地铁盾构下穿地下结构物变形及应力计算分析

唐明明 刘 淼 赵阳豪

地铁盾构下穿地下结构物变形及应力计算分析

唐明明 刘 淼 赵阳豪

以常州地铁1号线盾构下穿十字形的中防花园商贸城为工程背景，运用Flac3D模拟研究其受施工影响下的结构沉降和应力分布情况及其安全性。研究表明，中防花园商贸城结构受盾构施工影响的沉降变化较为明显，商贸城结构在盾构掘进入口的位置沉降值最大，约为6.27 mm；商贸城结构的最大压应力为8.74 MPa，出现在隧道上方的支撑柱位置；最大拉应力为1.11 MPa，出现在商贸城侧墙拐角靠上位置；商贸城结构在盾构下穿施工的影响下其安全系数为1.41，总体上处于安全状态。

地铁盾构；下穿结构物；变形分析

1 工程概况

常州市中防花园商贸城位于花园街与广电路交会街口，沿花园街南北全长317 m，沿广电路东西沿线全长236 m，呈十字形排列。中防花园商贸城为地下1层板柱框架结构，顶板厚度约为0.4 m，底板埋深约5 m，上部为广电路与花园街行车通道。中防花园商贸城的内部结构空间设置有支撑柱，支撑柱采用C35钢筋混凝土，直径为0.5 m，间距约为6.9 m。新建常州地铁1号线南北向下穿中防花园商贸城，穿越段长度约为258 m，隧道距中防花园商贸城底板的距离为9.8～11.1 m，盾构隧道与中防花园商贸城的横剖面位置关系如图1所示。

图1 区间隧道与商贸城横剖面图 （单位：m）

工程场地地处长江三角洲太湖冲湖积平原，地形较为平坦，区间沿线场地地基土以黏性土、粉土及砂土为主，地层分布较平顺、稳定。场地地下潜水水位埋深约为地面下1.2～3 m，水位标高约1.3～3.6 m，平均水位标高约2.7 m，水位季节性变化幅度为1～2 m，场地施工范围内未涉及承压水。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

中防花园商贸城采用现浇板柱结构体系，盖挖逆作法施工，无梁构件，顶板受力主要依靠内部的支撑柱维持平衡。因板柱结构抗剪能力较弱，故将支撑柱与顶板和底板接头位置扩大为柱帽，以增强结构的稳定性能。为更真实地模拟支撑柱对结构的作用，在计算模型中全部采用实体单元，支撑柱身与柱帽参照实际尺寸建模。

盾构推进过程的模拟方法采用刚度迁移法，模型中预留注浆区单元以及管片单元，在计算过程中逐步更换材料参数。盾构采用泥水平衡方式，掌子面施加与所在地层的压力相平衡的推进压力。

计算模型共划分395 170个实体单元，管片单元采用线弹性模型模拟，土体材料的屈服采用摩尔库伦准则。模型尺寸长260 m，宽238 m，高52.1 m。模型侧面和底面为位移边界，模型顶面取为自由边界，底面采用固定约束，侧面采用法向约束（图2）。

图2 计算模型及网格划分示意图

2.2 计算参数

根据场地勘察资料以及设计施工说明，计算模型中的材料参数见表1。计算荷载考虑中防花园商贸城顾客、货物等极限均布载荷3 kPa，广电路、花园街的车辆均布极限荷载20 kPa。

表1 地层及隧道材料参数

3 计算结果分析

3.1 土体沉降分析

图3 左侧隧道施工完毕后的沉降云图

图4 右侧隧道施工完毕后的沉降云图

根据图3土体沉降云图可以看出，左侧隧道盾构施工时，隧道上方的土体出现了较为明显的沉降，土体沉降值随距隧道水平距离的增加而减小，沉降影响范围约为2～3倍隧道直径。盾构施工引起的土体沉降值在盾构入口处相对较大，最大值约为5.15 mm。

根据图4土体沉降云图可以看出，左侧隧道盾构施工完毕后右侧隧道盾构施工时，隧道上方土体的继续沉降，且随距隧道水平距离的增加而减小，沉降影响范围约为2～3倍隧道直径。右侧隧道盾构施工完毕后引起的土体沉降最大值出现在左侧隧道和右侧隧道中间线上方的盾构掘进入口位置，其最大沉降值为6.27 mm。

本计算中，盾构施工由左侧隧道开始，左侧施工完毕之后再施工右侧隧道，2个隧道分别施工完毕后的土体沉降云图如图3、4所示。

可见，中防花园商贸城受施工开挖的影响沉降较为明显，并且沉降分布不均匀，在隧道上方的沉降量要明显高于周围区域。

3.2 结构沉降分析

结构的沉降主要是由于土体不均匀沉降引起的，包括结构下部土体沉降和结构自重产生的土体压缩（含地基基础切入土体量）。由此可见，结构沉降大于结构下部土体沉降。但是，由于二者的差值即结构自重产生的土体压缩量是极其有限的，可以忽略不计，因此，可近似地将土体沉降作为结构沉降来考虑。

由图5可以看出，受左侧隧道盾构施工的影响，隧道上方建筑结构产生了比较明显的沉降，结构最大沉降区域如图5蓝色区域所示，最大值为4.3 mm，且结构最大沉降和土体最大沉降位置不在同一竖直刻度线上（图6）。

图5 左侧隧道施工完毕后结构沉降云图

图6 左侧隧道施工完毕后结构和土体最大沉降位置图

由图7可以看出，右侧隧道施工完毕后，在左侧隧道施工影响结果的基础上，结构产生了更大的沉降，结构沉降最大区域如图7蓝色区域所示，最大值为5.55 mm，且结构最大沉降和土体最大沉降位置不在同一竖直刻度线上（图8）。

图7 右侧隧道施工完毕后结构沉降云图

图8 右侧隧道施工完毕后结构和土体最大沉降位置图

3.3 结构应力分析

从中防花园商贸城结构变形分析可知，受隧道盾构施工的影响，商贸城结构产生了不均匀沉降，这种不均匀沉降可能导致框架混凝土出现开裂。因此，需要对施工影响后的结构应力进行分析，根据分析结果对应力较大的位置提出加固处理措施。2条隧道分别施工完毕后的商贸城结构应力云图如图9、10所示。

从图9压应力云图可以看出，中防花园商贸城结构的最大压应力主要分布在隧道上方的支撑柱位置，其最大值约为8.74 MPa；商贸城结构框架底板位置的最大压应力在1～2 MPa之间。

从图10拉应力云图可以看出，中防花园商贸城结构的最大拉应力主要分布在商贸城侧墙拐角靠上位置，其最大值为1.11 MPa；商贸城结构框架底板位置的最大拉应力在0.2～0.4 MPa之间。

图9 商贸城结构压应力云图

图10 商贸城结构拉应力云图

由以上结构应力分析结果可知，在压应力状态下，中防花园商贸城结构的危险位置出现在隧道上方的支撑柱附近；在拉应力状态下，中防花园商贸城结构的危险位置出现在侧墙拐角靠上位置。

3.4 结构安全性分析

为了解盾构施工对中防花园商贸城结构安全性的影响，现以前述中防花园商贸城沉降以及应力计算结果为依据，结合钢筋混凝土材料强度标准，确定其结构安全度。

由结构应力的计算结果可知，中防花园商贸城柱结构受到的最大压应力为8.74 MPa，低于该标号（C35）的混凝土抗压强度（容许应力）16.7 MPa；商贸城侧墙受到的拉应力最大值为1.11 MPa，同样低于其混凝土抗拉强度（容许应力）1.57 MPa。

分别以中防花园商贸城结构支撑柱的最大压应力和侧墙的最大拉应力作为判断指标，计算商贸城结构的安全系数，结构最终的安全系数则为其较小值。表2给出了受施工影响下商贸城结构危险截面位置及相应的安全系数计算结果。

表2 商贸城结构危险截面位置及安全系数

由表2商贸城结构安全性系数计算结果可知，在极限压应力状态下，中防花园商贸城结构最危险截面出现在隧道上方的支撑住附近，根据结构计算最大压应力8.74 MPa、容许应力16.7 MPa，计算可得其安全系数为1.91；在极限拉应力状态下，中防花园商贸城结构最危险截面出现在侧墙拐角靠上处，根据结构计算最大拉应力1.11 MPa、容许应力1.57 MPa，计算可得其安全系数为1.41。

综上所述，中防花园商贸城结构最危险截面为位于侧墙拐角靠上位置，商贸城结构总体安全系数为1.41。

4 结论

根据中防花园商贸城的结构特征和盾构施工资料，建立了三维分析模型，对中防花园商贸城结构进行了变形与内力分析，并对其受盾构下穿施工影响的安全性进行了分析。主要结论如下：

（1）受盾构下穿施工的影响，商贸城结构沉降在靠近隧道顶端位置较大，远离隧道位置则相对较小；结构最大沉降出现在盾构掘进入口的位置，最大沉降为6.27 mm；

（2）商贸城结构最大压应力出现在隧道上方的商贸城结构支撑柱位置，最大压应力为8.74 MPa,；

（3）商贸城结构最大拉应力出现在商贸城结构侧墙拐角靠上位置，最大拉应力为1.11 MPa；

（4）商贸城结构处于安全状态，其总体安全系数为1.41。

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责任编辑 朱开明

Analysis of Deformation and Stress Calculation of Underground Structures Under-passing by Metro Shield Tunneling

Tang Mingming, Liu Miao, Zhao Yanghao

Taking Changzhou metro line 1 shield under-passing engineering as an example, the paper uses Flac3D simulation to study the structure settlement and stress distribution under construction infl uence and its safety. The studies have shown that structure settlement changes of Zhongfang Garden Trade Center affected by impact of shield construction are rather big, maximum settlement value of trade center structure occurs at the portal position of shield tunneling entrance, the maximum pressure stress appears at the top of support column position in tunnel, and the maximum tensile stress appears in the corner on upper part of Trade Center side wall, The paper makes conclusion that safety factors of Trade Center structure under the influence of shield construction under-passing engineering are overall in the safe state.

metro shield, under-passing structure, deformation analysis

TU94

2014-09-23

唐明明： 北京安捷工程咨询有限公司，博士，北京 100037