短期集中荷载作用下伏既有浅埋盾构隧道力学行为分析

雷金山，代忠，杨秀竹，陈菲



短期集中荷载作用下伏既有浅埋盾构隧道力学行为分析

雷金山1,2，代忠1，杨秀竹1，陈菲1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

某新建立交桥跨越地铁盾构隧道，受跨度影响需架设临时支墩。由于下伏盾构隧道埋深较浅，桥墩的设置及其所施加的荷载将导致赋存于土层中的盾构隧道结构产生附加应力和变形。通过数值模拟分析临时钢便桥支墩集中荷载对隧道结构的内力及位移所产生的影响，以进一步指导施工，规避风险。研究结果表明：所得集中荷载作用下盾构隧道拱顶最大沉降变形与径向收敛变形、隧道衬砌所受内力均未超过控制标准。

集中荷载；浅埋隧道；数值计算；影响分析

城市交通的快速发展，不可避免地上跨或下穿既有交通设施，本工程为岗厦北站综合枢纽工程新建立交桥，跨度46 m，地处深圳福田区中心地带，周围有深南大道、彩田路等交通主干道，同时上跨运营地铁2号线；运营地铁为双线盾构隧道，隧洞直径6 m，衬砌厚度0.3 m，左右线隧道净间距9.3 m；新建桥梁桩基础嵌入土状强风化土层，梁体施工需在既有地铁隧道上方架设临时钢箱梁桥，临时钢桥下部采用混凝土结构基础，上部为钢结构，其与地铁隧道空间关系如图1和图2所示；作用在左右基础上的荷载分别为3 724 kN和4 528 kN，施工荷载将引起土层中盾构隧道产生附加应力与变形，可能影响地铁运营安全，因此需准确把握短期集中荷载作用对下伏既有浅埋盾构隧道的影响。当前研究主要集中在桩基础对既有隧道的影响，而对桥梁上部施工对浅埋隧道的影响研究较少。路平等[1]分析立交桥桥墩桩基础施工及运营承载期对既有地铁隧道结构及轨道位移的影响。Schroeder等[2]针对桩与隧道相对位置关系的不同，研究群桩的加载阶段对隧道变形产生的影响，从而确定合理的桩与隧道间净距。Benton等[3]从最小净距桩与群桩2个方面分析桩施工和加载对隧道变形的影响。闫静雅等[4]采用有限元方法对隧道刚度、桩长以及桩隧净距等进行单因素敏感性分析，得出群桩对已建隧道变形和弯矩的影响规律。吕宝伟[5]采用数值模拟软件对某新建立交桥多次跨越地铁盾构区间隧道进行分析，以对桥梁设计及施工方案进行优化。冯龙飞等[6]运用三维有限元模型模拟分析近距离钻孔灌注桩施工、跨线桥上部施工、跨线桥通车阶段对既有隧道的影响。本文所研究的工程具有近距离跨越既有隧道的特点，并重点关注上部施工荷载对下伏浅埋隧道的影响。通过有限元方法研究短期集中荷载对既有地铁隧道结构受力和变形进行分析，评估施工风险，确保施工安全。

图1 临时支架与地铁隧道平面位置图

图2 临时支架与地铁隧道立面位置图

1 有限元计算

1.1 计算思路及步骤

本工程数值模拟的基本思路：1) 依据研究内容确定计算模型的区域；2) 由既有运营区间构造断面图、详细勘察报告及施工现场测试数据确定土层参数和荷载情况，并建立几何模型；3) 利用施工阶段法模拟前期已有构筑物的影响来得到工程施工前期场地的初始应力状态；4) 分析在临时支架基础中心线不变两边对称加宽处理情况下，不同荷载作用宽度下隧道衬砌的受力和变形。并分以下几种情况进行分析，如表1所示。

表1 分析工况

1.2 计算模型

1.2.1 有限元模型

依据临时支架与地铁隧道的平面位置图及立面位置图，确定隧道与土层的相对位置及荷载作用位置和宽度，并采用平面应变单元和梁单元模拟分别模拟地层及隧道衬砌，建立计算分析模型如图3所示。

图3 计算分析模型

1.2.2 模型参数

依据地质勘查报告及地铁隧道设计说明，土体参数采用固结快剪指标，模型中土体采用Mohr- Coulomb弹塑性本构，各土层物理力学指标见表2；隧道衬砌采用弹性本构，具体参数见表3。

表2 土层物理力学指标

表3 地下结构物物理力学指标

2 计算结果与分析

采用数值模拟软件分析支墩荷载对既有隧道衬砌所受轴力、弯矩和位移变化情况进行分析。

2.1 隧道衬砌轴力分析

根据数值模拟软件计算不同基础宽度下荷载引起的轴力变化，其中支架基础宽度为2.0 m时的计算结果如图4所示。

图4 隧道衬砌所受轴力变化云图

图4表示上部荷载作用下土体位移的传递使得隧道衬砌产生附加轴力，隧道衬砌在拱腰处轴力最大，为−8.155×102kN(负号表示隧道衬砌承受压力)，而在拱顶及拱底处较小，符合隧道的收敛变形。

依据不同荷载作用宽度轴力变化云图及计算数据，不同特征点处轴力值如表4所示。

由计算数据图5可知：1) B2处轴力值变化最大，增量为36.256 kN，增幅比例为4.7%，根据地铁盾构隧道设计说明及混凝土结构设计规范，其轴力增量满足其衬砌结构设计安全储备。2) 因作业2区荷载作用位置的关系，右边隧道各点处轴力的增加幅度均大于左边隧道。3) 荷载作用宽度的不同对隧道衬砌所受轴力影响甚微，其中B1，D1，B2和D2处轴力随荷载作用宽度的增大而增大，但增长幅度很小，而A1和A2处轴力随荷载作用宽度的增大而有些微减小，C1和C2处轴力在不同荷载作用宽度下有起伏。

表4 不同荷载宽度下特征点处轴力值

图5 不同荷载作用宽度下轴力变化曲线

2.2 隧道衬砌弯矩分析

根据数值模拟软件计算荷载作用宽度为2.0 m时隧道衬砌所受弯矩的结果如图6所示。

图6 衬砌所受弯矩变化云图

图6表示上部荷载作用下土体位移的传递使隧道自身截面弯矩发生改变，隧道衬砌在拱顶与拱底部位外侧受拉，最大弯矩值为2.27×102kN·m，而在拱腰的位置内侧受拉，最大弯矩值为−2.14×102kN·m。由此可进一步说明隧道的收敛变形规律，是由于拱腰方向增大的土压力使得隧道截面在该方向上内部受拉，左边隧道截面因偏心荷载作用有被压扁的趋势，直径减小。

依据不同荷载作用宽度隧道衬砌弯矩变化云图及计算数据，不同特征点处弯矩数据如表5所示。

由计算数据和图7可知：1) C1处弯矩值大于A1，B1和D1处弯矩值，C2处弯矩值大于A2，B2和D2处弯矩值，即荷载在隧道拱底区产生的弯矩值大于其他特征点。2) 荷载作用下衬砌所受弯矩有所增加，最大增幅为12.933 kN·m，增幅比例为6.7%，根据地铁盾构隧道设计说明及混凝土结构设计规范，其弯矩增量满足其衬砌结构设计安全储备。3) 左边隧道A1，B1，C1和D1处弯矩值随着荷载作用宽度的增大有些微增大的趋势。而右边隧道A2，B2，C2和D2处弯矩值随着荷载作用宽度的增大先降低后升高。总的来看，隧道产生的附加弯矩值很小。

表5 不同荷载宽度下特征点弯矩值

注：隧道衬砌所受弯矩外侧受拉为“+”，内侧受拉为“−”

图7 不同荷载宽度下弯矩变化曲线

2.3 衬砌位移分析

根据有限元软件计算荷载作用宽度为2.0 m时荷载引起的衬砌位移结果如图8所示。

图8 隧道衬砌位移变化云图

图8表示临时钢便桥荷载作用下隧道横截面在受影响前后的变形矢量，隧道横截面发生了以沉降为主的位移。左边隧道截面发生了轻微的逆时针转动，其中水平旋转角度较大，主要是由于偏心荷载作用下方向向下的土层位移沿向隧道方向的传递逐渐衰减造成的。右边隧道横截面由于左右两侧荷载的共同作用未发生偏转，其中拱顶和拱底发生较大位移，为2.2 mm。

依据不同荷载作用宽度下隧道衬砌位移数据，选取特征点的计算数据进行分析。

表6 不同荷载宽度下衬砌位移变化

从计算数据及图9可知：1) 随着荷载作用宽度的增加，A1和D1处位移呈现先增大后减小的趋势，A2和D2处位移呈现先减小和增大的趋势，而C1呈现递减的趋势，B2和C2呈现递增的趋势，但变化幅度非常微小。2) 在分析的特征点中，A1处位移变化最大，为2.468 mm，依据《地铁隧道监控量测规程》规定小于混凝土管片变形控制2‰基准(为隧道直径)。3) 临时钢便桥支架基础作用宽度变化对隧道衬砌位移的影响较小。

图9 不同荷载宽度下衬砌位移变化曲线

3 结论

1)隧道衬砌在支墩荷载作用处产生以竖向位移为主的附加位移，使隧道发生整体性沉降，土体位移沿深度方向和远离支墩方向逐步衰减，这种位移传递差异导致左边隧道截面沿逆时针扭曲变形。其对隧道受力的影响机制为短期支墩荷载引起隧道拱肩方向的土压力增大，使得左边隧道截面在该方向产生内部受拉的附加弯矩，截面产生了沿该方向被“压扁”而沿与其垂直的方向被“拉长”的收敛变形。

2) 在短期支墩荷载作用下，隧道衬砌结构上的轴力及弯矩均无明显增加(增幅均在7%以内)，不会对既有隧道造成损伤；在短期支墩荷载作用下隧道衬砌结构只会发生少量变形，变形量远小于运营隧道结构安全保护控制指标(20 mm)。

3) 对钢便桥基础进行加宽至2.5 m，对隧道衬砌所受内力及位移变化影响较小，但能减小上部土层的沉降变形。

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Mechanical behavior analysis of existing shallow buried shield tunnel under short-term concentrated load

LEI Jinshan1, 2, DAI Zhong1, YANG Xiuzhu1, CHEN Fei1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High-speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

For a newly built overpass spans a subway shield tunnel, the temporary piers should be erected under the influence of span. Because the buried depth of the buried shield tunnel is shallow, the installation of the pier and the applied load will cause additional stress and deformation in the shield tunnel structure. In this paper, numerical simulation analysis of the temporary steel bridge pier impact force and displacement of the concentrated load on tunnel structure was generated to further guide the construction and avoid the risk. Under the optimized concentrated load, the maximum settlement deformation and radial convergence deformation of the vault of the shield tunnel and the internal force of the tunnel lining are all no more than the control standards.

concentrated load; shallow tunnel; numerical calculation; influence analysis

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.019

U455

A

1672 − 7029(2019)01 − 0137 − 07

2017−12−01

湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ2316)

杨秀竹(1972−)，女，山东莱州人，博士，从事隧道与地下工程的教学与科研；E−mail：xyzang1661@126.com

(编辑 阳丽霞)