苏州盾构隧道近接施工模拟分析与实验研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０３２３基金项目：中铁十六局集团有限公司科技研究开发计划项目（Ｋ２０１４１３Ｃ）苏州盾构隧道近接施工模拟分析与实验研究梁　凌（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司　北京　１０１１００）摘　要　以苏州市轨道交通　４　号线春申湖路站　～阳澄湖路站盾构区间为工程背景，运用三维数值模拟软件ＡＢＡＱＵＳ　对后行隧道近接施工通过先行隧道监测断面时管片受力变形进行数值模拟和计算，并加以实验进行对比分析，总结出软土地层盾构隧道近接施工特点，为类似工程积累了宝贵的施工经验。关键词　盾构隧道　近接施工　数值模拟　实验研究中图分类号　　　Ｕ４５５．４３文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）增　１　０１９１０２　　　　　　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆＡｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ　　　　　ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｓｉｎＳｕｚｈｏｕ　　　ＬｉａｎｇＬｉｎｇ（　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１６ｔｈ　　　　　　ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．，　　Ｂｅｉｊｉｎｇ１０１１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　Ｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｒｖａｌ　ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ　　　　　　　　　　ｆｒｏｍＣｈｕｎｓｈｅｎｈｕＲｏａｄＳｔａｔｉｏｎｔｏＹａｎｇｃｈｅｎｇｈｕＲｏａｄＳｔａｔｉｏｎｏｆＳｕｚｈｏｕＭｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ４，ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ隧　　　　　　　　　　　　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＢＡＱＵＳｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｄｊａｃｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃ隧　　　ｔｉｏｎｆｏｒｔｗｉｎｔｕｎｎｅｌｓ’　　　　　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｅｇｍｅｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｍａｌｌｓｐａｃｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，　　　　ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，　　　　　　　ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆａｄｊａｃｅｎｔ　　　　　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｔｗｉｎｔｕｎｎｅｌｓｗｉｔｈｓｍａｌｌ　　ｓｐａｃｉｎｇｉｎｓｏｆｔｓｏｉｌ　　　ｓｔｒａｔｕｍｉｓｓｕｍｍｅｄｕｐ，　　　　　　　ｔｈｕｓａｃｃｕｍｕｌａｔｅｓｖａｌｕａｂｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ；　ａｄｊａｃｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ　　１引言我国自　２０　世纪　５０　年代初开始引进盾构法隧道施工技术，经过　６０　多年的发展，该技术已广泛应用于交通、能源、水利等领域的隧道建设中［１］。伴随着我国近年来地铁和水利工程的扩建，盾构法隧道施工技术在我国得到了前所未有的发展［２］。随着地铁线路密集化程度越来越高，穿越地段的情况越来越复杂，新建地铁隧道不可避免地会出现双向间距离极近的情况，使得近接隧道间的力学问题复杂程度进一步上升［　３－５］。加之城市地铁一般埋深较浅，近接施工易造成隧道隧基承载力下降、甚至破坏［　６－８］。因此，采用盾构法修建隧道时，如何尽可能地降低对先修隧道的影响是近接施工迫切需要解决的问题。　２工程背景及研究路线研究依托工程项目为苏州市轨道交通　４　号线春～阳盾构区间，本区间线路全长约　　　１２７９．０５８ｍ，近接施工段长约　　　１０００ｍ，最小净距为　　２．４ｍ，区间穿越地层主要为⑥１　黏土层和④１　粉质黏土层。为提高分析的准确性，借助　ＡＢＡＱＵＳ　软件［　９－１１］对后行隧道（左洞）施工对先行隧道（右洞）的影响规律进行了分析。同时，对应模拟分析在现场建立试验段，对近接施工所影响的隧道进行受力监测。　３盾构近接施工数值模拟研究采用　ＡＢＡＱＵＳ　作为有限元分析计算工具。在１９１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·隧道／地下工程·　图　　　１地铁近　接施工模型模拟过程中，将土体材料定义为扩展　　’⑥④　·ρ　φ°④　　模型，管片及注浆层定义为线弹性模型［１２］。各土层物理力学参数和管片参数如表　１、表　２　所示。建立模型见图　１。表　　　１土体物理力学指标土层代号及名称密度ρ／（ｇ·ｃｍ－３）含水量ｗ／％压缩模量Ｅ／ＭＰａ黏聚力　／ｋＰａ内摩擦角φ／（°）剪胀角ψ／（°）①３素填土　１．９２３０．２４４．９９．８６１９．３４③１黏土２．０１２５．７４７．６４５３．６７　１５．４８　１５．４８③２粉质黏土　１．９４２９．４４６．８　３１．５　　１１．６４　　１１．６４④１粉质黏土　１．９３２．４３８．３７２２．８　　１１．２５　　１１．２５⑤１粉质黏土　１．９１　３１．３３９．９７２０．０９．３７９．３７⑥１黏土２．０３２３．９５０．９５９．０１３．１７１３．１７表　　２管片参数材料γ／（ｋＮ·ｍ－３）Ｅ／ｋＰａ泊松比厚度／ｍ长度／ｍ管片２５　３．４５×１０７０．２０．３５　１．２　　左洞开挖过程中引起的土体　Ｍｉｓｅｓ　应力云图见图　２。图　　２土体开挖应力云图　从整体应力图可以看出，随着盾构的掘进，土体扰动程度逐渐增大，在后行洞周围土体形成拉、压应力分布区，且应力值随着土体的开挖有渐增趋势。从整体应力云图上得到后行洞周围土体应力集中现象较明显。随着左洞（先行洞）掘进，右洞（后行洞）周边土体及两隧道之间的土体受到不同程度的扰动。随着左洞的不断掘进，中间土体塑性区不断增大并向左洞逐渐扩展。右洞周边土体中，邻近左洞土体受到应力明显大于其他部位土体应力，隧道顶部、底部应力相对增大，管片在横向上产生变形。不同开挖计算工况图中显示，左洞开挖第一环时，在管片腰处土体　Ｍｉｓｅｓ　应力最大为　　１．８ＭＰａ，管片顶、底处　Ｍｉｓｅｓ　应力约为　　０．９６ＭＰａ。在右洞周围土体中，左侧土体所受　Ｍｉｓｅｓ　应力最大，约为　　０．６５ＭＰａ，其次为管片右侧，约为　０．５１ＭＰａ，在管片底、顶部土体Ｍｉｓｅｓ　应力相对较小，约为　　０．３３ＭＰａ。当左洞开挖完成时，两条隧道周边土体应力达到最大。左洞管片腰处　Ｍｉｓｅｓ　应力约为　　１．９ＭＰａ，管片顶、底部应力约为　１．１ＭＰａ，相应的增幅分别为　５．６％和　１４．６％。右洞左侧　Ｍｉｓｅｓ　应力约为　　０．８７ＭＰａ，隧道管片右部　Ｍｉｓｅｓ应力约为　　０．６７ＭＰａ，管片顶、底部　Ｍｉｓｅｓ　应力约为　０４２ＭＰａ日，相应的增幅约为３３．８％、３１．４％和２７．３％。由此可以看出，随着左洞的不断向前掘进，右洞周围土体相应的应力增幅较大，其左侧更为明显。　４盾构近接施工现场实验研究根据隧道近接的基本概况，在春申湖路站　～阳澄湖路站区间近接段设置应力监测断面，重点监测后行洞施工时引起的先行洞管片的径向应力变化。断面布置如图３　所示，压力盒设置在盾构管片外环预设凹槽处（压力盒外凸于管片外环表面），如图４　所示。　图　　３监测断面布置　　　　图　　４压力盒的安装示意　—根据现场采集的数据，做出时间应力变化曲线，如图　５　所示。图　　５时间　－径向应力曲线　（下转第　２９０　页）２９１铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·线路／路基·２００６：　１１．［２］　易思荣．铁路选线设计［Ｍ］．２　版．成都：西南交通大学出版社，２００６：　１２１－１２５．［３］　郝瀛．铁道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０００：　８１－８５．［４］　郝瀛．铁路选线设计［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８７：　　　１１３－１１５．［５］　胡光常．铁路屏幕选线三维联动技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２００５（１０）：　６７－６９．［６］　李隽蓬，谢强．　土木工程地质［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００１：３４．［７］　桂建乐．关于路基排水有关问题的探讨［Ｊ］．铁道建筑技术，２００１（４）：　４４－４６．［８］　毛昌玉．铁路站场平面　ＣＡＤ　系统的模型设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（７）：　５－７．［９］　石振明．工程地质学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１：　２３－２５．［１０］Ｅｘｃｅｌ　Ｈｏｍｅ．Ｅｘｃｅｌ２０１０　数据处理及分析［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０１４：　１２３－１４５．［１１］国家铁路局　　　．ＴＢ／Ｔ１００５８－２０１５铁路工程制图标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１５：　７－１８．［１２］国家铁路局　　　．ＴＢ／Ｔ１００５９－２０１５铁路工程图形符号标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１５：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪　１２－１７．　　（上接第　１９２　页）对比数值模拟与现场监测的数值，如表　３　所示。各监测点径向应力值基本相当，后行洞对先行洞的影响均表现为对管片水平位置的影响较大，对管片竖直方向影响较小；各监测点在数值模拟所得的径向应力基本大于现场监测的应力值，但相差不大。在一定程度上表明，径向应力的数值模拟较为成功，模拟结果可信度较高。表　　３径向应力对比分析ＭＰａ测点位置左侧右侧拱顶拱底数值模拟０．８７０．６７０．４２０．４２现场监测０．９６０．８５０．４１０．２８　５结论通过数值模拟与现场实验结果分析，可以得出以下几点规律：（１）随时间推移，各监测断面对应的径向应力先缓慢增大，随后增长速率显著增加，当径向应力增加到一定程度的时候，其值趋于稳定。因此，可以将径向应力监测曲线划分为　３　个阶段：第一阶段为微细压缩阶段，主要是土体结构的微细压缩造成的；第二阶段为应力剧增阶段，说明盾构在通过监测断面时，土体受到了较大的盾构推挤作用；第三阶段为应力稳定阶段，近接施工通过后，土体压应力趋于稳定值。（２）对比监测断面各对应位置处的径向应力稳定值可知，管片左侧土压力的变化最大，其次是管片右侧，再次为管片顶部，最小为管片底部。说明盾构后行洞施工过程中，对隧道左侧土压力影响最大，且在水平方向上的影响大于竖直方向上的影响。（３）近接施工时，后行洞对先行洞的影响是一个动态持续的过程；不同部位径向压力的变化不尽相同，在盾构近接施工过程中应根据不同位置处的应力变化特点采取相应的控制措施。参考文献［１］　何川，封坤，方勇．盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１５（１）：　９７－１０９．［２］　王梦恕．中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路［Ｊ］．隧道建设，２０１４（３）：　１７９－１８７．［３］　王博．软土地区盾构下穿既有铁路安全分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（５）：　１０１－１１８．［４］　张晓清，张孟喜，吴应明，等．多线叠交盾构隧道近接施工模型试验［Ｊ］．上海交通大学学报，２０１５（７）：　１０４０－１０４５．［５］　路平，蒋辉，郑刚．盾构隧道的近接施工对已建隧道产生的影响［Ｊ］．北京工业大学学报，２０１４（８）：　１１２１－１１２７．［６］　王宗勇，赵香萍，田晓峰．土压盾构机截除立交桥群桩施工关键技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（１）：　８０－８４．［７］　王明年，张晓军，苟明中，等．盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究［Ｊ］．岩土力学，２０１２（１）：　２７３－２７９．［８］　李源潮．地铁盾构隧道长距离近接高架桥桥桩保护方案［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（１）：　１１－１６．［９］　李学峰，杜守继，张顶锋．新建盾构隧道施工对近接平行隧道的影响分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１２（５）：　１０６５－１０６９．［１０］王腾飞．盾构隧道近接施工对既有市政隧道的影响分析［Ｊ］．交通科技，２０１１（３）：　４４－４７．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