大截面矩形盾构推进对地表环境的影响评估*

2014-09-20

建筑施工 2014年4期

上海建工集团工程研究总院上海 201114

0 引言

在繁忙的都市运行中，地下车行通道已成为缓解城市交通的有效途径，盾构工法以其环境影响小，不受地形、天气、江河水域等地表环境条件的限制而逐渐成为主流的建造工法。然而，较为成熟的地下车行通道盾构建造工法，多以圆形盾构工法为主，尤其对于大断面地下车行通道，圆形隧道占有绝对优势。但是，圆形截面盾构法隧道，由于其内部有着一定的空间浪费，导致了其土地占用率和建设成本较高，覆土深度较深，“低碳、环保”的建设理念也难以彻底落实。相反，与圆形断面隧道相比，矩形断面隧道则具有有效使用面积大、安全埋置深度浅，结构刚度高、土地占用率低等优点，鉴于浅覆土大断面矩形地下车行通道，以同等功能条件下的较低土地资源占用率和高效的道路通行能力，在现代城市建设中具有极高的开发价值和推广前景，更能适应未来超大断面地下快速通道的建设要求。

但是，目前矩形断面隧道发展存在以下不足：基础理论与试验研究不足，这表现在不清楚大断面矩形盾构推进对周边环境的影响，缺乏必要施工措施来控制施工质量。此外，建造装备和设计方法的滞后制约都限制了大断面矩形盾构在软体地区的应用。

1 矩形盾构构造和特点

矩形盾构机构成和普通盾构机一样，由刀盘切削系统、螺旋输送机系统及主顶进系统组成，其与一般盾构机最大不同在于其刀盘切削系统的构造。相对于普通盾构单一刀盘切削的构造，矩形盾构刀盘一般为多刀盘构成，掘进时由多台驱动轴旋转进行土体切削（图1）。

图1 矩形盾构刀盘

相对普通圆形盾构，矩形盾构更适合于大断面，浅覆土掘进施工，它可以广泛应用与人行通道，地下共同沟及矩形通道的建设[1]。

2 矩形盾构推进数值模拟[2-8]

2.1 建模

由于大型矩形盾构在国内软土地区使用实例很少，本研究仅假定一种掘进工况进行数值模拟。模拟中矩形盾构横截面尺寸为长10 m，高5 m，覆土深度为6 m，每次掘进距离为50 cm。土质环境以上海虹桥某工程地质水文数据为例。

研究过程中，采用了岩土工程专业软件Midas-gts进行数值模拟，土体本构采用Mohr-Coulomb本构模型。模型计算宽度为 70 m，即盾构轴线向两侧延伸3 倍左右开挖宽度。计算深度取地表下40 m，轴线方向长度30 m。土体采用六面体八节点实体单元；模型边界条件采用标准边界，即模型底部限制水平和竖向位移，两侧限制水平位移。

本次数值模拟中假定盾构刀盘前方土体保持平衡，无超挖和欠挖情况。考虑到正常情况下掘进中刀盘和切削土之间的空隙会被泥浆填充，土体的切削和搅拌模拟采用改变切削土体物理性质和力学特性的方式进行，土体的体积不会发生改变。刀盘前方设置压力为水平土压力80 kPa模拟盾构刀盘压力，具体模型见图2。

图2 矩形盾构推进模型

2.2 模拟结果

通过以上模型，我们可以得到盾构推进后土体隆沉图（图3）。

图3 盾构切削50 cm后地表影响

2.2.1 切削土强度变化对周边环境的影响

考虑到土体受刀盘切削和搅拌后物理力学性质将会有明显降低，本次模拟中首先分析切削土强度变化对周边土体的影响。假定受扰动的土体弹模和抗剪强度为原状土的80%和50%，每次推进假定刀盘前进50 cm。

图4、5为假定受扰动的土体弹模和抗剪强度为原状土的80%和50%的情况下，盾构推进时周边的土体隆沉变化。

由图4、5可以得到，扰动图的性质对周边土体影响十分明显，对切口处土体扰动越小，地表土体沉降量越小，降低幅度可以达到50%左右。

图4 假定扰动土性质为原状土50%时周边土体隆沉变化

图5 假定扰动土性质为原状土80%时周边土体隆沉变化

2.2.2 刀盘压力对周边环境的影响

实际盾构推进中，盾构刀盘压力是可控的，为保证地表变形达到要求，压力可以有一定幅度的提高。图6、7针对扰动土性质为原状土80%的情况，分析为减少地表沉降所需要的压力值。

（a）当盾构刀盘压力为1.2 倍侧土压力时，如图6所示。

图6 盾构刀盘压力为1.2 倍侧土压力时周边土体隆沉变化

（b）当盾构刀盘压力为1.3 倍侧土压力时，如图7所示。

图7 假定扰动土性质为原状土80%时周边土体隆沉变化

从图6、7上可以得到，当切口压力提高后，地表沉降量有了一定量的下降。当切口水压提高到1.2 倍和1.3 倍侧土压力时，周边土体最大沉降量由4.90 cm降低到4.70 cm和4.35 cm，地表沉降量由1.98 cm降低到1.87 cm和1.74 cm，降低地表沉降效果虽然不如通过改变扰动土强度的方式，但也因为其变化幅度小，在实际盾构推进微扰动施工中具有很大实用价值。