1、探讨软土地区地铁盾构区间对构筑物影响摘要：地铁线路规划大多是在城市的繁华的中心区域，就避免不了施工带给周围环境一些不良影响。华东地区（如上海、南京、杭州等）又多处于软土地区，此地区的区间施工釆用的工法为大多为盾构施工。因此盾构区间施工给周围环境的影响如不加以控制，很容易让地面建构筑物产生过大的差异沉降从而导致风险。本文以盾构下穿涌金大型立交桥为工程实例，运用 FLAC3D 有限元软件对其进行了模拟和分析，研究了盾构穿越大型构筑物产生的影响。 关键词：盾构；大型构筑物；超长穿越；变形；沉降；FLAC 中图分类号：TU74 文献标识码：A 中国地铁的建设始于 1965 年，在 1969 年 10
2、月 1 日通车试运行（时称“北京地下铁道一期工程” ） 。随着时代的发展，截至 2011 底，我国就已有 10 个城市拥有共 29 条城市轨道交通运营线路，运营里程达到 776公里，年客运总量达 22.1 亿次。而据不完全统计，北京、上海、杭州等15 个城市共有约 50 条，1154 公里轨道交通线路在建。 一、软土地区地铁盾构区间所存在的问题 由于特殊情况，往往地铁隧道要在已建大型建构物边上穿越，或者在地铁隧道边上建设大型基坑甚至超深基坑，再或者在以建地铁隧道近距离处施工另一地铁随道，以上这些工程实施均存在许多未知风险，如何控制风险，保证安全是急需解决的问题。 因此在软土地区对盾构区间施工风
3、险控制研究意义是重大的。一方面，可以保证盾构区间运行的安全。另一方面，对于类似在建的盾构区间的设计起到指导作用。不仅仅要保证既有的建（构）筑物在盾构施工期间和运营时的使用安全，还要保证地铁周边的在建结构的施工，是否对已建成隧道的安全构成安全风险。 二、工程概况 杭州地铁 1 号线双线盾构隧道（城站站湖滨站，K11+800?K12+300)下穿西湖大道，沿西湖大道推进，依次下穿涌金立交桥的东侧（BD)阻道、环道桥、主桥和西侧（AC)阻道，如图 1 所示。 图 1 盾构隧道平面图 施工单位组织两台盾构机从东向西推进，盾构双线区间隧道从东、西双距道桥基础中间下穿，隧道覆土厚度约 17m20m,隧道净
4、距 5.0m，如图 2。盾构直径 6.2m，管片厚度 0.35m，管片外轮廟距桥梁桩基 1.3m 5.Om。 图 2 盾构随道与 15 道桥桩基关系图 工程地质情况为：按地质时代、成因类型及其工程特性，勘探深度内（勘探孔最深 58.10m)，上部为第四系海向冲击物、海相沉积物及河流相沉积物，下伏基岩为白垩系（Klc)泥质粉砂岩（主要分布于区间东侧） ，局部分布侏罗系（J3)安山粉岩（主要在区间西侧揭露） 。 三、软土地区地铁盾构区间施工对城市高架桥影响 盾构区间隧道穿越土层多，物理力学性质有差异，顶板埋深变化大，运行后易产生纵向不均句沉降；隧道上方的软弱土层具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作
5、用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，易造成开挖面的失稳；盾构隧道、周围土体、桥梁桩基、桥梁上部结构相互作用，力学关系复杂；盾构隧道从东向西顺桥方向推进，穿越区域长约 500m,对地面桥梁影响范围较大，不同于一般情况下普通桥梁的几十米贯穿，且距离距道桩基为 1.3m5.0m,容易引起桩基的较大变位与竖向承载能力的损失；桥梁上部结构较复杂，主桥为 3 孔一联的现绕预应力变截面箱梁结构，环道桥为钢筋混凝土结构，距道桥为预应力混凝土连续箱梁结构，属于超静定结构，对桩基差异沉降敏感；尤其是环道桥，属于高次超静定结构，弯扭耦合显著，距道桥分、合流点端部异形板受力复杂。 （一） 、桩基沉降变形及桩侧水
6、平位移计算 对盾构隧道施工引起的桥梁桩基变位分析，采用 FALC3D 软件模拟盾构隧道下穿越该立交桥东西匝道桥、环道桥及主桥时，盾构隧道从东向西推进，考虑桩基顺桥向差异沉降计算与计算效率的要求，开挖循环进尺为 20ni,对每循环进尺过程中桩基的变位响应进行监测记录，最终获得桩顶最大沉降与最大侧向变形以及整个隧道掘进过程中的最大差异沉降。1、AC (西）E 道（A5-A8，C5-C8 ) 由图 3 可知，在未注菜的情况下盾构隧道的左线开挖，地表最大沉降 19mm。 图 3 地表横向沉降槽曲线图 由图 4 可知，在未注装的情况下盾构隧道的右线开挖，地表最大沉降 25mm。 图 4 地表横向沉降槽曲
7、线图 2、环道桥 由于环道桥桩基与地铁盾构隧道距离差别加大，我们对对隧道开挖引起桩基发生变位进行了计算分析。 1） 、工况 1，未加固地层，左线开挖 隧道开挖引起桩基发生变位，桩顶最大竖向位移 2.6mm，桩身最大侧向水平位移 4.9mm。 2） 、工况 1,未加固地层，右线开挖完隧道开挖引起被基发生变位，桩顶最大竖向位移 3.1mm，桩身最大侧向水平位移 5.8rnm。 3） 、工况 3，隧道开挖引起桩基发生变位，,桩顶最大竖向位移1.3mrn，桩身最大水平位移 2.0mm。 （二） 、桥梁上部结构安全验算 涌金立交桥由杭州城建设计院有限责任公司设计，于 1999 年竣工通车，至今已运营 1
8、2 年。设计时釆用公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTK)23-85)，故本次研究计算应采用该规范进行分析。 1、AC (西）距道桥 AC (西）E 道桥为 3 孔一联预应力混凝土连续梁结构，主梁为籍型截面，混凝土采用 40 号，钢筋釆用 II 级钢筋，预应力钢筋釆用515.2 钢绞线。A 阻道与 B 阻道桥梁结构形式相同，选取 A5-A8 三孔一联上部桥梁结构进行分析。 采用桥梁专用有限元分析软件 MIDAS-Civil 建立数值分析模型，全桥共 77 个节点、76 个单元。为计算桩基变形对桥梁上部结构的影响，对上部结构选取 1?5 个控制截面进行计算。在考虑结构永久作用、移动荷
9、载及其它可变荷载（整体升（降）温、温度梯度、基础沉降）等作用下，试算在盾构隧道施工过程中各控制截面的荷载效应。 图 5 A (西)-距道桥计算模型 2、主梁变形计算分析 (1)承载能力极限状态验算 依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTJ023-85)，预应力混凝土构件法向压应力应符合以下规定： ha0.5=0.5 X 35.0 = 17.5MPa ha 0.6 =0.6x35.0= 21.0MPa 最大法向压应力 ha =2.79MPa15.75Mpa，满足规范要求 最大法向压应力 ha =2.25MPa18.90Mpa，满足规范要求 依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
10、范 （JTJ023-85 ),在使用荷载作用下全预应力混凝土构件受拉区法向应力应符合： h 计算结果显示，除缴顶截面部分存在拉应力，墩顶应力有折减，折减后箱梁截面上下缘均处于受压状态，即 h，满足规范要求。 3、计算分析小结 在桥梁支座位移最不利组合情况下，AC?道桥结构在各计算状态下，各控制截面正截面抗弯、斜截面抗剪均满足设计规范要求，正常使用状态下的主梁烧度及法向压应力均满足规范要求，结构强度及刚度安全储备较高。 （三） 、主桥 1、计算模型 主桥为预应力混凝土结构，结构形式为 3 跨连续梁，主梁为箱型截面，混凝土釆用 50 号，钢筋采用 II 级钢筋，预应力钢筋采用515.2 钢绞线。釆
11、用桥梁专用有限元分析软件 MIDAS-Civil 建立数值分析模型，全桥共 57 个节点、48 个单元。为计算桩基变形对桥梁上部结构的影响，对上部结构选取 1 9 九个控制截面进行计算。在考虑结构永久作用、移动荷载及其它可变荷载（整体升（降）温、温度梯度、基础沉降）等作用下，试算在地铁开挖过程中各控制截面的荷载效应。 图 6 主线高架桥计算模型 2、计算分析小结 在桥梁支座位移最不利组合情况下，主线桥桥梁结构在各计算状态下，各控制截面正截面抗弯、斜截面抗剪均满足设计规范要求，正常使用状态下的主梁烧度及法向压应力均满足规范要求，结构强度及刚度安全储备较高。 全注浆区段由于注浆在 1 周内土地普遍
12、隆起，1 个月后土体在隆起的基础上有所沉降，沉降最大值为 2.46cm,且个监测点沉降差异最大值为1.35cm,较好的控制了沉降最大值及个监测点间的差异沉降。立交桥的整体安全性可以得到很好的保证。 四、试验段工程研究与实践对比 在盾构隧道穿越桥梁的过程中，应加强对既有桥梁的监控量测，应编制完整的监测方案，给出监测控制指标，并宜引入第三方监测单位。盾构区间隧穿越土层为2 层粉质粘土，其上方 4m 处存在两层软弱地层一2 层（淤泥质粉质粘土）和3 层（淤泥质粉质粘土夹粉土） ，对外界扰动敏感。尤其是2 层处于流塑状态，盾构隧道施工容易引起地层较大变形。因此，应优化盾构施工参数，尽量减少对地层的扰动，同时应对上方的软弱土层给予足够的关注，并采取相应的加固或稳定措施。为保证现场施工万无一失，宜釆用现场工程试验的方式取得可靠数据后再进行全线推进。 总之，盾构施工对于大型的预应力现浇连续梁立交桥风险也是可控的，但后期处理非常重要，可解除运营期间的风险。因此，以后的城市线网规划可更加灵活，在困难条件下可缩小线间距，在工程技术上是可以解决并可安全实施的。 参考文献 1叶耀东. 软土地区运营地铁盾构隧道结构变形及健康诊断方法研究D.同济大学,2007. 2刘峰. 软土地区地铁隧道长期沉降及对地铁安全的影响D.南京大学,2013.
