超大直径盾构施工对临近地铁结构的影响分析

2017-09-13黄夏寅

中小企业管理与科技·下旬刊 2017年8期

黄夏寅

【摘要】随着城市地下空间的拓展，城市地下道路作为城市车行交通的必要组成逐渐兴起。城市地下道路的某些区段不可避免地进入了地铁运营线的安全保护区范围。地下道路建设过程中确保地铁的安全运营成为关键。论文以深圳春风隧道旁穿地铁9号线鹿丹村站为背景，运用MIDAS-NX软件建立三维计算模型，对超大直径盾构隧道旁穿、下穿地铁结构的变形位移及应力进行了分析研究。分析结果表明：盾构隧道与地铁结构距离合适，地铁车站及出入口结构的最大变形位移符合控制要求。最后对保障地铁安全的措施提出了建议。

【Abstract】With the expansion of underground space， as an indispensable component of urban traffic， urban underground road gradually sprung up. Some sections of the urban underground road inevitably enter into the safety protection area of subway line. During the construction of underground roads， it is the key to ensure the safe operation of the subway. This thesis takes Shenzhen Spring Tunnel passing through beside the Ludan village station of Metro Line 9 as background， applies MIDAS-NX software to set up a three-dimension calculation model， and makes analysis on the deformation shift and stress of subway structure passing through beside and under the shield tunnel of super large diameter. The analysis result shows that the distance between shield tunnel and subway structure is proper， the maximum deformation and displacement of the subway station and its entrance and exit meet the control requirements. In the final part， measures to ensure the safety of the subway are put forward.

【關键词】超大直径盾构；地铁；变形位移

【Keywords】super large diameter shield； subway； deformation displacement

【中图分类号】U455.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0153-03

1 引言

随着城市化的发展，交通拥堵成为当今城市发展所面临的普遍问题，构建城市立体交通、倡导公共交通，对缓解交通拥堵、改善环境等具有重要作用。在交通建设方面除新建轨道交通外，深圳也越来越重视城市地下车行设施的建设[1]。城市地下道路的某些区段临近地铁运营线，地铁地下结构的受力平衡状态被打破，使地下结构产生变形位移。地铁运营对结构变形要求极其严格，深圳地铁地下结构的安全控制指标值为10mm。地下道路盾构隧道开挖过程中地应力的释放对于地铁结构的影响不容忽视，必须合理地选择地下道路大型盾构隧道的竖向标高、施工措施，确保地铁的安全运营[2]。本文使用MIDAS-NX软件建立三维数值模型，分析了超大直径盾构施工对临近地铁车站结构的影响，提出了大型盾构隧道施工对地铁结构保护措施的建议。

2 工程背景

2.1 项目简介

春风隧道工程跨越深圳市福田、罗湖两区，起于滨河大道上步立交，终于沿河南路新秀立交以南，全线长约5.16km。项目为城市快速路，双向四车道，设计车速为60km/h。隧道拟采用单洞双层构造，上下双向通行，单方向设置2车道及应急车道。隧道采用开挖直径15.6m的超大直径盾构，盾构隧道外径15.2m，预制盾构管片为C60混凝土厚0.65m。

春风隧道临近9号线鹿丹村站结构，平行近接段长约255m，结构最小水平距离约18m，并且下穿A出入口结构。隧道结构与出入口结构竖向距离约为13.1m。隧道主要处于中～微风化碎裂岩层，覆土深度约为27.6m。春风隧道与地铁车站位置关系如图1、图2。

2.2 工程地质

场地内地层如图2所示，自上而下依次为：素填土、淤泥、黏土、中砂、构造角砾、强～微风化碎裂岩。地下水位位于地面以下约1m。

根据勘察报告的岩土体物理力学指标建议值与钻孔资料，结合工程实际情况，对计算中所用到的岩土体物理力学参数进行取值，见表1。

3 理论计算分析

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）理论分析计算春风隧道深埋浅埋特征，并分析计算其塌落拱范围和隧道开挖完成后自平衡的影响范围。

依规范，等效荷载高度hq=q/γ=0.45×2s-1ω=0.45×2s-1×（（1+i（Bt-5））=14.83m

浅埋和深埋隧道分界深度 Hp=（2～2.5）hq。根据勘察报告，该段隧道处在Ⅴ级围岩，故取Hp=2.5hq=2.5×14.83=37.1m。隧道埋深均大于hq而小于Hp。根据规定，隧道开挖后影响扰动范围计算模型如图3。根据公式tanβ=tanψc+■计算开挖扰动产生的滑动面破裂角。其中ψc为计算摩擦角，θ为滑动面摩擦角。根据规范取值并计算得tanβ=2.3、β=66.5°。春风隧道旁穿地铁9号线车站及下穿出入口结构，从图4可知车站结构在计算扰动范围之外，而A出入口则处于计算扰动范围内。endprint

4 有限元数值模拟

为了减少边界效应的影响，三维模型尺寸需要在地铁车站及春风隧道结构尺寸上作一定延伸。根据有限元分析原理和一般处理经验，水平向的影响范围为车站结构边界外3～5倍结构埋深，而竖向的影响范围则为盾构隧道底2～4倍的盾构埋深。综合考虑地铁结构的位置以及春风隧道埋深，整体三维模型尺寸为350m×150m×80m（长×宽×高）。模型边界采用法向位移约束，地面为自由面。在春风隧道施工过程模拟中，岩土体采用修正摩尔库伦本构模型，地铁结构、盾构隧道采用弹性本构模型。

5 春风隧道盾构施工对地铁车站结构的影响分析

盾构隧道的施工对地应力分布影响较大，隧道上方土层应力变化较大，盾构隧道开挖面四周逐步出现应力集中现象，见图5。结合位移图6可以看出，上部土层形成了明显的沉降槽。计算过程中，盾构施工步数增加但隧道拱顶位移最大值没有变化，说明岩土体位移趋于稳定，表明隧道所处的中、微风化碎裂岩地层具有一定的自稳能力。最终春风隧道拱顶沉降值为4.36mm。

车站结构计算结果显示，春风隧道施工完成后对地铁结构的影响最大。整个施工过程中地铁结构x方向最大位移为0.636mm（图7），y方向最大位移为0.034mm，最大竖向位移为-2.01mm（图8）。

通过数值计算与理论计算的综合分析，得出结论如下：

①春风隧道采用超大直径盾构，施工引起的岩土体应力与位移变化及影响不容忽视。

②春风隧道开挖施工对地铁结构的影响主要为下穿区段的地铁结构沉降变形。

③盾构隧道该区段穿越的岩土体主要为中、微风化碎裂岩层，地质条件相对较好。春风隧道旁穿地铁车站主体结构，最小净距约18m，大于1倍开挖洞径，与车站主体结构设施距离较远。因此，该节点超大直径盾构开挖施工对地铁车站主体结构扰动影响有限。

④春风隧道施工完毕后地铁结构累计最大变形值为

-2.01mm（豎向），符合地铁地下结构变形值≤10mm的要求。

6 建议

拟建春风隧道为深圳首座穿越复杂地质区域的超大型盾构隧道。盾构隧道旁穿、下穿地铁结构，使地铁运营存在一定的安全风险。

因此，施工中应特别关注地铁结构的安全稳定。建议如下：

①春风隧道超大直径盾构采用泥水平衡盾构，便于掌子面压力的精准控制。

②春风隧道旁穿、下穿地铁结构过程中必须严格控制掌子面压力，同时严格控制盾构姿态。盾构旁穿、下穿地铁结构施工时，盾构姿态变化不可过大、过频，以减少土体损失，降低对周围土体的扰动。