)兩端小、中間大的特點,并且盾構施工會造成既有道路結構附加應力的增大,因此在施工時需經常監(jiān)測道路結構的變形,以保證整個施工過程的安全穩(wěn)定。