盾构下穿大型立交时掘进速度对桩基及地表沉降的影响

秦亚斌 朱大勇 张振华 卢坤林

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，230009，合肥；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，230009，合肥；3.中钢集团马鞍山矿山研究院，243004，马鞍山∥第一作者，硕士研究生）

地铁隧道盾构施工中盾构掘进速度是施工的重要参数之一。盾构掘进速度不同，引起的地表沉降及桩基变形也不同［1］。控制盾构掘进速度是施工中必须控制的重要参数之一。

诸多学者对盾构下穿建筑物作了研究。文献［1］通过研究现场实测数据，认为在盾构施工参数设定的前提下，对地表沉降的影响最终取决于盾构掘进速度变化幅度的大小。文献［2］研究了盾构掘进速度对隧道掘进面稳定性的影响，发现盾构掘进速度的改变会引起隧道掘进面附近水头分布以及作用在隧道掘进面上支护力的改变。文献［3］应用太沙基固结理论及Peck公式研究了盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响。但是，在国内外文献中鲜见盾构掘进速度对邻近建筑物变形影响的研究。虽然文献［4-7］分析了盾构穿越建筑物施工对建筑物沉降的影响规律，并以此来确定较为合适的施工参数，控制施工过程中地表或建筑物的变形，但缺乏对掘进速度这一重要施工参数的讨论。

大型立交桥施工安全需要综合考虑地面、桥桩、桥墩及桥面等的变形，复杂性和综合性强。文献［8-11］分析了盾构法开挖隧道对桩基础的影响。从以往的文献中可以看出，学者们多对盾构侧穿桩基的力学行为研究，对盾构掘进下穿大型立交桩基的分析甚少。而当盾构隧道正下穿立交桩基，且洞顶与桩基距离较近时，将引起施工危险性大大增加。鉴于此，本文在其他施工参数确定的情况下，研究了盾构下穿合肥市五里墩大型立交桥时不同掘进速度对桩基的影响，即根据施工前期试验和工程实践确定注浆压力与土仓压力，采用有限差分软件，模拟分析不同掘进速度对地面、桥桩、桥墩及桥面等变形的影响，据此确定盾构下穿五里墩立交桥合适的盾构掘进速度。

1 盾构施工数值模拟原理及方法

1.1 数值模拟基本原理

有限差分软件计算分析的基本方法为连续介质快速拉格朗日分析方法。该方法求解变形破坏问题的基本方程和计算流程概述如下：

（1）运动方程以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解：

式中：

Fi，l（t）——t时刻l节点在i方向的不平衡力分量；

vi，l——t时刻l节点在i方向的速度，可由虚功原理导出；

ml——l节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时采用实际的集中质量。

将式（1）左端用中心差分来近似，可得：

式中：

vi，l——t时刻l节点在i方向的速度；

Fi，l（t）——t时刻l节点在i方向的不平衡力分量；

△t——时间差分增量。

（2）本构方程应变速率与速度变量关系可写成：

式中：

eij——应变速率分量；

ui——速度分量。

本构关系有如下形式：σij=M（σij，e·ij，k）（4）

式中：

K——时间历史参数；

M——本构方程形式。

（3）边界条件。在给定的网格点上，位移用速度表示。对于应力边界条件而言，力Fi由以下公式求出：

式中：

ni——边界段外法线方向单位矢量；

ΔS——应力σij，b作用的边界段的长度。

（4）应变、应力及节点不平衡力。由速率来求某一时步的单元应变增量：

（5）阻尼力。对于静态问题，在式（1）的不平衡力中加入了非黏性阻尼，以使系统的振动逐渐衰减至平衡状态（即不平衡力接近于零）。此时，式（1）变为：

式中：

α——阻尼系数；

阻尼力fi，l（t）为：

1.2 盾构施工的模拟方法

在隧道掘进过程中，一边采用刀盘和盾壳控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边转动刀盘进行掘进，同时采用出土器出渣，千斤顶在后部加压顶进，并在盾尾拼装预制混凝土管片形成衬砌、实施壁后注浆以回填盾尾与管片间的空隙，从而不影响地面交通。

依据文献［12］中讨论的盾构施工模拟方法，认为盾构推进、管片安装以及盾尾综合注浆是一个连续、循环的过程，数值模拟中不能完全模拟盾构的连续推进过程，必须进行一定的简化。通常将盾构推进简化成一个非连续的推进过程。盾构推进实际上是盾构刚度及荷载的迁移，用改变单元材料类型和参数的方法来反映盾构的向前，而一次向前的过程中盾构周围土体受力状态也发生变化。模拟计算前，先在模型里预设隧道开挖单元、管片单元及注浆体单元。盾构推进时，假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进一定的长度，隧道土体开挖后及时改变相应单元的材料模型和参数来模拟管片和注浆体。

2 工程概况

五里墩立交桥为合肥市重要交通枢纽桥梁，其上部为多跨连续梁结构、下部结构采用直径1.2～1.5 m的人工挖孔桩。合肥市地铁2号线隧道下穿或侧穿五里墩立交桥。纵断面上下穿隧道平均埋深约27 m，桩基底部平均埋深约19 m。根据实际施工可知：盾构隧道开挖直径6.28 m，管片壁厚0.3 m，注浆压力为0.1～0.3 MPa。

五里墩立交桥区间范围上覆第四系人工填土、硬塑性黏土，向下分别为全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩，断面的地层分布有人工填筑土（Q4ml）、硬塑性黏土（XQ3）、全风化泥质砂岩（J3Z）、强风化泥质砂岩（J3Z）及中等风化泥质砂岩（J3Z）。

3 计算模型

3.1 数值网格模型

采用有限差分软件模拟合肥市轨道交通2号线下穿五里墩立交的盾构掘进施工过程。数值网格模型X轴方向（隧道轴线方向）长420 m，Y轴方向（垂直于隧道轴线方向）宽150 m，Z轴方向（竖直方向）高90 m，即模型尺寸为420 m×150 m×90 m，如图1所示。采用六面体与四面体单元进行网格划分，数值网格模型共划分成667 660个单元，包含430 665个节点。

图1 隧道下穿五里墩立交三维数值网格模型

3.2 本构模型和屈服准则

根据文献［13］可知，由于轨道交通隧道的平均埋深为27 m，应力水平较低，因此，本次三维数值模拟计算分析过程中，岩土体的本构模型为理想弹塑性本构模型，屈服准则为Mohr-Coulomb屈服准则。

桥面、承台及桥墩、桩基、盾壳和管片在外荷载作用下，其变形主要处于弹性阶段，它们的本构模型采用弹性本构模型。岩土体与桥桩接触面的本构模型采用无厚度的接触面模型。

3.3 计算参数

本次模拟分析涉及到的材料及其物理力学参数见表1和表2。

表1 桩土接触面基本力学参数

4 盾构开挖数值模拟

本次数值模拟中监测点位置与实际各监测点一致，即包括监测断面DBC28～DBC42各点以及隧道沿线各桩的监测点，每个监测断面有14个监测点，监测点布置如图2所示。

根据实际工程及经验，设定盾构掘进速度为4环/d、6环/d、8环/d，对应的开挖速度v约为6 m/d、9 m/d、12 m/d。在分析时采用 model null命令去掉开挖土体，计算结束后即视为1 d内开挖该长度的模型变形终值。

根据实际情况，首先进行右线隧道盾构掘进，右线隧洞先于左线隧洞盾构掘进188 m约137环，再对左线进行开挖，分析不同开挖速度下地表及桥桩的变形规律。

图2 地表监测点分布图

4.1 盾构掘进速度对地表沉降的影响分析

为研究盾构掘进速度对地表沉降影响的大小，将3种掘进速度下相同地表监测点的累计沉降值进行比较，具体见表3。

表3 盾构在不同开挖速度下的地表累计最大沉降值

由表3可以看出：在6 m/d的开挖速度下，地表沉降变形最大值为2.21 mm，发生在断面DBC32的隧道正上方监测点处；在9 m/d的开挖速度下，地表沉降变形较6 m/d开挖速度下的地表沉降变形大，其最大沉降在监测断面DBC33处，沉降值为4.67 mm；在12 m/d的开挖速度下地表沉降值均较大，最大值达7.25 mm。从地表沉降变形可以看出，12 m/d的盾构掘进开挖速度是较为危险的；6 m/d的开挖速度最为安全；在9 m/d的开挖速度下，地表沉降也在允许的变形范围内。

4.2 盾构掘进速度对桩基沉降的影响分析

为研究盾构掘进速度对桩基沉降的影响，将6 m/d、9 m/d、12 m/d开挖速度下的相同桩基累计最大沉降值进行比较。

五里墩立交错综复杂，桩基众多，盾构下穿立交施工难度较大。其中，典型断面桩基与盾构隧道位置关系如图3所示。

图3 典型断面隧道与桩基的位置关系图

在不同开挖速度下各桩基累计最大沉降值如表4所示。

根据文献［14-15］对墩台沉降值的规定，结合实际工程设置的沉降警戒值，从表4可以发现：在6 m/d的开挖速度下，各桩基沉降值较稳定，变形较小；在9 m/d的开挖速度下，各桩基沉降值有所增加，最大沉降值为3.62 mm，发生在桩B3-6上；在12 m/d的开挖速度下，桩基沉降值普遍较大，有一些桩基超过预警值。其中，A4匝道各桩基的预警值为4 mm，而桩基A4-10的沉降值为6.53 mm，超过预警值2.53 mm；A3匝道各桩基的预警值为5 mm，而桩A3-16和桩A3-19的沉降值分别为6.75 mm和6.52 mm，分别超过预警值1.75 mm和1.52 mm；B4匝道各桩的预警值为5 mm，而桩B4-10的沉降值为7.58 mm，超过预警值2.58 mm。

表4 在不同开挖速度下各桩基累计最大沉降值

为更加直观地表现出12 m/d开挖速度下桩基超越预警值的程度，将桩A4-10、A3-16、A3-19以及B4-10的沉降值示于图4中进行比较。

从图4可以看出，在12 m/d的开挖速度下，桩基A4-10的沉降值超出预警值63.25%，桩基B4-10的沉降值超出预警值51.60%，桩A3-16和A3-19的沉降值均超过预警值30%以上。由此看来，以12 m/d的开挖速度进行盾构掘进，会引起桩基的较大变形，对立交桥的安全运行带来一定的风险。因此在实际施工过程中应该控制盾构掘进速度。

根据计算结果，综合分析取9 m/d的开挖速度进行盾构掘进施工。

5 数值模拟与现场监测值对比

现场以9 m/d的开挖速度进行下穿五里墩立交桥。施工过程中地表变形典型监测断面实测地表沉降变形结果及对应的数值模拟结果见图5～8。可见，9 m/d开挖速度的数值模拟沉降值与现场监测值相差不大，且均小于预警值，在安全允许范围内。由此说明，通过数值模拟获得的开挖速度9 m/d用于五里墩立交桥下穿施工是合理的。

图4 桩基沉降值与预警值对比

图5 模拟值与现场监测值比较（监测断面DBC30）

图6 模拟值与现场监测值比较（监测断面DBC33）

图7 模拟值与现场监测值比较（监测断面DBC36）

图8 模拟值与现场监测值比较（监测断面DBC39）

6 结语

在注浆参数及土仓压力等其盾构施工参数确定的前提下，采用有限差分软件，分析不同盾构掘进速度对地表沉降及桩基变形的影响，通过分析结果确定按照6环/d（约 9 m/d）盾构掘进速度进行盾构下穿五里墩立交桥施工，既满足了施工安全的要求，也能依据施工进度稳定推进。现场施工的实际情况表明，盾构掘进下穿五里墩立交工程选取6环/d的盾构掘进速度是较为合适的。本文的研究为地铁隧道下穿大型立交时的盾构施工提供了确定盾构掘进速度参数的方法，具有较好的工程应用意义。

［1］ 周海群.软土地层盾构施工中掘进速度对地面沉降的影响分析［J］.铁道建筑,2012（2）:45.

［2］ 高健,张义同.考虑盾构掘进速度的隧道掘进面稳定性分析［J］.岩土力学,2010,31（7）:2232.

［3］ 林存刚,吴世明,张忠苗,等.盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响［J］.岩土力学，2012，33（8）：2472.

［4］ 颜波,杨国龙,林辉,等.盾构隧道施工参数优化与地表沉降控制研究［J］.地下空间与工程学报，2011，7（S2）：1683.

［5］ COMODROMOS E M，PAPADOPOULOU M C.KOMSTANTINIDIS G K.Numerical assessment of subsidence and adjacent building movements induced by TBM-EPB tunneling［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2014，40（11）：1.

［6］ LIU C，ZHANG Z X，REGUEIRO R A.Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield-Case study in Shanghai［J］.Computers and Geotechnics，2014，51：21.

［7］ XIE X Y，YANG Y B，JI M.Analysis of ground surface settlement induced by the construction of a large-diameter shielddriven tunnel in Shanghai，China ［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2016，51：120.

［8］ 李庆园,孟昌,朱元伟,等.黄土地区地铁隧道盾构施工时既有房屋的变形规律分析［J］.城市轨道交通研究，2013，16（12）：103.

［8］ 侯玉伟.盾构隧道侧向穿越桩基时对桩体土体及地面变形的影响［J］.城市轨道交通研究，2010，13（5）：71.

［9］ 王丽,郑刚.盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析［J］.岩土力学，2011，32（增 1）：704.

［10］ 彭坤，陶连金，高玉春，等.盾构隧道下穿桥梁引起桩基变位的数值分析［J］.地下空间与工程学报，2012，6（8）：485.

［11］ 杨永威.盾构隧道开挖对地表及邻近桩基的影响研究［D］.合肥：合肥工业大学，2014.

［12］ 袁海平，王斌，朱大勇，等.盾构近距侧穿高架桥桩的施工力学行为研究［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（7）：1457.

［13］ 龚晓南.土塑性力学［M］.第2版.杭州:浙江大学出版社，1997.

［14］ 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D 63-2007［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［15］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范：GB 50007-2011［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.