地道桥顶推施工对周边土体影响的数值模拟研究

黄勇军

地道桥顶推施工对周边土体影响的数值模拟研究

黄勇军

(湖南建工交通建设有限公司，湖南 长沙 410005)

为了研究地道桥施工过程对其周围土体的影响，结合实际工程，利用FLAC3D软件模拟地道桥动态施工过程，将计算结果与现场监测结果进行比较，验证数值计算的合理性。同时，得到地道桥顶进施工对其周围土层的影响规律。研究结果表明：地道桥顶进施工将影响其周围土体的应力场与位移场，其中对应力场的影响较小，而顶进施工对位移场的影响较大，其影响范围主要集中在顶推范围的上覆路基以及两侧3 m范围内，尤其是地道桥上部土体，在顶进过程中位移较大，在施工过程中需重点关注，必要时需进行预加固处理。

地道桥；盾构；数值模拟；变形受力；深层测斜

地道桥施工是近年来发展起来的一种施工工艺，目前被广泛应用于铁路、公路立交工程之中。但是，大量工程实践表明，地道桥在顶进施工的过程中，容易引起上层路面塌陷、上部土层整体位移等问题[1−5]。目前，许多学者对地道桥施工过程中结构受力与对周围土体的影响进行了一系列的研究，也取得了不少成果。周利金[6]基于ANSYS研究地道桥的受力与变形特征，指出地道桥受力的薄弱位置，但是计算基于静力展开未考虑动态施工过程的影响。HUO等[7]研究隧道顶进时，结构的动态受力特性。杜守继等[8]使用有限元等数值方法，模拟地道桥结构与土的相互作用过程，指出周围土体对地道结构的受力影响，为地道桥结构设计提供了参考依据。朱建栋等[9]使用ANSYS软件采用三维实体建模方法模拟空间范围的地道桥与其周围土体相互作用，总结不同工况下地道桥结构位移、应力空间分布规律。Kasper等[10−11]对隧道盾构过程对周围土体受力的影响进行研究，指出施工过程对土体受力存在较大影响，施工时需要注意。王净伟等[12−13]研究盾构施工对既有建筑物的影响。晁峰等[14]研究盾构施工对土体地表沉降的影响。许敬叔等[15]研究开挖对结构受力的影响。但是，此前的研究，大多关注于对地道桥结构受力的计算，将顶进这一动态过程简化为静力问题处理。这种处理无法研究动态施工过程中，顶力对周围土体的影响。基于此，本文结合地道桥顶进施工的实际工程，应用FLAC3D软件，结合实际工程，对地道桥顶进施工的动态过程进行数值模拟，分析开挖及顶推对地道桥周边土体应力场及变形场的规律。最后将计算结果与现场深层测斜数据进行对比，验证数值计算的合理性，并提出相应的施工安全控制建议，为地道桥顶进施工提供指导。

1 工程概况

工程依托欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程某地道桥施工，道路中线与京港澳高速K1540+337.7相交。该地道桥为钢筋混凝土地道桥，上覆土层厚度3 m，顶部为厚度为0.8 m的路面结构层，重度为24 kN/m3，路基填土为粉质黏土，厚度2.2 m。盾构框架宽15 m，高7 m，钢盾构长度 7 m，首节地道桥长13 m。

2 地道桥顶进动态施工全过程数值模拟

地道桥施工是一个开挖与顶进交替循环的动态过程，对盾构过程的模拟一直以来是研究的热点问题。大量的研究表明，大型有限差分软件FLAC3D能很好地模拟盾构施工的动态过程[4]。因此本文主要应用FLAC3D软件，对地道桥盾构下穿高速公路的这一问题进行计算分析。

2.1 模型建立

数值计算的模型尺寸依托工程欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程施工图和现场地质资料等实际资料获得。此问题可按照轴对称问题处理，因此取半结构进行计算。模型尺寸如下，路面宽30 m，道路边缘按1:1.5进行放坡，盾构体高7米，宽7.5 m，上覆土层厚度3 m，盾构体以下土体取8 m，具体的计算模型见图1所示。模型顶面为自由面，地面双向约束，左右边界和前后边界为水平约束。具体的模型边界条件见图2所示。模型沿地道桥推进方向为轴(正向)，竖直方向为轴(向上为正)，水平为平面，共划分为22 065个八面体单元，30 205个节点。

地道桥周边土体采用摩尔库伦屈服准则，结构采用弹性准则，由于需要模拟盾构顶进的过程，因此需要使用接触面单元模拟结构与土体接触。接触面参数的取值按FLAC3D使用手册的推荐公式取值。材料参数来源于欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程施工图和现场地质资料等实际资料，具体的材料取值见表1。

图1 计算模型

图2 模型边界条件

地道桥下穿高速公路过程分析的模拟步骤 如下：

1) 初始应力场平衡。在该分析步中仅激活地基土体单元与自重、边界条件，对自重应力场进行 计算；

2) 土体开挖，每次开挖0.5 m，重新对应力分布进行计算；

3) 顶进地道桥框架0.5 m，采用大变形计算，框架顶进完成再计算应力重分布；

4) 每完成一次顶进，记录一次各个测点的应力与位移情况，依次类推直到地道桥顶进完毕。

表1 材料参数

2.2 计算结果

数值模拟第1步是对模型路堤土层进行初始地应力分析，形成初始自重应力场见图3~4。框架结构顶板外侧竖直土压力在路面荷载和路基自重作用下大概处于76 kPa的范围，框架结构侧面水平土压力则为30~90 kPa区间。图5为初始框架−土接触摩阻力分布，由于框架结构尚未顶进，框架土体接触面与摩阻力仅在入口处产生。由于本次数值模拟为对盾构顶进的全过程模拟，所记录的数据量十分庞大，因篇幅限制仅给出单节地道桥在开始顶入(1 m)、顶入一半(5 m)与完成单节地道桥顶入(10 m)的计算结果。

由图6与图7可知，开始顶进施工后，土体应力场均发生了一定变化。由于顶面和侧面均进行了减阻施工(降低摩擦因数)，框架和土体最大接触摩擦力发生在底部，摩擦力为40~160 kPa范围内，越靠近前段摩擦力越大。随着掌子面向前推进，掌子面前方竖向土压力塌陷，引起路基土体应力重分布范围扩大。与此同时，最大接触摩擦力位置随着盾构的顶进向前移动。

图3 初始竖直应力场

图4 初始水平应力场

2.3 数值模拟结果分析

通过框架顶进过程的数值模拟，观察到土体及接触面上应力变化过程。

框架结构顶板外侧竖直土压力在路面荷载和路基自重作用下大概处于76 kPa的范围，框架结构侧面水平土压力则为30~90 kPa区间。

图5 初始框架-土接触摩阻力分布

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

图8为地道桥顶板外侧土压力沿顶进方向的分布情况。由图8可知，在开挖顶进过程中，由于开挖造成掌子面前方竖向土压力塌陷，从而引起路基土体应力重分布，竖直应力场的变化大于水平应力场。掌子面后方一定范围(5 m)内路基土体竖向应力大幅增加，超过5 m则影响不大。由于开挖引起的应力塌陷主要由掌子面附近路基土体承担，作用在框架结构上的覆土压力则较初始土压力仅略有增加(10%左右)，说明在施工过程中按照静止土压力对框架结构进行受力分析是合理可行的。

框架和土体最大接触摩擦力发生在底部，越靠近前段摩擦力越大，框架底部直角处由于应力集中摩擦力最大。顶进施工中结构应力集中多发生于地道桥底板边角处，因此，实际施工中应随时注意观察并及时处理。

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

3 地道桥顶进对周围土体位移影响分析

地道桥在动态施工的过程中，由于开挖与顶进的作用，造成其周围土体的扰动，尤其是顶进过程中，土体将产生较大的顶进方向的位移，进而引起上部公路路线的偏移与路面的塌陷。因此，需要研究地道桥顶进对其周围土体位移的影响。本节依托欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程某地道桥施工，通过数值模拟与现场监测相结合的办法，分析地道桥顶推对周围土体位移的影响。

3.1 计算模型与测点布置

由于本节与上一节所模拟的地道桥动态施工过程是同一过程，因此，本节所使用的计算模型、计算参数与边界条件均与上一节一致。只是在计算过程中，需要根据现场测斜孔孔位的布置情况，布置一系列的监测点，监测深度与现场测斜深度一致。监测地道桥动态施工过程中，地道桥周围土体产生的顶进方向的位移。并与现场测斜的结果进行对比分析。具体的测点布置位置见图9所示。

图9 位移监测点布置

3.2 数值计算结果与现场监测结果分析

由于篇幅限制，在此展示开始地道桥箱涵顶入1 m，顶入5 m与顶入10 m时地道桥箱涵周围土体沿路线方向位移的计算结果。图10为地道桥顶进1，5与10 m时路线方向位移的计算云图。正值表示为顶进方向(轴正方向)

由图10可知，掌子面附近土体位移方向与顶进方向相反，即图中倾斜的开挖面区域，这是由于开挖卸载引起的，而掌子面以外，土体发生沿顶进方向相同的位移，尤其是地道桥顶进位置，位移较大，即图中顶推框架所在位置。这是由于在顶进施工时，地道桥在顶力的作用下，带动其周围土体发生沿顶进方向的位移。且随着地道桥的顶进，土体沿顶进方向逐渐增大，当第1节地道桥顶进10 m时，最大的位移已经超过2 cm。

图11为数值模型中某纵截面与横截面测线示意图。测线用于监测测线上各点沿顶进方向的位移，测线垂直于路面布置，本质上即是对地道桥周围土体进行深层测斜。因此，可将现场测斜的结果与数值模拟的结果进行对比分析。

(a) 顶进1 m；(b) 顶进5 m；(c) 顶进10 m

图11 测线示意图

由于数值模拟监测的数据与现场测斜的数据量均十分庞大，限制于篇幅，仅展示顶进1 m，顶进5 m与地道桥顶进10 m时的数值计算结果与现场监测结果。

图12 cx1号孔全过程位移

图12为地道桥顶进1，5与10 m时，cx1孔位置数值计算与现场测斜结果。其中散点为数值计算结果，曲线为现场测斜结果。从图12可以发现，数值计算结果与现场测斜的结果在数值上存在一定的差距，这是因为在进行数值计算时，为了提高计算效率，模拟动态施工过程，对计算模型进行了一定程度的简化所致。但是，不难看出，数值计算的结果与现场测斜的结果，在变化趋势上基本相同，反映的位移变化规律基本一致。说明，本次数值模拟，能在一定程度上，反映真实的土体变形情况。由图12可知，当地道桥顶进1 m时，土体朝顶进方向的反方向移动，这是因为cx1号孔靠近边坡临空面，在顶进前，对掌子面土体进行开挖所致。随着地道桥的不断顶进，cx1孔周围土体向顶进方向移动，顶进5 m时，cx1孔地表的顶进方向位移约0.5 cm，实际检测的结果约0.37 cm。当地道桥顶进10 m时，cx1孔数值计算的地表位移大于1 cm，实际监测的结果约0.78 cm。图12还反映了土体位移与深度的关系，由图12可知，顶进施工，对距地表15 m以下的土体影响不大，位移不到1 mm，土体位移由距地表10 m位置，开始逐渐增大，位移约3~4 mm，且越靠近地表，土体位移越大，最大的地表位移超过1 cm。而距地表10 m位置是地道桥底板所在位置，从这一深度土体位移开始显著增大，说明顶进施工对其周围的土体影响较大。

图13 横断面方向位移

图14 路线方向位移

图13为地道桥顶进10 m时，最早顶进施工位置的横断面上3个测点的土体位移情况。由图13可知，cx1孔最大位移超过1 cm，cx2孔最大位移约0.5 cm，cx3孔位移很小不到1 mm。可知，cx1孔位置土体位移最大，cx2孔次之，cx3孔位置土体位移最小。同时，沿测斜孔方向由下至上，位移逐渐增大。结合孔位布置图可知，在同一横断面上越靠近地道桥，土体的位移越大。且侧边距箱涵3 m以外范围，土体位移小，可以忽略不计。说明箱涵顶进对侧边土体的影响范围约在3 m以内。图14为地道桥顶进10 m时某一纵断面上3个测点的土体位移情况。由图14可知，cx1孔位置土体位移最大，地表位移接近1 cm。cx4孔次之，地表位移约7 mm，cx7孔位置土体位移最小，位移在2 mm以内。可知，随着地道桥顶进施工的进行，土体位移将持续发展。

3.3 小结

通过现场测斜与数值模拟的结果分析可知，地道桥顶进施工，会对其周围土体的位移场造成一定影响，且存在一定规律。越靠近地道桥位置，土体位移越大。地道桥顶进对地道桥上部的土体影响很大，对底板以下土体影响较小。因此在施工过程中，对地道桥箱3 m范围内的土体，需密切关注其在施工过程中产生的位移。同时，地道桥上部的土体，需全程监控其位移情况。当位移较大时，需进行加固处理，确保地道桥上部结构的稳定。

4 结论

1) 顶推施工对地道桥周边土体的影响主要表现为位移扰动。现场实测的地道桥顶部路基整体变形相对较大，两侧路基的顶进影响范围为周边3 m内。

2) 由现场测斜的结果与数值模拟的结果对比可知，虽然数值模拟的结果与现场监测的结果，在数值上存在一定的差距，但是反映出的规律基本一致。使用数值软件对地道桥动态施工过程进行定性分析是可行的、成本低高效。

3) 通过对地道桥顶进过程的数值模拟，观察土体及接触面上应力变化过程。开挖顶进将引起路基土体应力重分布，同时，竖直应力场的变化大于水平应力场。掌子面后方一定范围(5 m)内路基土体竖向应力将增加，超过5 m则影响不大。同时，施工过程中作用在框架结构上的覆土压力则较初始土压力仅略有增加(10%左右)，在施工过程中可按照静止土压力对框架结构进行受力分析。框架和土体最大接触摩擦力发生在底部，摩擦力为40~160 kPa范围内，越靠近前段摩擦力越大，框架底部直角处由于应力集中摩擦力最大。顶进施工中结构应力集中多发生于地道桥底板边角处，因此，实际施工中应随时注意观察并及时处理。

4) 地道桥顶进施工对其周围土体造成一定的影响，从地道桥底板以下3 m位置直到地表的土体，在顶进施工的影响下，均将沿着顶进方向移动，且越靠近地表，位移越大。顶进施工对横断面土体的影响范围大约在3 m左右。为了确保顶进施工过程中，既有结构的稳定性，需实时监控土体变形，并对位移较大区域进行加固。

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Numerical simulation of tunnel bridge jacking construction affect surrounding soil

HUANG Yongjun

(Hunan Construction and Transportation Construction Co., Ltd., Changsha 410005, China)

In order to study the influence of the bridge shield construction process on the soil, the bridge shield construction was simulated by using FLAC3Dsoftware. The rationality of the calculation was verified by comparing the calculation results with the field monitoring results. At the same time, the influence of the shield construction on the surrounding soil is obtained. The results show that the stress field and displacement field of the soil will be affected by the bridge shield construction, and the effect of the stress field is small. It is reasonable to use Static earth pressure as the soil pressure to do force analysis of bridge shield. While the effect of the displacement field is big.especially the soil in the upper part of the shield.It is necessary to pay more attention to the soil in the upper part of the shield and need to be strengthened when necessary.

tunnel bridge; tunnel shield; numerical simulation; drformation and stress;deep displacement measurement

U451

A

1672 − 7029(2019)07−1757 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.021

2018−09−21

湖南省科技厅资助项目(2014SK4072)；湖南省交通厅课题(201432)

黄勇军(1975−)，男，湖南宁乡人，高级工程师，从事公路桥梁的施工及管理工作；E−mail：183016302@qq.com

(编辑 阳丽霞)