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地铁盾构隧道穿越大直径越江隧道的影响
发布日期:2017-07-14 22:39
地铁盾构隧道穿越大直径越江隧道的影响
 
摘  要:新建盾构隧道近距离穿越既有隧道时,会对既有隧道结构产生影响。针对地铁盾构隧道下穿大直径越江隧道,在充分考虑衬砌的横观各向同性性质、盾构施工开挖面的支撑力、同步注浆压力、扰动层厚度等因素的基础上,应用三维有限元数值方法,研究了新建盾构隧道施工引起既有越江隧道的变形以及内力的变化规律,同时获得了越江隧道的影响范围。研究结果表明,越江隧道的最大沉降及侧移发生在对称面上,并且对侧移的影响较小; 越江隧道经历了加载、卸载、再加载的过程; 影响范围集中在垂直于越江隧道轴线方向盾构穿越前 2D、穿越后 2D 的范围内。
关键词: 盾构; 越江隧道; 施工影响; 有限元
 
1
      随着城市地下交通网络的不断发展和完善,越来越多的隧道之间的交叉穿越工程涌现出来。新建隧道将使地层的应力状态发生变化,从而会对既有隧道产生影响。为了保证既有隧道的结构安全以及正常运营,深入掌握新建隧道施工对既有隧道的影响机理以及控制措施尤为重要。
      国内外一些学者对新建隧道穿( 跨) 越既有隧道( 管线) 进行了相应的研究。李强等1通过三维弹塑性有限元分析,研究了推进力和稳定比对既有隧道的影响。徐前卫等2对被誉为“三龙过江”的上海地铁 2 号线穿越外滩观光隧道进行了有限元模拟,总结了盾构推进引起地层扰动的规律。毕继红等3采用 Abaqus 有限元分析软件研究了隧道开挖对地下管线的影响,得出了管线周围土的性状、与隧道的相对位置、以及自身刚度、管径等不同将对管线的变形和内力产生不同影响。方勇等4利用三维有限元方法研究了新建隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。Kasper T.等5对盾构法隧道在软土中的开挖进行了三维有限元模拟,综合考虑了地下水、盾构机与土体的接触摩擦、千斤顶、盾尾空隙以及注浆等对隧道开挖的影响,并将模拟结果与现场实测资料进行了比较。包德勇6应用 ANSYS 有限元程序对某新建铁路隧道下穿既有高速公路隧道的施工过程进行了模数值拟,得出了既有隧道结构受力及位移随新建隧道施工推进的变化规律。
      但新建隧道施工对大直径越江隧道的影响分析还较少。本文以上海市人民路越江隧道为背景,通过三维有限元方法研究了新建地铁隧道近距离下穿越江隧道施工时,对越江隧道的位移及内力的影响。
 
2 计算模型
      准确的计算模型的建立是计算结果可靠的根本保证。本文的计算模型尽量再现地层、结构以及施工过程的真实情况,将地层的应力变化历史、衬砌的横观各向同性性质、盾构法施工的真实过程等因素考虑在内建立了计算模型。
2. 1 几何模型的建立
      参考上海市人民路越江隧道工程,模拟新建地铁隧道近距离正交下穿该大直径越江隧道施工时,对越江隧道的影响。
      越江 隧 道 埋 深 10 m,外 径 11. 4 m,内 径10. 4 m,管片厚度为 0. 5 m,管片幅宽 1. 5 m。混凝土强度等级为 C50。
      地铁隧道与越江隧道净距为 0. 5D( D 为越江隧道外径) 。新建地铁隧道外径 6. 2 m,内径5. 5 m,管片厚度 0. 35 m,管片幅宽为 1. 5 m。混凝土强度等级为 C50。
      盾构机的选择参考上海隧道工程股份有限公司 863 盾构机“先行号”的参数,并根据数值模拟的需要适当简化,取长度 6 m,盾尾壁厚 0. 05 m。考虑到盾构机的超开挖和盾构开挖对周围土体的影响,根 据 工 程 经 验 将 新、旧 隧 道 衬 砌 外 侧30 cm[7,8范围设置为扰动层。
      整体模型高 100 m,长 120 m,宽 90 m,如图 1所示。越江隧道的轴线沿 Y 方向,地铁隧道沿 X负方向掘进,如图 2。模型共 43 920 个单元,43 484个节点。

2. 2 材料参数与单元选取
      参考人民路越江隧道的地质情况,模型计算所用的土层参数如表 1 所示。土体采用 Mohr-Cou-lomb 理想弹塑性本构模型。
      盾构壳由于其刚度较大,采用线弹性本构关系,其弹性模量和泊松比参考钢结构取值。盾尾注浆对扰动土层起一种加固的作用,其材料特性应介于土和水泥土之间9
      隧道的衬砌是由环向螺栓和纵向螺栓将管片连接起来而组成的,同时为了提高衬砌的整体性通常采用错缝拼装。由于这些原因使得衬砌的刚度不仅小于钢筋混凝土的实际刚度,而且在横向和纵向的刚度不一致。为了充分考虑这一特点,越江隧道的衬砌采用线弹性横观各向同性材质,横截面内的刚度折减系数取 0. 8,纵向刚度折减系数取0. 01[4。具体数值见表 2,表中的材料参数根据局部坐标系确定,Z 方向为隧道的轴线方向。

      在整个模型中,除盾构壳采用壳单元外,其余材料均采用六面体实体单元。
2. 3 边界条件和施工荷载的选取
      由于模型的竖向边界距越江隧道的轴线均大于 4 倍的隧道直径,根据工程经验可以认为在边界处不发生位移。所以位移边界条件选取如下: 顶面为自由表面,前、后、左、右四表面施加法向约束,模型的底面施加 X、Y、Z 三个方向的约束。
      当前盾构施工大都采用同步注浆技术,能及时有效的补偿地层损失,根据工程经验注浆压力取为0. 3 MPa。
      本文模拟的是土压平衡盾构法施工,根据新建地铁隧道轴线处的侧向土压力值,在掌子面施加均匀土压平衡力 0. 26 MPa。
2. 4 施工过程的模拟
      地层未受任何扰动前为最原始的应力状态; 越江隧道开挖后,地层受到扰动,引起土体应力重分布,地层应力状态变为二次应力状态; 新建隧道的开挖使地层又一次受到扰动,土体应力状态再次发生变 化。因 此,施 工 过 程 的 模 拟 分 以 下 几 个步骤10
2. 4. 1 初始应力场
      移去越江隧道和地铁隧道的衬砌单元、盾构壳单元以及注浆层单元,施加土体的自重,得到土体未扰动前最初的应力状态,并以此进行地应力平衡。
2. 4. 2 越江隧道的开挖
      越江隧道的开挖形成地层的二次应力场。移去隧道开挖部分的土体单元,同时加入越江隧道的衬砌单元和注浆层单元。
2. 4. 3 新建隧道的开挖
      新建隧道的开挖再次造成土体应力状态的重分布,并由此导致越江隧道产生新的沉降、侧移以及内力。
      首先,将盾构机( 6 m) 置于开挖起始位置,并在掌子面施加土压平衡力。下面进行新建隧道的开挖,盾构每次掘进两个衬砌环( 3 m) 。将需要开挖的土体单元移去,加入相应的盾构壳单元、衬砌单元和注浆层单元,同时在掌子面施加土压平衡力,并在衬砌单元和注浆层周围土体单元上施加注浆压力。下一个开挖步施工流程同上,这样经过28 个开挖步之后,完成新建隧道的开挖。
 
3 计算结果及分析
      地铁隧道施工对越江隧道的影响,最具有代表性的是位于地铁隧道轴线正上方的越江隧道截面,亦即计算模型中越江隧道轴向的对称面。在对称面上产生最大的沉降、横向位移,对称面上的内力变化也反映了地铁隧道的施工对越江隧道的影响历程。其次,越江隧道纵向、横向差异沉降也是工程所关心的焦点。所以计算结果的分析,主要取越江隧道对称面上的节点以及隧道纵向的外边缘点。
3. 1 越江隧道沉降分析
      地铁隧道的施工,使越江隧道的下部的土体应力释放,造成一定的地层损失,从而造成越江隧道的不均匀沉降。图 3 所示为地铁隧道开挖完成后,越江隧道底部结点的最终沉降量。由图中可以看出,既有隧道的最大沉降为 6. 29 mm,发生在对称面处。在对称面左右各一倍隧道直径以外,越江隧道发生轻微隆起。
      越江隧道对称面内衬砌外边缘上、下、左、右四个结点( 如图 4 所示) 的沉降随地铁隧道的掘进曲线如图 5 所示。从图中可以看出,随着地铁隧道的掘进,越江隧道经历了先隆起,后沉降,最后达到稳定的过程。大致在第十个掘进步之前,越江隧道由于受掌子面上土压平衡力的顶推作用,而发生轻微的隆起。随后,盾构机逐渐靠近越江隧道,由于地层损失的影响,越江隧道逐渐下沉,在第 20 个开挖步之后,由于盾构机的远离,对越江隧道的影响越来越小,沉降基本稳定。左结点产生最大隆起量0. 49 mm,下结点发生最大的沉降 6. 29 mm。

3. 2 越江隧道侧移分析
      地铁隧道施工不仅使越江隧道发生不均匀沉降,同时也使其发生不均匀侧移,图 6 为越江隧道纵向下部结点侧移曲线。从图中可以看出,沿着盾构的掘进反方向越江隧道的最大侧移为 0. 14 mm,并且在越江隧道的对称面处。随着距对称面距离的增加,侧移量越来越小。

      越江隧道对称面上衬砌外边缘上、下、左、右四个结点( 如图 4 所示) 的侧移随地铁隧道的掘进曲线如图 7 所示。从图中可以看出,随着盾构机的推进,由于掌子面上土压平衡力的顶推作用,越江隧道整体沿盾构推进方向发生轻微侧移。大致在第6 个开挖步以后,由于地层损失,越江隧道沿着盾构推进的反方向侧移,侧移量在盾构机位于越江隧道正下方( 即第 13 个开挖步) 达到最大值 1. 55mm。之后,随着盾构机穿过越江隧道,由于掌子面的顶推作用以及地层损失的牵引作用,越江隧道逐渐又沿着盾构掘进方向发生侧移。在第 20 个开挖步之后,由于这种牵引作用越来越弱,越江隧道的侧移趋于稳定。其中越江隧道最终的最大侧移发生在对称面的左结点处,为 0. 67 mm。
      从越江隧道侧移曲线的变化情况来看,地层损失对越江隧道的侧移影响是最大的,掌子面土压平衡力对侧移的影响相对的十分微小。
3. 3 越江隧道横向内力分析
      由隧道的受力特性可知,在越江隧道的横截面内,内力的极值出现在上、下、左、右四个点上。在地铁隧道的开挖过程中,越江隧道对称面上这四个点能较好的反映横截面内内力的变化。
      图 8 为这四个点的环向轴力随盾构掘进的变化。可以看出,随着盾构的推进,上、下结点的轴力先减小,后增大,再减小,最后趋于稳定; 左、右结点的轴力变化趋势与此刚好相反,先增大,后减小,再增大,最后趋于稳定。在前 5 个开挖步内,轴力几乎没有变化。从第 5 个开挖步到第 10 个开挖步,四个结点轴力差异呈增大的趋势,截面轴力分布不均匀趋势加大。从第 10 个开挖步至第 17 个开挖步,轴力差异逐渐减小,截面应力向逐步均匀的趋势发展。从第 17 个开挖步之后,截面轴力分布不均匀趋势又呈增大的趋势。从总体上看,截面的轴力是向均匀分布的方向发展。
      图 9 为这四个点的环向弯矩随盾构掘进的变化。可以看出,随着盾构的推进,上、下、左、右四个结点的弯矩先增大,后减小,再增大,最后趋于稳定。在前 5 个开挖步内,弯矩基本没有变化。从第5 个开挖步到第 10( 左、下结点为 12) 个开挖步,四个结点弯矩逐渐增大。从第 10( 左、下结点为 12)个开挖步至大约第 17 个开挖步,弯矩逐渐减小。从大约第 17 个开挖步之后,截面弯矩又呈增大的趋势,并稳定下来。

      越江隧道横截面内内力变化的原因分析如下:盾构推进时,顶推力的作用对越江隧道的影响类似于加载作用; 当盾构机接近越江隧道时,地层损失作用更为明显,对越江隧道起一个卸载的作用; 随着盾构机的远离,这种卸载作用越来越弱,使得越江隧道的内力又逐渐增加4
3. 4 越江隧道纵向内力分析
      地铁隧道下穿越江隧道施工时,对越江隧道的影响是一个三维问题。这种影响也体现在越江隧道纵向应力的变化上。
      图 10 是越江隧道对称面内上、下两点纵向应力随地铁掘进时的变化曲线。从图中可以看出随着盾构的掘进,下结点的拉应力越来越大,上结点的压应力越来越大,也就是越江隧道的纵向弯矩越来越大。这种变化趋势在 20 步以后达到稳定。

3. 5 影响范围的分析
      盾构隧道的开挖必然对越江隧道的沉降、侧移以及内力产生影响,但是这种影响在有些区域十分微小,可以近似认为在这些区域没有影响。
      由以上的分析可以看出,在盾构机掘进的前 5步,基本上对越江隧道的侧移、沉降和内力没有影响; 在第 20 个掘进步之后,越江隧道的沉降、侧移和内力趋于稳定,不再变化。由此可以得出,在盾构机的掘进过程中,在距越江隧道轴线的水平距离为 2D( D 为越江隧道直径) 时,开始对越江隧道产生影响。随着盾构机的推进,当盾构机距越江隧道轴线水平距离大于 2D 时,隧道的开挖对越江隧道的影响可以不计。
 
4
      ( 1) 地铁隧道的施工将使越江隧道发生不均匀沉降和不均匀侧移,最大沉降和最大侧移均发生在对称面处。由计算结果可以看出,地铁隧道的施工对 越 江 隧 道 侧 移 的 影 响 较 小,最 大 值 为1. 55 mm。而对越江隧道的不均匀沉降造成较大影响。
      ( 2) 地铁隧道的施工对越江隧道横截面的内力影响过程为: 先加载、后卸载、再加载。其主要原因是掌子面土压平衡力、地层损失的影响效应的大小随盾构推进而不同造成的。
      ( 3) 地层损失对越江隧道沉降、侧移以及内力的影响远大于掌子面上土压平衡力对它们的影响。
      ( 4) 越江隧道纵向弯矩随盾构的推进而逐渐增大。对称面内下部结点的拉应力逐渐增大,有可能会导致隧道的渗漏,是设计和施工中需要十分注意的地方。
      ( 5) 地铁隧道施工对越江隧道的影响范围是有限的。在盾构机的掘进过程中,在距越江隧道轴线的水平距离为 2D( D 为越江隧道直径) 时,开始对越江隧道产生影响。随着盾构机穿过越江隧道,当盾构机距越江隧道轴线水平距离大于 2D 时,地铁隧道的开挖对越江隧道的影响可以不计。
 
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