地铁盾构下穿立交危险断面的数值模拟

张守领，黄胜方

淮北职业技术学院建筑工程系，安徽淮北 235000

地铁盾构下穿立交危险断面的数值模拟

张守领，黄胜方

淮北职业技术学院建筑工程系，安徽淮北 235000

依托合肥地铁盾构下穿五里墩立交工程项目，结合有限差分软件计算，分析施工过程中4个危险断面的地表变形及桩基变形规律.研究表明：右线隧洞盾构引起地表沉降槽呈单峰型，左线隧洞盾构后沉降槽呈双峰型；当左右线隧洞距离较近时沉降量变化仍呈现单峰型，当左右线隧洞距离较远时，地表沉降量变化则呈现双峰型；桩基距离隧洞越近，其沉降变形越大，实际情况也会越危险；地铁近距左右线隧道盾构依次开挖对土体产生的扰动具有叠加效应，且叠加效应明显.以数值分析来考虑区间变形，方法简洁可行，从思路上为类似工程分析提供参考.

盾构掘进；下穿立交；剖面分析；数值模拟；地面沉降；桩基变形

现在轨道交通已经成为现代城市重要的公共交通方式，轨道交通成为衡量一个国家或城市现代化、经济实力、人们生活水平甚至综合竞争力的重要标志［1］.城市轨道区间隧道大多采用盾构掘进，盾构施工不可避免地会对周围地层产生扰动，引起地层变形和沉降.地层的变形又会引起邻近建筑物、结构物的一系列反应，如沉降、侧向位移、附加应力等，产生所谓的“近接施工问题”.国内外学者［2-4］对建筑结构近接施工问题做了很多研究，得到了很多成果.目前，有限元法蓬勃发展并应用于工程中，有限元法能够模拟各种工况以及施工因素，通过有限元对盾构掘进引起的地表及邻近建筑物变形研究很多，也取得了不少成果［5-12］.

笔者依托合肥地铁盾构下穿五里墩立交工程，基于FLAC3D软件，实现对危险断面盾构掘进施工的模拟，定量分析盾构掘进过程所引起地面以及与邻近立交桩基的变形规律.

1 工程概况

合肥地铁2号线青阳路站到西园站区间在SK26+050～SK26+450处需下穿五里墩立交桥，五里墩立交桥为合肥市重要交通枢纽桥梁，其上部为多跨连续梁结构，下部结构采用直径1.2 m～1.5 m人工挖孔灌注桩.在隧道通过五里墩立交桥段，盾构隧道侧穿桩基.纵断面上该穿越段隧道平均埋深约27 m，桩基底部平均埋深约19 m.区间范围上覆第四系人工填土、硬塑性黏土，向下分别为全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩.

盾构下穿五里墩大型立交桥施工安全需要综合考虑地面及桩基础的变形，复杂性和综合性更强.根据《地铁穿越五里墩专项设计》可知工程有4个危险剖面，分别为A-A、B-B、C-C及D-D，各剖面位置与五里墩立交桥桩基关系如图1所示.在空间上，盾构隧道与桥梁桩基础距离较近，施工对桩基周围地层扰动过大，从而引起桩基变形，施工风险较大.

图1 危险断面（a）A-A，（b）B-B，（b）C-C，（d）D-D隧道与立交桥桩基关系（单位：m）Fig.1Position relationships between tunnel and pile foundation of flyovers in the dangerous section of（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D（unit：m）

2 计算模型

2.1 数值网格模型

笔者采用近似平面的模型来模拟各断面的盾构掘进，模型尺寸200 m×120 m×6 m.基桩与土层之间设置无厚度的接触单元来模拟桩土之间的接触［13-15］.各危险断面的数值模型如图2所示.

2.2 本构模型和屈服准则

本次三维数值模拟计算分析过程中，岩土体的本构模型为理想弹塑性本构模型，屈服准则为Mohr-Coulomb屈服准则.

图2 剖面（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C，（d）D-D数值模型Fig.2Numerical models of section（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D

2.3 计算参数

根据《合肥市轨道交通2号线工程青阳路站至西园路站区间岩土工程勘察报告》，现场监测资料反演及类似的研究成果［10-11］类比，综合确定各材料的物理力学参数，具体见表1和表2所示.

表1 桩土接触面基本力学参数Tab.1Basic mechanical parameters of the contact surface of pile and soil

表2 材料基本物理力学参数Tab.2Basic physical and mechanical parameters of materials

3 变形分析

3.1 监控点布置

为研究盾构掘进造成的地面沉降，在两隧道中心连线的中点左右各30 m范围内，每间隔2 m布置监控点；为研究盾构掘进引起的桩基沉降及其侧移，沿桩基布置监控点，如图3所示.

图3 地表监控点及桩基监控点布置（单位：米）Fig.3Arrangement of monitoring points on surface of earth and pile foundation（unit：m）

3.2 地表沉降变形分析

在盾构掘进过程中，在土体开挖卸荷作用的影响下地表会产生一定的沉降变形.根据各个断面的地表监控点位移值来分析整个五里墩立交桥的地表变形规律，图4为四个危险断面地表位移变形曲线图.

图4 危险断面剖面（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C，（d）D-D地表沉降位移变形曲线Fig.4Curves of surface settlement in dangerous section of（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D

分析各断面地表沉降曲线可以发现：

1）各断面地表沉降的规律基本相同，在盾构隧洞线上方产生较大的地表沉降，即监控点越靠近盾构开挖区域的沉降量越大.

2）从地表沉降曲线的形状来看，在右线隧道开挖过程中，地表沉降呈单峰型，左线隧道施工后，因左线隧道盾构施工引起的沉降峰值会向左线隧道方向偏移.若左右线隧道距离小于7 m时，沉降曲线仍然呈现单峰型，而当两隧道距离较远时，则会呈现双峰型的沉降曲线.

3）通过对左右线同一位置的沉降值对比，易发现左线盾构对右线施工已产生的沉降有影响，使得已有沉降进一步增大，这说明左线开挖对右线已经扰动的土体产生叠加效应.

从图4可以看出：左线和右线隧道盾构掘进引起最大地表沉降均在剖面C-C，最大值分别为3.791 mm和10.93 mm，除此之外，另外三个危险断面A-A、B-B和D-D的沉降值也比较大.

3.3 桩基沉降变形分析

按照图3中桩基监控点布置，通过有限差分软件模拟计算得到桩基的整体沉降值如图5～图12所示.

图5 桩A1-4沉降变形Fig.5Settlement of pile A1-4

图6 桩A1-5沉降变形Fig.6Settlement of pile A1-5

图7 桩A1-6沉降变形Fig.7Settlement of pile A1-6

图8 桩A2-4沉降变形Fig.8Settlement of pile A2-4

图9 桩A2-5沉降变形Fig.9Settlement of pile A2-5

图10 桩A2-6沉降变形Fig.10Settlement of pile A2-6

图11 桩A4-7沉降变形Fig.11Settlement of pile A4-7

图12 桩A4-8沉降变形Fig.12Settlement of pile A4-8

从图5～图12中各桩基沉降变形曲线可以看出：由于地铁隧道的盾构掘进，立交桥桩基均有不同程度的沉降；地表承台处的沉降值最大，整个桩基础沉降自地表向下逐渐减小，这说明隧道盾构开挖引起围岩变形，而在桩底附近的土体位移为零，隧道围岩确实形成压力拱.同时，地表承受车辆动荷载，承台承受立交桥上部结构重力及车辆荷载.在荷载及拱效应的作用下，桩基变形呈现上大下小，即桩基压缩变形.

各桩最大沉降量见表3，从数据来看，右线盾构过程中，桩A1-5的沉降量最大，为6.390 mm；左线盾构引起的叠加变形中，桩A2-5沉降最大，16.916 mm.桩A1-4、A1-6在右线开挖过程中的沉降量较大，都在4 mm以上，且在左线开挖过程中的沉降量也较大，均在10 mm以上.

表3 各桩基最大沉降值Tab.3Maximum subsidence values of the pile foundations

从增长率来看，隧道左线盾构掘进诱发的桩基础沉降与右线盾构掘进中的桩基沉降值相比，增加50%以上，这说明右线盾构掘进对左线的影响比较大.

4 结语

采用数值模拟分析方法对合肥地铁盾构隧道施工过程数值模拟计算，得到如下结论：

1）右线隧洞盾构掘进施工时，地表沉降量变化特征呈单峰型曲线，沉降峰值位于右线隧洞上方；左线盾构掘进产生的地表沉降变形要高于先前右线开挖施工扰动产生的沉降，沉降峰值向左线偏移；当左右线隧洞距离较近时沉降量变化仍呈现单峰型，当左右线隧洞距离较远时，地表沉降量变化则呈现双峰型.

2）在右线盾构过程中，桩基沉降最大值达到6.390 mm，左线盾构掘进引起桩基沉降峰值为16.916 mm，都比较危险；桩基距离隧洞越近，其沉降变形越大，实际情况也会越危险.

3）从左右线隧洞盾构引起的地表沉降以及桩基变形可以得到，地铁近距双线隧道盾构依次开挖对土体产生的扰动具有叠加效应，且叠加效果十分明显.

本次地铁盾构下穿立交危险断面数值模拟中，主要从位移上进行规律分析和阐述，地铁盾构下桩基的力学行为，有待进一步研究.

致谢

合肥工业大学土木与水利工程学院为本研究提供软件支持，在此表示感谢！

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本文编辑：苗变

Numerical Simulation of Dangerous Sections of Shield Tunnel Under-Passing Flyover Bridges

ZHANG Shouling，HUANG Shengfang
Department of Civil Engineering，Huaibei Vocational and Technical College，Huaibei 235000，China

The deformation of ground and pile foundation of four critical fracture surface in constructing Hefei subway shield under passing the Wulidun flyover bridges was analyzed by the finite difference calculation software.The result shows that the tunnel shield on the right-side brings the ground subside to be unimodal，and the left-side one causes the ground subside to be bimodal；the variation of ground deformation is still of unimodal pattern when the distance between two tunnels is relative short，and the variation of ground deformation becomes bimodal when the distance is longer；the actual situation is more dangerous when the variation of ground deformation is larger and the distance between pile foundation and tunnel is shorter.The construction of short-gap tunnels in turn has a broadly apparent superimposed effect on soil mass.The method is concise and practicable，providing a reference for similar projects'analysis.

shield jacking；under-passing；profile analysis；numerical simulation；land subsidence；pile defor-mation

U455.43

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.02.013

1674-2869（2017）02-0175-07

2016-03-27

2016年高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2016551）；淮北职业技术学院质量工程项目—工程监理教学团队（2015jxtd-01）

张守领，硕士，讲师.E-mail：zhangshouling1967@126.com

张守领，黄胜方.地铁盾构下穿立交危险断面的数值模拟［J］.武汉工程大学学报，2017，39（2）：175-181.

ZHANG S L，HUANG S F.Numerical simulation of dangerous sections of shield tunnel under-passing flyover bridges［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（2）：175-181.