1、盾构近接隧道施工顺序与空间间隔对地表沉降影响分析摘要：本文旨在以某地地铁一号线近接盾构隧道施工为背景，通过有限元软件 MIDAS-GTS 对盾构隧道近接施工过程进行三维数值模拟分析，分析隧道近接施工顺序与空间间隔对地表沉降的影响。 关键词：盾构、近接、施工顺序、空间间隔、地表沉降 中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号： The effects on the earth surface settlement by shield tunnel approaching construction sequence and space interval Ma Cheng-hao （Technol
2、ogy Center of China State Construction Engrg Corp.Ltd, Beijing 101300, China） Abstract: In this paper, we take the shield tunnel approaching construction in a Subway Line No.1 as project background. Use the finite element software MIDAS-GTS to carry out 3D numerical analysis of approaching construct
3、ion of shield tunnel. Analysis the effects on the earth surface settlement by approaching construction sequence and space interval. Keywords: shield tunnel; approaching construction; construction sequence; space interval ; earth surface settlement 0 引言 随着我国都市化进程的加快，城市地下轨道交通不断发展与完善，由于水文地质条件和周围环境的限制，地
4、铁与地铁以及其它地下工程相邻、相遇、相交的机率大大增加，带来了大量近接施工相互影响的问题。本文旨在以某地地铁近接盾构隧道施工为背景，通过有限元软件MIDAS-GTS 对盾构隧道施工过程进行模拟，分析盾构隧道近接施工间隔顺序对地表沉降的影响。 1 基本参数 某地地铁一号线盾构隧道结构采用装配式 C50 钢筋混凝土管片衬砌，错缝拼装，盾构管片外径 6.2m，管片内径 5.5m，厚 0.35m，管片环宽1.2m。 本文采用 MIDAS-GTS 有限元法进行分析。模型所用的的地层和材料参数如表 1 所示。 表 1 地层和材料参数 2 有关假定和计算前提 计算模型为三维有限元模型，模型纵向长 24m，横
5、向宽 60m，竖向36m，隧道顶部覆土 11m。计算相关假定与计算前提有： （1）由于工程影响范围不大且附近地层变化平缓，假设工程所在位置各地层（包括地表）均呈匀质水平层状分布； （2）小变形假设：就研究对象土体、施工技术水平和施工变形控制等条件而言，盾构顶推施工所引起的地表变形应属于小变形问题； （3）地层弹塑性模型假设：围岩土体为非线性材料，盾构法施工对围岩稳定性扰动较小，土体一般不出现极限破坏变形，且应力、应变水平较低，属弹塑性连续变形；计算中对隧道所处地层土体采用理想弹塑性模型模拟，用实体单元模拟，并采用摩尔库仑屈服准则和相关关联流动法则，同一土层为各向同性；土体与结构之间由位移来协调
6、，忽略土体与盾构和衬砌之间的相互滑动，从而避免了复杂本构模型中各类参数较难取得等难题； （4）盾构每推进步长即每环衬砌步长，均等于管片环宽度 1.2m，管片衬砌采用 shell 单元、线弹性材料模拟； （5）盾构隧道施工对周围土体的影响是一个渐变的过程；一般情况下，盾构刀盘在挤压土体时以 3cm/min 的速度掘进，速度较慢，掌子面土体将不会产生过大的挤压或坍塌变形；掌子面后方衬砌管片环拼装时时进行，盾构壳体与围岩土体的相互作用主要是水平摩擦阻力，该阻力应力水平较为恒定并将在一定程度上对围岩产生扰动；计算中忽略该摩阻力，并保持掌子面顶推力为一定值；在本模型中，开挖面支护压力采用动态施加的方式在
7、每步施加，以均布压力的方式施加在开挖面上； （6）壁后注浆层环状假设：影响地层变形各因素中，土体及衬砌材料力学特性参数可通过试验测定，掌子面顶推力可人为调控；而受土体渗透性、疏密度、地下水、注浆压力等因素影响下的注浆层厚度和形状较难量化；计算中假设壁后注浆层为一均质、等厚弹性圆环，其材料力学参数结合工程实际按水泥砂浆压缩弹性模量取定； （7）模型四周边界采用法向约束，下表面采用固定约束，上表面采用自由约束。 3 主要计算步骤 根据盾构隧道施工的特点，采用三维有限元模拟盾构隧道的施工全过程，其主要步骤如下： （1）地层首先在自重应力下达到初始平衡状态； （2）各单元节点初始位移置零，向掌子面土体
8、单元施加盾构顶推力，模拟土仓压力，以防止地表隆起或下沉； （3） “钝化”开挖隧道土体和隧道外层间隙土单元以模拟核心土体和盾壳土体开挖，间隙土层厚度包括盾尾操作间隙和盾构壳厚度之和，激活盾构钢壳单元，向洞周节点反向施加洞周释放荷载，掌子面前行，形成毛洞； （4） “激活”相应位置的混凝土管片单元以模拟管片环拼装，同时钝化上一部激活的盾构钢壳单元； （5）激活管片外围的间隙土单元并用注浆单元属性代替原间隙土属性，模拟盾构通过集盾尾注浆过程，释放剩余应力； （6）在计算至平衡后再进行下一步开挖， 即每一步开挖是在前一步衬砌已建好并产生作用的情况下进行的依次循环（2）（5）以模拟盾构顶推施工直至隧道
9、开挖完成。 4 模拟工况 表 2 数值模拟工况列表 5 计算模型 图 1 三维计算网格模型 图 2 近接隧道空间相对位置关系 图 3 施工过程中盾构掌子面及其顶推力 6 模拟结果分析 图 4 单隧道贯通后围岩 z 方向竖向位移图 图 5 近接隧道贯通后围岩 z 方向竖向位移图 图 6 施工顺序与空间间隔对地表横向沉降影响效应曲线图 见图 6 可知，不同施工顺序与空间间隔对地表横向沉降量有一定的影响，主要表现在同时反向同时施工，反向同时施工所引起的最大地表竖直沉降值为 11mm，仅比单隧道施工增大了 1mm，而其它施工方法所造成的最大地表沉降都在 16mm 以上。 图 7 施工顺序与空间间隔对地
10、表水平位移影响效应曲线图 见图 7 可知，不同施工顺序与空间间隔对地表水平位移量有一定的影响，主要表现在同时反向施工，同时反向施工地表水平位移最大值为4mm，和单隧道施工时相同，只是发生最大水平位移的位置略偏向近接隧道，而其它施工方法所造成的地表水平位移都在 6mm 以上。 图 8 施工顺序与空间间隔对既有隧道中心线处地表纵向沉降影响效应曲线图 见图 8 可知，不同施工顺序与空间间隔对既有隧道中心线处地表纵向沉降量有一定的影响，主要表现在同时反向施工，同时反向施工地表纵向沉降由隧道进口处的 11mm，到隧道出口处的 7mm，变化了 4mm；单隧道施工地表纵向沉降由隧道进口处的 10mm，到隧道
11、出口处的 3mm，变化了 7mm；而其它施工方法所造成的地表纵向沉降由隧道进口处的 16mm，到隧道出口处的 4mm，变化了 12mm。 图 9 施工顺序与空间间隔对两隧道中心线处地表纵向沉降影响效应曲线图 见图 9 可知，不同施工顺序与空间间隔对两隧道中心线处地表纵向沉降量有一定的影响，主要表现在同时反向施工，同时反向施工地表纵向沉降由隧道进口处的 8mm，到隧道出口处的 11mm，提高了 3mm；单隧道施工地表纵向沉降由隧道进口处的 8mm，到隧道出口处的 2mm，降低了6mm；而其它施工方法所造成的地表纵向沉降由隧道进口处的 16mm，到隧道出口处的 4mm，降低了 12mm。 7 结束
12、语 综上可知，施工顺序与空间间隔是影响地表竖直沉降量和水平位移量的重要因素之一，因此应在地铁隧道设计施工时，严格控制施工顺序与空间间隔，应防止由此产生过大的地表位移，而影响周边环境。 参考文献： 1 姜忻良，贾勇，王涛.近距离平行隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟J.天津大学学报，2007（7）. 2 钱双彬，董军，陈方权等.既有隧道受邻近盾构施工作用的变形行为研究J .建筑技术，2009（1）. 3 严长征.盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研究博士学位论文 D.上海：同济大学工学，2007. 4 郑余朝.三孔并行隧道近接施工的影响度的研究硕士学位论文 D.成都：西南交通大学，2006.
13、5 华科.地铁盾构施工对邻近结构物的影响预测与控制方法硕士学位论文 D.成都：西南交通大学，2005. 6 龚伦.上下交又隧道近接施工力学原理及对策研究博士学位论文 D.成都：西南交通大学，2008. 7 林志.双线盾构隧道施工过程相互影响三维弹塑性固结耦合研究博士学位论文 D.上海：同济大学，2004. 8 白廷辉，尤旭东，李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术J.地下工程与隧道，2000（3）. 9 陈越峰，张庆贺，张颖等.近距离三线并行盾构隧道施工实测分析J.地下空间与工程学报，2008（4）. 10 李?，张子新.相邻隧道施工对上海地铁二号线影响分析.岩石力学与工程学报，2005（8）. 11 林志，朱合华，夏才初.双线盾构隧道施工过程相互影响的数值研究J.地下空间与工程学报，2009（2）.
