于德海，舒嬌嬌，秦凱凱

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，遼寧 大連 116026；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650217)

隨著我國城市化進(jìn)程越來越快，地下工程開發(fā)規(guī)模與建設(shè)速度也日益加強(qiáng)，特別是能有效緩解城市交通壓力的城市軌道建設(shè)。由于軌道交通大多分布于市內(nèi)繁華區(qū)域，大型構(gòu)筑物比較多，地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜，往往給建設(shè)施工帶來不小的難度。盾構(gòu)施工法因其具有適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周圍影響小、高效等特點(diǎn)，在地鐵工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但在盾構(gòu)施工過程中，不僅要注重盾構(gòu)隧道本身的安全，還要考慮施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，當(dāng)引起的周圍地層變形超過一定程度時(shí)，將會(huì)對(duì)附近構(gòu)筑物、建筑物的安全和使用造成嚴(yán)重影響。

周寧等[1]和張?jiān)频萚2]對(duì)盾構(gòu)隧道施工的理論公式進(jìn)行了進(jìn)一步推導(dǎo)；易宏偉等[3]探討了盾構(gòu)施工對(duì)軟黏土的擾動(dòng)機(jī)制；呂培林等[4]研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律；鄭宜楓等[5]研究了軟土施工時(shí)超大直徑水泥盾構(gòu)對(duì)周圍土體的影響；鄧小鵬等[6]和王慶武等[7]研究了隧道施工過程中隧道巖爆的傾向性，進(jìn)行了巖爆預(yù)測。張鵬[8]和朱合華等[9]在鐵路隧道模擬中注重考慮了管片的影響。當(dāng)前的研究主要集中在盾構(gòu)施工對(duì)圍巖的影響[3-9]和盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鄰近構(gòu)(建)筑物的擾動(dòng)[10-12]，而對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路橋的沉降研究較少。

本文以大連地鐵2號(hào)線香沙路段為依托，采用三維有限元程序Midas及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了盾構(gòu)下穿鐵路橋所造成的沉降影響。

1 工程概況

大連地鐵2號(hào)線是大連市第一條建成運(yùn)營的地鐵線路，也是大連市第三條建成運(yùn)營的城市軌道交通線路。香沙路段為盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段長度612.865 m(右線)，651.387 m(左線)，線間距29.1～36.0 m。鐵路橋段地形起伏較大，地面高程13.28～19.97 m，地面分布有住宅區(qū)和道路，場地開闊，不平坦(圖1)。鐵路橋位于地鐵隧道上方，右線隧道位于鐵路橋外右側(cè)10 m、豎向20 m處，左線隧道位于鐵路橋內(nèi)10 m、豎向20 m處。工程掘進(jìn)隧道為圓形隧道，埋藏深度大約25 m，隧道外徑為6.6 m，內(nèi)徑為5.8 m，襯砌管片厚度為0.5 m，管片寬度為1.3 m，襯砌管環(huán)由6個(gè)預(yù)制裝配式管片組裝而成。

圖1 工程概況Fig.1 Engineering situation

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型沿x、y、z三軸的計(jì)算尺寸分別為80 m×45 m×53 m。其中y軸代表掘進(jìn)方向，x軸代表橫斷面，z軸代表豎向方向。所建模型中，上部為鐵路橋面，兩側(cè)為橋臺(tái)，實(shí)際隧道采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，平均埋深取13.6 m，距離橋面約19.6 m，隧道外徑根據(jù)盾構(gòu)機(jī)尺寸取為6 m。管片模型以實(shí)體單元模擬，寬1.3 m，厚0.5 m，采用彈性本構(gòu)關(guān)系，見圖2。

數(shù)值模型采用位移邊界條件，上面為地表，可作為自由面；側(cè)面限制x、y方向的位移；前后面限制y、x方向的位移；底面為固定邊界，限制x、y、z方向的位移。

2.2 地質(zhì)體參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告，隧道上覆地質(zhì)體分別為素填土、全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖，到鐵路橋下部，強(qiáng)風(fēng)化巖部分變?yōu)榉圪|(zhì)黏土，導(dǎo)致地層發(fā)生突然性的沉降，具體參數(shù)見表1。

2.3 施工過程模擬

隧道總長度為45 m，盾構(gòu)從0 m掘進(jìn)至45 m，每推進(jìn)一環(huán)，即1.3 m后施加管片，掌子面與管片的間隔距離約5 m。土艙壓力為0.45 MPa，沿y軸方向向前推進(jìn)。在施工過程中，首先開挖地鐵隧道右線，將隧道右線開挖完成后，再開挖左線隧道，如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 地表沉降分布規(guī)律

由地表沉降監(jiān)測可知，掘進(jìn)初期地表沉降較小，即地表受到初期擾動(dòng)，隨著隧道盾構(gòu)開挖的推進(jìn)，隧道上部土體的平衡被打破，沉降逐漸增大，直到盾構(gòu)開挖通過監(jiān)測點(diǎn)一定距離，隧道上部土體不受到擾動(dòng)，土體達(dá)到平衡，形成最終沉降。由此可以得出經(jīng)歷5個(gè)階段的地表沉降規(guī)律，即初期擾動(dòng)沉降、開挖面前部沉降、盾構(gòu)機(jī)正上方沉降、盾構(gòu)通過沉降、后期固結(jié)沉降，如圖4所示。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

不同階段地表沉降如圖5所示。從圖可以看出，地表沉降整體為一個(gè)凹槽形，即隧道中心線地表沉降大，隧道兩邊沉降較小，按隧道橫截面軸線左右對(duì)稱，符合地表沉降機(jī)理，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)一致；從地表沉降經(jīng)歷的5個(gè)歷程分析，可以看出，地表沉降槽隨著盾構(gòu)機(jī)的不斷推進(jìn)而加深加寬，且其變化幅度是不均勻的。第一階段沉降較小，為土層中應(yīng)力重分布所產(chǎn)生的沉降，至第二階段沉降明顯加大，影響范圍加寬，此處土體受到盾構(gòu)機(jī)直接擠壓，產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致較大沉降，其余階段隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)及支護(hù)的進(jìn)行，沉降槽變化率逐步減小。

圖6給出了隧道開挖20 m、40 m時(shí)的位移變化圖。由圖可知，距離開挖隧道越近，總體位移越大。盾構(gòu)開挖小于20 m時(shí)，其沉降位移沿著橫向與縱向都有擴(kuò)展；當(dāng)隧道開挖至40 m時(shí)，沉降位移主要沿著縱向擴(kuò)展，橫向擴(kuò)展不太明顯。

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil material parameters

圖3 開挖模擬Fig.3 Excavation simulation

圖4 地表沉降規(guī)律變化曲線Fig.4 Curve of the surface subsidence

圖5 不同階段地表沉降圖Fig.5 Different stages of surface subsidence

圖6 掘進(jìn)20 m、40 m時(shí)位移云圖Fig.6 Displacement of drilling of 20 m and 40 m

3.2 不同深度地表沉降分析

圖7描述的是不同深度處地層的沉降量。如圖所示，地表最大沉降量為6 mm；距離地表6 m處，底部為素填土，此處沉降量約為8.5 mm；距離地表11 m處，底部地層為全風(fēng)化土，沉降量約為10.2 mm；距離地表17 m處，底部地層為中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖，最大沉降量約為14 mm。另外由圖可以看出，由隧道開挖引起的上部土體沉降呈漏斗形，即隧道正上方沉降最大，兩邊沉降遞減，沉降曲線基本對(duì)稱，但地表右側(cè)受右線隧道開挖影響，沉降量略大于左側(cè)。從不同深度監(jiān)測值可知，隨著地層深度的增加，沉降量也逐漸增大，且越靠近隧道頂部，沉降量越大，這主要是由于圍巖地層在隧道開挖后應(yīng)力釋放，且受到盾構(gòu)機(jī)土艙壓力、刀盤剪切力、摩擦力等復(fù)雜力的作用，使土體受到擾動(dòng)產(chǎn)生沉降。

圖7 不同深度地層沉降量Fig.7 Subsidence at different depths

3.3 鐵路橋橋樁的沉降分析

由于模擬橋樁在土層中埋深為5～6 m，隧道距離地面約15 m，因此，橋樁底部處于隧道拱頂上，且樁身在破裂面之上，屬于短樁范疇，故橋樁變形主要以土體的豎向沉降變形為主。

對(duì)距離右線隧道最近的第一列橋樁(QD01-01～QD01-07)進(jìn)行模擬與監(jiān)測，可以看出，實(shí)測沉降值都比模擬沉降值大，這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，鐵路動(dòng)荷載對(duì)地表有持續(xù)性的沖擊作用，橋樁處在動(dòng)荷載作用下，沉降較大，而在模擬計(jì)算中，將動(dòng)荷載簡化為靜荷載，且部分巖土體參數(shù)可能偏高，故其沉降較小。

4 結(jié)論

(1)地表沉降經(jīng)歷了5個(gè)階段，即初期擾動(dòng)沉降、開挖面前部沉降、盾構(gòu)機(jī)正上方沉降、盾構(gòu)通過沉降、后期固結(jié)沉降。

(2)不同深度的上部土體沉降呈漏斗形，即隧道正上方沉降最大，兩邊沉降遞減，沉降曲線基本對(duì)稱，但地表右側(cè)受右線隧道開挖影響，沉降量略大于左側(cè)。

(3)橋樁底端處于隧道拱頂上，且整個(gè)樁身處于破裂面之上，橋樁變形主要以受土體作用而產(chǎn)生的豎向沉降變形為主。