盾构隧道穿越区间风机房三维有限元分析

王平

(中国铁路设计集团有限公司， 300142， 天津//助理工程师)

随着国内地铁建设的蓬勃发展，日益复杂的建设环境对地铁施工提出了更高的要求[1]。受既有建筑物、地质条件的限制，新建地铁隧道穿越建筑物的现象越来越多[2]。穿越施工不仅给隧道施工带来困难，同时也对既有建筑物造成一定的影响[3]。

盾构隧道的施工对邻近既有结构的应力分布和变形产生影响，其最本质的原因是盾构施工使其周围地层产生了位移。对地层位移的研究，就是要对既有结构的变形做出估计和预测[1,4]。目前这方面的研究方法主要有：经验公式法、解析和半解析解法、有限元数值分析法、模型试验法及现场实测法等[1,5]。

目前，盾构穿越地铁车站风机房的研究比较少。盾构在穿越施工过程中，存在风机房整体、隧道支架及盾构自重三者之间的相互影响，施工难度大，施工中风险不易控制[1]。

本文基于盾构隧道穿越天津地铁1号线东延伸段双林站—李楼站区间风机房工程项目，使用三维有限元分析软件Madis-GTS，结合风机房基坑施工现场监测数据，在确定合理的土层参数后，针对风机房内不同填充物条件，分析盾构穿越风机房引起的结构位移、结构内力及地表位移的变化情况。分析结果对类似工程的设计、施工起到一定的指导作用。

1 工程概况

天津地铁1号线东延段双林站—李楼站区间的风机房位于景胜路与外环线交口处。风机房主体结构为地下3层结构，呈南北向设置，结构尺寸为36.60 m×16.00 m×18.96 m，覆土厚度为4.95 m(兼做盾构过站使用)。风机房结构尺寸如表1所示。

风机房采用明挖顺做法施工，两端区间采用盾构法施工。基坑围护结构采用地下连续墙加内支撑的支护形式，墙厚1.0 m。基坑沿竖向设置5道支撑+1道换撑，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，其余采用钢支撑。

盾构左右线中心间距为15.1 m，管片外径6.2m，厚度为0.35 m。盾构穿越前，对风机房基坑外土体进行加固，加固范围为20.6 m×13.5 m×6.0 m。围护结构腰梁采用C30钢筋混凝土，主体结构中柱及盾构管片采用C50钢筋混凝土，其余结构均采用C35钢筋混凝土。盾构穿越土层的物理力学参数如表2所示。

表1 风机房结构尺寸

2 建立三维有限元模型

2.1 基本假定

(1) 所有土层为各向同性、均质。简化地表和各土层，使其呈均匀的水平层状分布。选取摩尔-库伦本构模型做为岩土体的本构模型。

表2 盾构隧道穿越土层物理力学参数

(2) 不考虑支护结构与周围土体接触面的相对滑移，认为它们始终是协调变形的，且不考虑结构与土体的脱离现象。

(3) 初始应力只考虑自重应力场，不考虑构造应力场，使土层在自重作用下达到平衡状态，而后再进行基坑开挖模拟。

(4) 不考虑基坑中土体开挖的时间效应。

(5) 计算中不考虑地下水的渗透作用，采用水土合算的方法，地下水位以下采用饱和容重处理。

2.2 有限元模型

模型如图1所示，共划分为41 443个单元，39 676个节点。模型整体尺寸为177.6 m×107 m×66.3 m，基坑尺寸为37.6 m×17 m×23.8 m，模型两侧距基坑边缘分别45 m和70 m，模型底部距连续墙底部20 m，距基坑底部为42.5 m。

采用位移边界条件，上边界取地面为自由面，两侧面、底面均受法向约束。土体采用3D实体单元模拟，连续墙、侧墙、底板、顶板采用2D板单元模拟，支撑、柱、腰梁、纵梁采用1D梁单元模拟，加固区采用按一定比例提高的土体参数模拟[6]，连续墙与侧墙之间建立刚性接触单元。考虑到接头以及错缝拼装方式的影响，将管片的刚度进行修正，折减系数确定为0.80。

图1 盾构隧道穿越风机房有限元模型

盾构开挖过程中引起沉降的因素主要有以下几种： ① 施加在开挖面土体上应力的大小； ② 盾构对土体的挤压和剪切摩擦；③ 土体挤入盾尾空隙[7,8]。

对于盾构机切削刀盘的推进力效应以及正面土压力的稳定效应，采用在盾构作业开挖面处施加一定的表面力来进行模拟[7,8]。对于注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，通过调整空洞周边地层释放荷载的大小来反映注浆的影响，通过等代层参数来反映浆液的性质[7,8]。

2.3 施工过程模拟

基坑采用明挖法施工，先撑后挖，共15步。第16步主体结构第三层填充材料，这里分3个工况，分别为： ① 第三层全填素混凝土； ② 第三层全填土； ③ 第三层添加隔板，部分填素混凝土。17～77步为盾构施工过程，盾构施工完成后清除填充物(78步)。

盾构隧道左右线错开施工，全断面开挖土体,每循环进尺为1环管片环宽。每向前开挖一步，钝化己经开挖掉的土体单元。GTS软件施工步中考虑荷载释放系数(LDF)为0.25，同时在开挖面处施加盾构正面附加推力0.3 MPa，激活衬砌单元，同步注浆形成等代层采用弹性体，其厚度取0.15 m，弹性模量取4.5 MPa，泊松比取0.3。

3 有限元分析

3.1 模型验证

首先进行基坑开挖施工模拟。不考虑盾构施工，取相同位置的地表沉降、连续墙顶水平位移、连续墙顶竖向位移的有限元模拟结果与现场监测结果进行对比，以验证模型参数取值的合理性。监测点位置如图2所示，结果如图3、图4所示。有限元模拟不考虑时间效应，提取每个施工步的位移变化进行表示。现场监测从施工开始到结束每隔一段时间选取1个位移结果，将位移的变化趋势和位移值进行比较。

图2 现场监测点位置图

图3 有限元模拟位移结果

图4 现场监测位移结果

对比3个监测点的计算结果和现场监测结果可以看出，3个监测点的位移变化趋势基本一致，且最终位移结果相差较小，说明模型采用的参数能够满足计算要求，计算结果可信。

3.2 盾构施工对基坑的影响

盾构在穿越风机房时会对基坑产生影响。分别提取3种工况下的图2中A点水平位移、A点竖向位移、B点水平位移进行分析，结果如图5、图6、图7所示。其中，左线盾构开挖面在37步时推进至基坑侧墙位置，44步时出基坑；右线盾构开挖面在47步时推进至基坑侧墙位置，54步时出基坑。由图5、图6、图7可以看出：

(1) 盾构施工过程中，连续墙位移主要发生在基坑开挖阶段，主体结构浇筑阶段位移有所减小。

(2) 基坑内回填材料时，3种工况下连续墙位移会显著增加，其中全填土增加最大，全填混凝土增加最小。

图5 监测点A水平位移

图6 监测点A竖向位移

图7 监测点B水平位移

(3) A点水平位移在左线隧道开挖至基坑时略有增加，在右线隧道开挖至基坑时减小；A点竖向位移在左右线隧道开挖至基坑时略有减小。

(4) B点水平位移在盾构开挖面接近基坑时减小，到达基坑时达到最小；当盾构在基坑内施工时，B点位移增大。

3.3 盾构施工对侧墙内力的影响

盾构在穿越风机房主体结构时，会使盾构周边结构内力产生较大的变化。提取右线盾构右侧主体结构侧墙的内力变化结果进行分析，如图8、图9所示。

图8 侧墙等效应力变化

图9 侧墙最大剪应力变化

由图8、图9可以看出：监测点结构等效应力和最大剪应力变化趋势一致。侧墙施工后，监测点内力较小；结构第三层填充材料后，监测点内力增大；左线盾构推进至结构时，由于距监测点较远，未对监测点内力产生影响；右线盾构推进至监测点(54步)时，监测点内力显著增大。3种工况下，填土工况监测点内力值增加最大，全部填混凝土增加最小。

3.4 盾构施工对地表沉降的影响

盾构引起地层沉降一般分为纵向沉降和横向沉降。分别提取3种工况下沿盾构隧道开挖方向的地表沉降结果。如图10方形监测点所示，根据模型网格划分可知，监测点间距为6 m，距基坑边缘36 m的监测点为盾构开挖面对应的地表位置，监测结果如图11所示。

根据图11的地表纵向沉降曲线可以看出，3种工况下沿盾构隧道开挖方向的纵断面地表沉降呈“S”形，开挖面后方地表发生沉降，前方地表轻微隆起。在远离基坑位置，3种工况下地表位移基本相同，在靠近基坑位置，受坑内填充物的影响，地表沉降出现差异，全填土沉降最大，全填混凝土最小。

根据模型网格划分(监测点间距见图10)，假设沿开挖方向距离以左侧为负，以右侧为正，分别提取3种工况下垂直于盾构隧道开挖方向的地表沉降监测结果。监测结果如图12所示。

单位:m

图10 地表沉降监测点位置图

图11 地表纵向沉降

图12 地表横向沉降

由图12可以看出，3种工况下垂直于盾构隧道开挖方向的横断面地表沉降呈“U”形，距模型中线超过30 m时地表沉降已很小。由于监测点距基坑6 m，受基坑内填充物影响，全填土沉降值最大，全填混凝土最小。

4 结论

基于盾构隧道穿越天津地铁1号线东延段双林站—李楼站区间风机房工程项目，采用三维有限元分析方法，建立了基坑开挖模型及双线盾构隧道穿越风机房模型。重点研究了在主体结构内不同填充物条件下，盾构穿越对结构位移、结构内力及地表位移的影响，得到以下结论：

(1) 基坑开挖现场监测资料及有限元计算结果基本一致，模型所取参数和计算结果可信。

(2) 基坑内回填填充物时，连续墙墙顶位移及第三层侧墙内力会增大，3种工况下全填土增加最明显，全填混凝土增加最小。

(3) 盾构掘进对连续墙位移影响较小；掘进至侧墙时，侧墙与盾构接触位置内力显著增大(应采取加强措施)。

(4) 地表竖向沉降呈“S”形，横向沉降呈“U”形，结构内填充物对地表沉降的影响范围约在模型中心线两侧30 m内。在影响范围内，全填土沉降最大，全填混凝土沉降最小。

综上所述，全填混凝土在填筑过程及盾构推进过程中对地表位移、结构位移及结构内力的控制较好。