寧德飚， 劉 婷， 郭 峰， 肖 西， 余 健

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650051； 2.昆明晟捷建筑工程技術(shù)咨詢有限公司， 昆明 650214； 3.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司， 昆明 650041)

隨著中國城市地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵隧道營運里程的快速增長，盾構(gòu)隧道開挖工法越來越普遍。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等自動化程度較高，在掘進(jìn)效率和安全性方面有較強(qiáng)的優(yōu)越性。由于盾構(gòu)隧道開挖不可避免要穿越各種各樣的地上或地下臨近建筑物，如何在保證上部建筑物使用安全的條件下，保障地鐵盾構(gòu)隧道施工期間順利穿過臨近建筑物以及建成后運營期間不受臨近建筑物的影響，對推進(jìn)軌道交通建設(shè)項目的順利實施意義重大。

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)利用刀盤切削開挖前方土體，依靠千斤頂推力克服土體壓力和土體摩擦阻力向前掘進(jìn)，螺旋輸送機(jī)排渣的同時借助土壓艙內(nèi)土體壓力來平衡開挖面土水壓力以控制開挖面及周圍土體不發(fā)生坍塌失穩(wěn)。盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)后，在其內(nèi)部將預(yù)留注漿孔的管片拼裝成襯砌，然后對盾尾的施工空隙實施壁后注漿，盾尾空隙產(chǎn)生的地層損失得以減小。

地鐵盾構(gòu)穿越施工時，盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)擾動土體，引起周邊地層變形和地表沉降，進(jìn)而影響附近建筑物的安全。

受隧道與建筑物的交互影響作用，二者的修建時序孰先孰后，很大程度上影響臨近建筑物的正常使用及下穿地鐵盾構(gòu)隧道施工期與運營期的結(jié)構(gòu)安全。目前國內(nèi)研究隧道與臨近建筑物修建時序的文獻(xiàn)相對較少。

文獻(xiàn)[1]利用FLAC3D對地鐵區(qū)間隧道與鄰近高層構(gòu)筑物的不同建設(shè)時序下相互影響建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了先施工高層構(gòu)筑物后施工地鐵隧道的建設(shè)時序可有效避開施工風(fēng)險、降低工程造價的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]利用Plaxis 3D將不同施工順序引起的鄰近高層建筑物結(jié)構(gòu)沉降、應(yīng)力重分布、塑性區(qū)分布以及傾斜情況進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析，以此對隧道穿越高層建筑物的施工順序進(jìn)行優(yōu)化。

本文以地鐵隧道盾構(gòu)施工下穿某一擬建七層公共立體車庫工程為研究背景，采用Midas GTS NX提供的數(shù)值模擬手段，分析不同修建順序?qū)αⅢw車庫結(jié)構(gòu)與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，據(jù)以優(yōu)化修建時序以保證地鐵盾構(gòu)隧道下穿立體車庫時二者的結(jié)構(gòu)及運營安全。

1 盾構(gòu)隧道下穿施工影響計算方法

1.1 Peck理論[3]

計算盾構(gòu)隧道施工的地表沉降可以采用經(jīng)典Peck理論或體積損失理論。Peck理論認(rèn)為地層的沉降主要是由地層損失所引起的，隧道施工沉降變形在空間上表現(xiàn)為隨開挖不斷向前推進(jìn)沉降槽，沉降槽曲線為近似于一個Gauss分布曲線。Peck理論假定地層在不排水的條件下的開挖，其損失即為地表沉降槽的體積大小，如圖1所示。

圖1 Peck公式沉降槽

當(dāng)采用Peck公式進(jìn)行分析時，地表沉降橫向分布的公式為

(1)

(2)

(3)

Vs=πVlR2

(4)

式中：S(x)為距離圖1沉降槽O點處為x處的地表沉降，mm；Smax為O點處的地表最大沉降，mm；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；z為盾構(gòu)中心埋深；φ為土體內(nèi)摩擦角；Vs為盾構(gòu)單位長度的地層損失量，m3/m，也即盾構(gòu)實際開挖的巖土體的體積與竣工盾構(gòu)的體積之差；Vl為地層體積損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比；R為盾構(gòu)機(jī)半徑。

1.2 三維有限元數(shù)值模擬方法

運用地層結(jié)構(gòu)法設(shè)計原理，采用三維有限元數(shù)值方法模擬盾構(gòu)隧道下穿工程的施工力學(xué)行為，在實際工程中應(yīng)用十分廣泛。地層結(jié)構(gòu)法通過建立地層、隧道、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)幾何模型，賦予圍巖、襯砌等物理力學(xué)參數(shù)，施加邊界條件和荷載，在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下分別計算隧道管片與地層的內(nèi)力和變形，分析包括施工階段的圍巖穩(wěn)定、初期支護(hù)參數(shù)以及地表沉降對周圍環(huán)境的影響情況等三維效應(yīng)[4-8]。

有限元軟件通常用荷載釋放控制法或節(jié)點反力法模擬盾構(gòu)隧道的開挖行為。開挖過程的模擬通過在開挖邊界上施加釋放荷載實現(xiàn)。將一個相對完整的施工階段稱為施工步，每個施工步包含若干增量步，該施工步相對應(yīng)的開挖釋放荷載在各個增量步中逐步釋放，由釋放系數(shù)控制每個增量步的荷載釋放量。通過在開挖邊界上設(shè)置釋放荷載并將其轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點力，據(jù)以模擬開挖效應(yīng)[9]。

盾構(gòu)隧道開挖過程中的地層損失包含考慮了壁后注漿效應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)與襯砌之間的空隙、盾構(gòu)機(jī)前面的土體的彈塑性變形等。GTS NX通過設(shè)置洞周開挖土體形變至收斂位置來體現(xiàn)，直接在盾構(gòu)隧道邊緣施加強(qiáng)制位移邊界條件來模擬應(yīng)力釋放過程，可以模擬任意給定的地層損失比。盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填及注漿后漿體的分布情況在GTS NX中還可以用等代層法模擬[10-11]。

盾構(gòu)管片采用修正慣用法計算因管片接頭存在而使管片環(huán)降低的整體剛度，用折減等效剛度ηEI(η≤1)對圓環(huán)模型進(jìn)行模擬，管片錯縫拼裝的影響考慮用彎矩修正系數(shù)ξ(ξ≤1) 來體現(xiàn)，管片主截面的彎矩為(1+ξ)M,管片接頭彎矩為 (1-ξ)M。根據(jù)大量管片錯接頭荷載試驗結(jié)果，參數(shù)η取0.6～0.8,ξ取0.2～0.3[12]。

2 工程實例

2.1 項目概況

地鐵盾構(gòu)隧道施工項目即將下穿某一擬建七層公共立體車庫工程，兩個項目的修建存在工期沖突。立體車庫項目場地南側(cè)下方為規(guī)劃軌道交通線，車庫基底距離待建地鐵盾構(gòu)隧道邊線最小豎向凈距約為12.7 m。項目總平面布置如圖2所示。

擬建立體車庫建筑物占地面積為1 641.4 m2，地上建設(shè)七層車庫，結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)框架，建成后將有335個停車位。立體車庫樓層典型平面布置圖如圖3所示。

地鐵區(qū)間隧道長為1 467.2 m，均采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)外徑6.48 m，盾構(gòu)管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，厚度350 mm，管片環(huán)寬1.2 m，分塊數(shù)為6塊，襯砌環(huán)縱、環(huán)縫采用環(huán)螺栓連接。盾構(gòu)管片斷面如圖4所示。

2.2 地層物理力學(xué)參數(shù)

場地范圍內(nèi)自上而下可分為第四系人工填土層(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及第四系上更新統(tǒng)沖湖積層(Q3al+l)3個地層單元，巖土層從上往下分布為①雜填土、②紅黏土、③紅黏土、④紅黏土、⑤強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，各土層的巖土物理力學(xué)指標(biāo)取值見表1。

2.3 技術(shù)路線

本文需要研究車庫與地鐵的修建時序影響：一是地鐵施工對先期修建的車庫結(jié)構(gòu)的影響，二是后期施工車庫及其車輛活載變化對地鐵安全的影響范圍等。

第一種情形：在車庫先期存在的情況下，盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層應(yīng)力釋放，地層土體產(chǎn)生相應(yīng)的彈塑性變形，容易導(dǎo)致相鄰車庫結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降、傾斜等現(xiàn)象，從而對車庫結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。嚴(yán)重時甚至危及車庫結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)而影響隧道施工的安全和進(jìn)度。

圖2 項目總平面布置

圖3 立體車庫平面

圖4 盾構(gòu)管片斷面圖

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

第二種情形：在地鐵先期存在的情況下，車庫基坑開挖和筏基回筑施工，改變了原土壤應(yīng)力場的平衡，產(chǎn)生的土壓力差容易導(dǎo)致相鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)物沿縱向和橫向發(fā)生不均勻變形，從而對地鐵車站結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。車庫建成后，進(jìn)一步需考慮按設(shè)計樓面活載進(jìn)行運營是否可能影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

第三種情形：隧道和車庫均已建成后，考慮按設(shè)計樓面活載進(jìn)行運營對地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響。

為此，本研究對上述情形采用數(shù)值模擬手段，考慮各種施工條件，對各主要施工工況進(jìn)行具體的數(shù)值模擬計算，研究整個過程中車庫結(jié)構(gòu)或地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形情況，找出施工過程中可能對結(jié)構(gòu)造成不利影響的工況進(jìn)行安全性評估，提出針對性的預(yù)防措施和建議[13]。

2.4 安全評估控制值

1)車庫項目為采用混凝土筏形基礎(chǔ)，尺寸為48.4 m×38.4 m，建筑物高度為24.7 m。為確保結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)規(guī)范推薦值結(jié)合以往經(jīng)驗和相關(guān)理論分析，采用+10 mm和-30 mm作為建筑物結(jié)構(gòu)豎向附加變形(位移)控制值，水平方向附加變形(位移)的理論控制值采用±20 mm，結(jié)構(gòu)最大不同點差異沉降引起的基礎(chǔ)傾斜控制值為12 mm[14-16]。

2)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用±10 mm作為豎向附加變形(位移)或水平方向附加變形(位移)的安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值。管片內(nèi)力由最大裂縫寬度控制，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度迎水面按0.2 mm、背水面按0.3 mm控制。在模擬計算時將根據(jù)管片類型核查盾構(gòu)內(nèi)力的是否滿足設(shè)計控制彎矩值，本例相應(yīng)的設(shè)計控制彎矩值為137 kN·m。結(jié)合以往類似工程相關(guān)經(jīng)驗，如果能夠控制外部項目對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的附加變形在上述變形控制值內(nèi)時，地鐵盾構(gòu)隧道的內(nèi)力值變化較小，所以一般以變形控制為主[17-20]。

2.5 數(shù)值模擬計算

2.5.1 三維有限元模型

采用Midas GTS NX有限元軟件建立的項目總體模型如圖5所示。

圖5 項目總體模型

2.5.2 盾構(gòu)施工對先期修建的車庫結(jié)構(gòu)的影響

圖6 車庫建筑的水平、豎向位移

考慮車庫先期修建完工的情況下，將地鐵分為1、2、3段施工范圍，其中進(jìn)入車庫建筑物之前的為1施工段，下穿車庫建筑物范圍為2施工段，穿過車庫建筑物之后為3施工段，按每段6 m進(jìn)行細(xì)分，左線分為8段，右線分為10段。

上述情形的計算結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)穿過項目建筑物的全過程，車庫建筑的結(jié)構(gòu)水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-3.44 mm，豎向z方向最大位移為-7.48 mm，均小于前文提出的結(jié)構(gòu)位移控制限值，如圖6所示。

2.5.3 車庫施工對先期修建的盾構(gòu)隧道的影響

項目計算范圍和前述一致，考慮地鐵盾構(gòu)隧道先期修建完工的情況下，計算車庫從開挖筏形基礎(chǔ)到逐層施工至頂層過程的受力情況。

上述情形的計算結(jié)果表明，車庫從開挖筏形基礎(chǔ)到頂層施工完成的全過程，地鐵隧道水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-4.47 mm，小于前述安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移為-13.81 mm，已大于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值，如圖7所示。地鐵管片彎矩Mxx最大為-154.8(kN·m)/m，Myy最大為141.9(kN·m)/m，已大于設(shè)計控制彎矩值，如圖8所示。

圖7 盾構(gòu)隧道水平、豎向位移

圖8 盾構(gòu)隧道彎矩

2.5.4 車庫設(shè)計活載對已建盾構(gòu)隧道的影響

車庫建成后，運營設(shè)計樓面活載為7.0 kN/m2，計算在設(shè)計活載作用下地鐵結(jié)構(gòu)的位移和變形情況。

計算結(jié)果表明，在車庫設(shè)計樓面活載作用下，地鐵隧道水平方向最大位移發(fā)生在y方向，其值為-4.07 mm，小于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)；豎向z方向最大位移為-12.44 mm，已大于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)，如圖9所示。地鐵管片彎矩Mxx最大為161.2(kN·m)/m，Myy最大為149.4(kN·m)/m，已大于設(shè)計控制彎矩值，如圖10所示。

圖9 盾構(gòu)隧道水平、豎向位移

圖10 盾構(gòu)隧道彎矩

2.6 地鐵下穿車庫修建時序分析

綜合以上計算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)車庫建筑物先期施工時，因后續(xù)地鐵盾構(gòu)隧道施工引起的車庫建筑物位移變形附加值最大值，不超過安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值。

2)地鐵盾構(gòu)隧道先期施工時，因后續(xù)車庫建筑物施工引起的隧道結(jié)構(gòu)位移變形，水平方向最大位移附加值小于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移附加值為-13.81 mm，大于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值；因后續(xù)車庫建筑物施工引起的隧道結(jié)構(gòu)彎矩Mxx最大值為-154.8(kN·m)/m，Myy最大值為141.9(kN·m)/m，已大于設(shè)計控制彎矩值。

3)在地鐵隧道和車庫建筑物均已修建完成的情況下，按設(shè)計樓面活載7.0 kN/m2作用于車庫引起的地鐵隧道位移變形附加值,地鐵結(jié)構(gòu)水平方向最大位移小于安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向z方向最大位移為-12.44 mm，超過了安全評估控制標(biāo)準(zhǔn)；車庫按相同設(shè)計樓面活載作用時地鐵結(jié)構(gòu)彎矩Mxx最大為161.2(kN·m)/m，Myy最大為149.4(kN·m)/m，均已大于設(shè)計控制彎矩值。

由上述結(jié)論匯總不難看出，車庫在地鐵結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行施工，地鐵盾構(gòu)管片的變形和內(nèi)力均超過限值。而車庫先期施工，在地鐵施工抵達(dá)之前完成大部分沉降，對地鐵的結(jié)構(gòu)安全相對有利。同時立體車庫的設(shè)計樓面活載須進(jìn)行必要的調(diào)整，以滿足地鐵結(jié)構(gòu)的安全要求。

3 結(jié)論

采用三維有限元軟件對地鐵盾構(gòu)隧道下穿立體車庫進(jìn)行修建時序比較的數(shù)值模擬分析是可行的。結(jié)合不同修建時序建立工況的數(shù)值計算結(jié)果，優(yōu)化二者的修建時序，有效解決了兩個項目的工期沖突問題。分析成果表明，立體車庫先期施工時對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力比較有利，立體車庫的設(shè)計樓面活載須進(jìn)行必要的調(diào)整。為同時保障地鐵隧道安全掘進(jìn)施工、立體車庫的結(jié)構(gòu)和運營安全提供了充分的決策依據(jù)。后續(xù)項目得以順利推進(jìn)直至通車運營，表明三維有限元數(shù)值仿真模擬可以為實施復(fù)雜結(jié)構(gòu)項目的安全評估提供重要手段。