盾構(gòu)近接施工對(duì)箱涵的影響分析與控制

吳華州，郭易東，蔡志勇，李興高

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100089； 3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

目前盾構(gòu)法廣泛地應(yīng)用到我國(guó)地鐵建設(shè)中[1-3]，由于城市環(huán)境復(fù)雜，并且隨著我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)的日益完善，地鐵隧道修建時(shí)常出現(xiàn)下穿建構(gòu)筑物的情況。盾構(gòu)隧道在施工過程中會(huì)破壞原有地層的力學(xué)平衡，從而引起箱涵產(chǎn)生不均勻沉降和附加應(yīng)力，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致箱涵發(fā)生破壞產(chǎn)生裂縫從而出現(xiàn)漏水等情況，故需要嚴(yán)格控制盾構(gòu)隧道施工對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的影響。李濤等[4]通過數(shù)值計(jì)算分析了盾構(gòu)隧道施工順序?qū)﹁F路箱涵結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。王國(guó)富等[5]利用FLAC3D軟件分析了盾構(gòu)下穿施工引起的橋涵結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力特征。陳曉偉等[6]通過數(shù)值模擬分析了北京某地鐵區(qū)間下穿鐵路箱涵時(shí)的注漿加固效果。朱垚鋒等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段分析了淤泥地層中盾構(gòu)隧道施工引起鄰近箱涵的變形規(guī)律。周紹賓等[8]通過Midas GTS有限元軟件分析了盾構(gòu)施工對(duì)排水箱涵結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，并提出了既有構(gòu)筑物變形的有效控制措施。鐘晟[9]針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)下穿公路箱涵工程，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了盾構(gòu)下穿施工對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)規(guī)律。本文以北京地鐵3號(hào)線朝陽(yáng)公園站—石佛營(yíng)站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿農(nóng)展館南路箱涵工程為依托，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分析了盾構(gòu)隧道施工對(duì)農(nóng)展館南路箱涵的影響及相應(yīng)的保護(hù)措施。

1 工程概況

北京地鐵3號(hào)線朝陽(yáng)公園站—石佛營(yíng)站盾構(gòu)區(qū)間在里程YK35+466.623～YK35+487.932范圍內(nèi)下穿農(nóng)展館南路箱涵，區(qū)間隧道與農(nóng)展館南路箱涵平面位置關(guān)系及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，該箱涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要用作兩湖聯(lián)通渠通道，長(zhǎng)70 m，寬21.20 m，高5.46 m，底板標(biāo)高為30.94 m，箱涵內(nèi)常水位標(biāo)高為33.20 m，區(qū)間距離箱涵底板最近豎向距離為13.092 m，如圖2所示，為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。該工程中左線隧道為先行線，待左線隧道施工完畢后再進(jìn)行右線隧道施工。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件要求，農(nóng)展館南路箱涵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)箱涵基礎(chǔ)縱向不均勻沉降控制值為5 mm/5 m，底板縱向傾斜度小于1/1 000。

2)箱涵基礎(chǔ)底板橫向不均勻沉降控制值為5 mm。

3)箱涵整體均勻沉降控制值為10 mm。

4)箱涵側(cè)墻傾斜度不大于1/1 000。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型建立

使用FLAC3D對(duì)所建立的模型進(jìn)行了分析，主要研究盾構(gòu)下穿農(nóng)展館南路箱涵時(shí)對(duì)箱涵的影響及相應(yīng)的保護(hù)措施。本模型所有單元均采用實(shí)體單元，地層采用服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，管片、盾殼、同步注漿、二次補(bǔ)漿及箱涵均采用彈性模型。計(jì)算模型如圖3所示，模型x方向長(zhǎng)110 m，y方向長(zhǎng)60 m，z方向長(zhǎng)50 m，盾構(gòu)掘進(jìn)方向每環(huán)取1.2 m，模型單元總數(shù)為53 715，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為72 744。

盾構(gòu)下穿農(nóng)展館南路箱涵時(shí)，在離盾尾7環(huán)處從洞內(nèi)采用徑向注漿加固盾構(gòu)隧道周圍土體，加固范圍為拱頂部分注漿深度3 m，仰拱部分注漿深度1 m，注漿擴(kuò)散半徑為0.5 m，縱向注漿范圍取盾構(gòu)掌子面距箱涵前后各1倍洞徑。為了研究盾構(gòu)下穿農(nóng)展館南路箱涵時(shí)二次補(bǔ)漿的作用效果，分別設(shè)置了無二次補(bǔ)漿和有二次補(bǔ)漿兩種工況，箱涵內(nèi)水的自重通過施加均布力在箱涵內(nèi)來模擬。模型計(jì)算中所選取的參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)取值

2.2 模型計(jì)算過程

本文采用Midas GTS NX軟件建立模型并劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模型示意圖如圖4所示。

盾構(gòu)掘進(jìn)模型參照施工中所使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾殼外徑為6.5 m，鋼筋混凝土管片外徑為6.4 m，內(nèi)徑為5.8 m，環(huán)寬1.2 m，二次補(bǔ)漿外徑為8.5 m。該模型可對(duì)盾構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，各掘進(jìn)過程的模擬方法[10]：土艙壓力通過施加壓力在盾構(gòu)機(jī)前方土體上來模擬；盾構(gòu)機(jī)切削土體通過賦予土體空單元來模擬；當(dāng)切削土體后激活盾殼單元來模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，其中盾殼長(zhǎng)度取7環(huán)管片寬度；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)距離達(dá)到7環(huán)管片寬度以后通過激活管片單元來模擬拼裝管片；通過改變盾殼單元的材料參數(shù)來模擬同步注漿；在盾構(gòu)下穿箱涵時(shí)通過激活二次補(bǔ)漿單元來模擬二次補(bǔ)漿。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過數(shù)值計(jì)算得到了兩種工況下箱涵結(jié)構(gòu)沉降云圖如圖5所示，左右線施工結(jié)束后兩種工況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6分析可得，在工況一沒有進(jìn)行二次補(bǔ)漿的沉降數(shù)據(jù)中，箱涵西側(cè)的最大沉降為11.2 mm發(fā)生在測(cè)點(diǎn)JGC-02-14處，平均沉降為7.3 mm，縱向最大不均勻沉降為8.4 mm；箱涵東側(cè)的最大沉降為11.4 mm發(fā)生在測(cè)點(diǎn)JGC-02-15處，平均沉降為7.5 mm，縱向最大不均勻沉降為8.7 mm。在工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿的沉降數(shù)據(jù)中，箱涵西側(cè)的最大沉降為4.3 mm發(fā)生在測(cè)點(diǎn)JGC-02-14處，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.1 mm；箱涵東側(cè)的最大沉降為4.4 mm發(fā)生在測(cè)點(diǎn)JGC-02-15處，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.2 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)通過及時(shí)二次補(bǔ)漿可以將箱涵的平均沉降由7.3 mm減少為2.9 mm，平均沉降減少了60%，縱向最大不均勻沉降由8.7 mm減少為3.1 mm，最大不均勻沉降減少了64%，故及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿可以有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的影響。

針對(duì)工況二數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行具體分析，箱涵各測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖7～圖10所示。

由圖7分析可得，對(duì)于箱涵西側(cè)測(cè)點(diǎn)，左線盾構(gòu)隧道施工引起的箱涵最大沉降為2.2 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-10處，平均沉降為1.3 mm，縱向最大不均勻沉降為2.1 mm；右線隧道施工導(dǎo)致箱涵最大沉降點(diǎn)右移，最大沉降增加到4.3 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-14，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.1 mm。

由圖8分析可得，對(duì)于箱涵東側(cè)測(cè)點(diǎn)，左線盾構(gòu)隧道施工引起的箱涵最大沉降為2.3 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-13處，平均沉降為1.3 mm，縱向最大不均勻沉降為2.2 mm；右線隧道施工導(dǎo)致箱涵最大沉降點(diǎn)右移，最大沉降增加到4.5 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-15，平均沉降為2.9 mm，縱向最大不均勻沉降為3.3 mm。

由圖9分析可得，對(duì)于箱涵北側(cè)測(cè)點(diǎn)，左線盾構(gòu)隧道施工引起的箱涵最大沉降為0.11 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-03處，平均沉降為0.09 mm，橫向最大不均勻沉降為0.02 mm；右線隧道施工導(dǎo)致箱涵最大沉降增加到1.32 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-03，平均沉降1.26 mm，橫向最大不均勻沉降為0.12 mm。

由圖10分析可得，對(duì)于箱涵南側(cè)測(cè)點(diǎn)，左線盾構(gòu)隧道施工引起的箱涵最大沉降為1.20 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-26處，平均沉降為1.09 mm，橫向最大不均勻沉降為0.22 mm；右線隧道施工導(dǎo)致箱涵最大沉降增加到1.46 mm出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)JGC-02-26，平均沉降為1.31 mm，橫向最大不均勻沉降為0.30 mm。

箱涵側(cè)墻水平位移如圖11所示，側(cè)墻傾斜度為1/136 500。

由上面分析可知，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿的情況下，箱涵縱向不均勻沉降為3.3 mm，底板縱向傾斜度為33/350 000小于1/1 000，橫向不均勻沉降為0.3 mm小于5 mm，整體均勻沉降為2.9 mm小于10 mm，側(cè)墻傾斜度為1/136 500小于1/1 000，故盾構(gòu)掘進(jìn)下穿箱涵時(shí)對(duì)箱涵的影響滿足要求。盾構(gòu)隧道開挖時(shí)會(huì)導(dǎo)致土體體積損失，引起周圍土體的有效應(yīng)力增加，最終導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而產(chǎn)生位移，從而引起箱涵的不均勻沉降，所以在盾構(gòu)施工過程中及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿可有效減小隧道開挖對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的影響。

2.4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

目前由于該工程正在施工左線隧道，右線隧道還沒有開始施工，在左線盾構(gòu)施工通過箱涵后分別針對(duì)箱涵東側(cè)測(cè)點(diǎn)JGC-02-01,JGC-02-04,JGC-02-06,JGC-02-08,JGC-02-10,JGC-02-12,JGC-02-14,JGC-02-16,JGC-02-18,JGC-02-20,JGC-02-22,JGC-02-24,JGC-02-26，箱涵西側(cè)測(cè)點(diǎn)JGC-02-03,JGC-02-05,JGC-02-07,JGC-02-09,JGC-02-11,JGC-02-13,JGC-02-15,JGC-02-17,JGC-02-19,JGC-02-21,JGC-02-23,JGC-02-25,JGC-02-28進(jìn)行分析，工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿情況下數(shù)值模擬沉降與實(shí)測(cè)沉降對(duì)比如圖12所示。

分析圖12可得，在左線盾構(gòu)施工通過箱涵后，箱涵東西兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降趨勢(shì)基本一致。箱涵西側(cè)測(cè)點(diǎn)最大沉降均出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC-02-10處，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大沉降為2.4 mm，平均沉降為1.2 mm，工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿情況下的最大沉降為2.2 mm，平均沉降為1.3 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均沉降與工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿情況下數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的平均沉降相差不大，誤差率為7.7%。箱涵東側(cè)測(cè)點(diǎn)最大沉降均出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC-02-11處，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大沉降為2.8 mm，平均沉降為1.4 mm，工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿下的最大沉降為2.4 mm，平均沉降為1.3 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均沉降與工況二進(jìn)行二次補(bǔ)漿情況下數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的平均沉降相差不大，誤差率為7.1%。由沉降曲線可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沉降曲線與工況二注漿情況下數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果曲線比較吻合，計(jì)算結(jié)果能夠較好的反映實(shí)際工程情況。

3 結(jié)論

本文針對(duì)北京地鐵3號(hào)線朝陽(yáng)公園站—石佛營(yíng)站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿農(nóng)展館南路箱涵工程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，得到如下結(jié)論：1)盾構(gòu)下穿農(nóng)展館南路箱涵時(shí)通過及時(shí)二次補(bǔ)漿可以將箱涵的平均沉降由7.3 mm減少為2.9 mm，減少了60%，縱向最大不均勻沉降由8.7 mm減少為3.1 mm，減少了64%。2)盾構(gòu)施工過程中，后開挖隧道對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)沉降變形的影響大于先開挖隧道。3)盾構(gòu) 掘進(jìn)過程中及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿的情況下，箱涵縱向不均勻沉降為3.3 mm，底板縱向傾斜度為33/350 000，橫向不均勻沉降為0.3 mm，整體均勻沉降為2.9 mm，側(cè)墻傾斜度為1/136 500，都小于相應(yīng)的控制指標(biāo)。