盾構(gòu)隧道穿越區(qū)間風(fēng)機(jī)房三維有限元分析

王平

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 300142， 天津//助理工程師)

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，日益復(fù)雜的建設(shè)環(huán)境對地鐵施工提出了更高的要求[1]。受既有建筑物、地質(zhì)條件的限制，新建地鐵隧道穿越建筑物的現(xiàn)象越來越多[2]。穿越施工不僅給隧道施工帶來困難，同時(shí)也對既有建筑物造成一定的影響[3]。

盾構(gòu)隧道的施工對鄰近既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形產(chǎn)生影響，其最本質(zhì)的原因是盾構(gòu)施工使其周圍地層產(chǎn)生了位移。對地層位移的研究，就是要對既有結(jié)構(gòu)的變形做出估計(jì)和預(yù)測[1,4]。目前這方面的研究方法主要有：經(jīng)驗(yàn)公式法、解析和半解析解法、有限元數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法及現(xiàn)場實(shí)測法等[1,5]。

目前，盾構(gòu)穿越地鐵車站風(fēng)機(jī)房的研究比較少。盾構(gòu)在穿越施工過程中，存在風(fēng)機(jī)房整體、隧道支架及盾構(gòu)自重三者之間的相互影響，施工難度大，施工中風(fēng)險(xiǎn)不易控制[1]。

本文基于盾構(gòu)隧道穿越天津地鐵1號線東延伸段雙林站—李樓站區(qū)間風(fēng)機(jī)房工程項(xiàng)目，使用三維有限元分析軟件Madis-GTS，結(jié)合風(fēng)機(jī)房基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，在確定合理的土層參數(shù)后，針對風(fēng)機(jī)房內(nèi)不同填充物條件，分析盾構(gòu)穿越風(fēng)機(jī)房引起的結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及地表位移的變化情況。分析結(jié)果對類似工程的設(shè)計(jì)、施工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

天津地鐵1號線東延段雙林站—李樓站區(qū)間的風(fēng)機(jī)房位于景勝路與外環(huán)線交口處。風(fēng)機(jī)房主體結(jié)構(gòu)為地下3層結(jié)構(gòu)，呈南北向設(shè)置，結(jié)構(gòu)尺寸為36.60 m×16.00 m×18.96 m，覆土厚度為4.95 m(兼做盾構(gòu)過站使用)。風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

風(fēng)機(jī)房采用明挖順做法施工，兩端區(qū)間采用盾構(gòu)法施工?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，墻厚1.0 m。基坑沿豎向設(shè)置5道支撐+1道換撐，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余采用鋼支撐。

盾構(gòu)左右線中心間距為15.1 m，管片外徑6.2m，厚度為0.35 m。盾構(gòu)穿越前，對風(fēng)機(jī)房基坑外土體進(jìn)行加固，加固范圍為20.6 m×13.5 m×6.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)腰梁采用C30鋼筋混凝土，主體結(jié)構(gòu)中柱及盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，其余結(jié)構(gòu)均采用C35鋼筋混凝土。盾構(gòu)穿越土層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)尺寸

2 建立三維有限元模型

2.1 基本假定

(1) 所有土層為各向同性、均質(zhì)。簡化地表和各土層，使其呈均勻的水平層狀分布。選取摩爾-庫倫本構(gòu)模型做為巖土體的本構(gòu)模型。

表2 盾構(gòu)隧道穿越土層物理力學(xué)參數(shù)

(2) 不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體接觸面的相對滑移，認(rèn)為它們始終是協(xié)調(diào)變形的，且不考慮結(jié)構(gòu)與土體的脫離現(xiàn)象。

(3) 初始應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場，使土層在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，而后再進(jìn)行基坑開挖模擬。

(4) 不考慮基坑中土體開挖的時(shí)間效應(yīng)。

(5) 計(jì)算中不考慮地下水的滲透作用，采用水土合算的方法，地下水位以下采用飽和容重處理。

2.2 有限元模型

模型如圖1所示，共劃分為41 443個(gè)單元，39 676個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型整體尺寸為177.6 m×107 m×66.3 m，基坑尺寸為37.6 m×17 m×23.8 m，模型兩側(cè)距基坑邊緣分別45 m和70 m，模型底部距連續(xù)墻底部20 m，距基坑底部為42.5 m。

采用位移邊界條件，上邊界取地面為自由面，兩側(cè)面、底面均受法向約束。土體采用3D實(shí)體單元模擬，連續(xù)墻、側(cè)墻、底板、頂板采用2D板單元模擬，支撐、柱、腰梁、縱梁采用1D梁單元模擬，加固區(qū)采用按一定比例提高的土體參數(shù)模擬[6]，連續(xù)墻與側(cè)墻之間建立剛性接觸單元?？紤]到接頭以及錯(cuò)縫拼裝方式的影響，將管片的剛度進(jìn)行修正，折減系數(shù)確定為0.80。

圖1 盾構(gòu)隧道穿越風(fēng)機(jī)房有限元模型

盾構(gòu)開挖過程中引起沉降的因素主要有以下幾種： ① 施加在開挖面土體上應(yīng)力的大??； ② 盾構(gòu)對土體的擠壓和剪切摩擦；③ 土體擠入盾尾空隙[7,8]。

對于盾構(gòu)機(jī)切削刀盤的推進(jìn)力效應(yīng)以及正面土壓力的穩(wěn)定效應(yīng)，采用在盾構(gòu)作業(yè)開挖面處施加一定的表面力來進(jìn)行模擬[7,8]。對于注漿以及漿液與土體的作用，采用應(yīng)力釋放程度和等代層來考慮，通過調(diào)整空洞周邊地層釋放荷載的大小來反映注漿的影響，通過等代層參數(shù)來反映漿液的性質(zhì)[7,8]。

2.3 施工過程模擬

基坑采用明挖法施工，先撐后挖，共15步。第16步主體結(jié)構(gòu)第三層填充材料，這里分3個(gè)工況，分別為： ① 第三層全填素混凝土； ② 第三層全填土； ③ 第三層添加隔板，部分填素混凝土。17～77步為盾構(gòu)施工過程，盾構(gòu)施工完成后清除填充物(78步)。

盾構(gòu)隧道左右線錯(cuò)開施工，全斷面開挖土體,每循環(huán)進(jìn)尺為1環(huán)管片環(huán)寬。每向前開挖一步，鈍化己經(jīng)開挖掉的土體單元。GTS軟件施工步中考慮荷載釋放系數(shù)(LDF)為0.25，同時(shí)在開挖面處施加盾構(gòu)正面附加推力0.3 MPa，激活襯砌單元，同步注漿形成等代層采用彈性體，其厚度取0.15 m，彈性模量取4.5 MPa，泊松比取0.3。

3 有限元分析

3.1 模型驗(yàn)證

首先進(jìn)行基坑開挖施工模擬。不考慮盾構(gòu)施工，取相同位置的地表沉降、連續(xù)墻頂水平位移、連續(xù)墻頂豎向位移的有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型參數(shù)取值的合理性。監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2所示，結(jié)果如圖3、圖4所示。有限元模擬不考慮時(shí)間效應(yīng)，提取每個(gè)施工步的位移變化進(jìn)行表示。現(xiàn)場監(jiān)測從施工開始到結(jié)束每隔一段時(shí)間選取1個(gè)位移結(jié)果，將位移的變化趨勢和位移值進(jìn)行比較。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)位置圖

圖3 有限元模擬位移結(jié)果

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測位移結(jié)果

對比3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可以看出，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化趨勢基本一致，且最終位移結(jié)果相差較小，說明模型采用的參數(shù)能夠滿足計(jì)算要求，計(jì)算結(jié)果可信。

3.2 盾構(gòu)施工對基坑的影響

盾構(gòu)在穿越風(fēng)機(jī)房時(shí)會(huì)對基坑產(chǎn)生影響。分別提取3種工況下的圖2中A點(diǎn)水平位移、A點(diǎn)豎向位移、B點(diǎn)水平位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。其中，左線盾構(gòu)開挖面在37步時(shí)推進(jìn)至基坑側(cè)墻位置，44步時(shí)出基坑；右線盾構(gòu)開挖面在47步時(shí)推進(jìn)至基坑側(cè)墻位置，54步時(shí)出基坑。由圖5、圖6、圖7可以看出：

(1) 盾構(gòu)施工過程中，連續(xù)墻位移主要發(fā)生在基坑開挖階段，主體結(jié)構(gòu)澆筑階段位移有所減小。

(2) 基坑內(nèi)回填材料時(shí)，3種工況下連續(xù)墻位移會(huì)顯著增加，其中全填土增加最大，全填混凝土增加最小。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)A水平位移

圖6 監(jiān)測點(diǎn)A豎向位移

圖7 監(jiān)測點(diǎn)B水平位移

(3) A點(diǎn)水平位移在左線隧道開挖至基坑時(shí)略有增加，在右線隧道開挖至基坑時(shí)減??；A點(diǎn)豎向位移在左右線隧道開挖至基坑時(shí)略有減小。

(4) B點(diǎn)水平位移在盾構(gòu)開挖面接近基坑時(shí)減小，到達(dá)基坑時(shí)達(dá)到最?。划?dāng)盾構(gòu)在基坑內(nèi)施工時(shí)，B點(diǎn)位移增大。

3.3 盾構(gòu)施工對側(cè)墻內(nèi)力的影響

盾構(gòu)在穿越風(fēng)機(jī)房主體結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使盾構(gòu)周邊結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大的變化。提取右線盾構(gòu)右側(cè)主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的內(nèi)力變化結(jié)果進(jìn)行分析，如圖8、圖9所示。

圖8 側(cè)墻等效應(yīng)力變化

圖9 側(cè)墻最大剪應(yīng)力變化

由圖8、圖9可以看出：監(jiān)測點(diǎn)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力變化趨勢一致。側(cè)墻施工后，監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力較??；結(jié)構(gòu)第三層填充材料后，監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力增大；左線盾構(gòu)推進(jìn)至結(jié)構(gòu)時(shí)，由于距監(jiān)測點(diǎn)較遠(yuǎn)，未對監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力產(chǎn)生影響；右線盾構(gòu)推進(jìn)至監(jiān)測點(diǎn)(54步)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力顯著增大。3種工況下，填土工況監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力值增加最大，全部填混凝土增加最小。

3.4 盾構(gòu)施工對地表沉降的影響

盾構(gòu)引起地層沉降一般分為縱向沉降和橫向沉降。分別提取3種工況下沿盾構(gòu)隧道開挖方向的地表沉降結(jié)果。如圖10方形監(jiān)測點(diǎn)所示，根據(jù)模型網(wǎng)格劃分可知，監(jiān)測點(diǎn)間距為6 m，距基坑邊緣36 m的監(jiān)測點(diǎn)為盾構(gòu)開挖面對應(yīng)的地表位置，監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

根據(jù)圖11的地表縱向沉降曲線可以看出，3種工況下沿盾構(gòu)隧道開挖方向的縱斷面地表沉降呈“S”形，開挖面后方地表發(fā)生沉降，前方地表輕微隆起。在遠(yuǎn)離基坑位置，3種工況下地表位移基本相同，在靠近基坑位置，受坑內(nèi)填充物的影響，地表沉降出現(xiàn)差異，全填土沉降最大，全填混凝土最小。

根據(jù)模型網(wǎng)格劃分(監(jiān)測點(diǎn)間距見圖10)，假設(shè)沿開挖方向距離以左側(cè)為負(fù)，以右側(cè)為正，分別提取3種工況下垂直于盾構(gòu)隧道開挖方向的地表沉降監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。

單位:m

圖10 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)位置圖

圖11 地表縱向沉降

圖12 地表橫向沉降

由圖12可以看出，3種工況下垂直于盾構(gòu)隧道開挖方向的橫斷面地表沉降呈“U”形，距模型中線超過30 m時(shí)地表沉降已很小。由于監(jiān)測點(diǎn)距基坑6 m，受基坑內(nèi)填充物影響，全填土沉降值最大，全填混凝土最小。

4 結(jié)論

基于盾構(gòu)隧道穿越天津地鐵1號線東延段雙林站—李樓站區(qū)間風(fēng)機(jī)房工程項(xiàng)目，采用三維有限元分析方法，建立了基坑開挖模型及雙線盾構(gòu)隧道穿越風(fēng)機(jī)房模型。重點(diǎn)研究了在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)不同填充物條件下，盾構(gòu)穿越對結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及地表位移的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)測資料及有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，模型所取參數(shù)和計(jì)算結(jié)果可信。

(2) 基坑內(nèi)回填填充物時(shí)，連續(xù)墻墻頂位移及第三層側(cè)墻內(nèi)力會(huì)增大，3種工況下全填土增加最明顯，全填混凝土增加最小。

(3) 盾構(gòu)掘進(jìn)對連續(xù)墻位移影響較小；掘進(jìn)至側(cè)墻時(shí)，側(cè)墻與盾構(gòu)接觸位置內(nèi)力顯著增大(應(yīng)采取加強(qiáng)措施)。

(4) 地表豎向沉降呈“S”形，橫向沉降呈“U”形，結(jié)構(gòu)內(nèi)填充物對地表沉降的影響范圍約在模型中心線兩側(cè)30 m內(nèi)。在影響范圍內(nèi)，全填土沉降最大，全填混凝土沉降最小。

綜上所述，全填混凝土在填筑過程及盾構(gòu)推進(jìn)過程中對地表位移、結(jié)構(gòu)位移及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制較好。