盾构施工对道路结构的影响研究

马建领

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司,吉林 长春 130000）

引言

随着我国经济的快速发展,地面交通运输系统愈发拥挤,地下轨道交通作为缓解地面交通压力的一种方式,在近些年来得到了长足的发展。

地铁隧道的开挖方法主要有明挖法、浅埋暗挖法、地下连续墙法、矿山法、盾构法等[1]。盾构法作为新兴的一种机械化施工方法,在施工过程中由顶部刀盘切削土体开挖,通过出土轨道运送至出土车中,再由出土车将土拉至洞外,同时依靠千斤顶在后部加压顶进,并在盾壳内拼装预制管片,在前进过程中盾尾同步注浆,最终形成隧道结构[2]。盾构法具有施工速度快、洞体质量比较稳定、不影响地面交通与设施、施工过程不受气候条件影响等特点[3]。

新建地铁隧道的开挖路线往往与已有道路路线平行,这就导致了新建地铁在施工过程中会对道路结构产生一定的影响,造成道路结构发生病害或破坏,常见的道路结构病害类型有地表塌陷、不均匀沉降、裂缝等[4-6]。因此,为了保证盾构施工的正常进行以及道路结构的安全稳定,需要分析盾构施工对上方道路结构产生的影响。

目前,国内外学者对盾构施工引起的上方既有结构变形已经进行了一定的研究。崔玉龙等[7]通过数值模拟结合现场监测的方法,分析了盾构对既有隧道的影响,并给出了建议的盾构施工参数。杨万精[8]等采用FLAC3D 模拟的方法研究了盾构下穿过程中地表沉降和地表水平位移的变化,并对比了不同工况下的变形情况,最后给出了盾构施工的合理参数。李磊[9]等采用数值模拟与实际监测相结合的方法,考虑既有隧道周围土压力的分布规律,研究了盾构下穿时土仓压力、注浆压力等参数对上方既有隧道变形的影响。Xie[10]等采用三维有限差分法对盾构过程进行了模拟,探究了盾构施工最小程度影响上方结构的施工参数,并结合实测数据验证了其模型的适用性。

现有的盾构施工对既有结构的影响分析多采用数值模拟与现场实测相结合的方法,关于盾构施工对道路结构的影响研究较少,本研究以长春某地铁盾构开挖平行道路结构段为背景,通过建立三维有限元模型分析了盾构施工对道路结构的影响规律,并给出了合理的施工建议。

1 工程概况

本研究以长春地铁六号线欧亚卖场～ 飞跃路区间盾构施工段为基础,区间全线采用盾构法施工,隧道外径为φ6 200 mm,管片厚度为350 mm,采用加泥式土压平衡盾构机。整体地形起伏平坦,总体地势西低东高,地貌类型为冲积洪积波状台地。盾构开挖面至道路结构的竖向间距为7 m,盾构左线与右线间隔17 m,对称分布在道路结构两侧,道路结构至盾构开挖面间的地层分布情况见图1,自上而下为：粉质粘土层,可塑偏软,层厚2.6 m；全风化泥岩,全风化,暴露时间长时易崩解,遇水易软化,层厚5.8 m；强风化泥岩层,强风化,暴露时间长时易崩解,遇水易软化,层厚12.8 m；中风化泥岩层,中风化,暴露时间长时易崩解,遇水易软化。道路结构为4 cmAC-13 + 5 cmAC-20 + 6 cm AC-25 + 20 cm 水泥稳定碎石基层+ 20 cm 水泥石灰砂砾土层。

图1 土层分布图

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

2.1.1 模型尺寸

为了探究盾构施工对道路结构的影响,采用ABAQUS 建立了三维数值有限元分析模型,对盾构平行于道路下方开挖施工的工况进行了模拟计算。考虑到盾构施工的影响范围及计算机的计算能力,计算模型的尺寸设定为 200m× 5 0m× 50m（长×宽×高）。

2.1.2 材料属性

道路结构中的沥青面层及基层采取线弹性模型模拟,各层的材料参数见表1。

表1 道路材料参数

盾构开挖面上的各土层采用摩尔- 库伦(Mohr-Coulomb)本构模型,各土层的材料参数见表2。

表2 土层材料参数

2.1.3 计算过程

将模型的四个侧面的边界条件设置为XY 方向约束,Z 方向自由,将顶面设置为自由边界,底面设置为XYZ 方向约束。

按实际施工情况将模型的模拟计算过程分为四个阶段：

第一阶段：初始地应力平衡,将地层中受重力影响而产生的初始应力以预应力的方式进行施加,保证地层中的既有应力状态正确；

第二阶段：施工扰动模拟,盾构机的掘进会影响一定范围内土体强度的变化,将开挖部分土体的强度模量加以适当的衰减,以模拟盾构机对土体的扰动作用；

第三阶段：土体开挖,将开挖部分的土体失效,模拟土被盾构机挖出的实际情况；

第四阶段：管片拼装,将管片单元激活,并设置与土体的接触关系,以模拟管片对土体形成的支护效果。

2.2 计算过程

2.2.1 盾构对道路结构横向变形影响分析

在道路结构横断面上,将道路左边缘设为坐标原点,横向为x 轴,盾构对道路结构横向变形的影响见图2。

图2 横向变形图

通过图中数据可以看出,在x 值为0 和10 时,沉降量达到最大值,x 为0 和10 分别对应了道路的左边缘和右边缘,这意味着在道路横断面上,左右两端的变形大于中间的变形。这是因为道路宽度与盾构左线与右线间的间距接近,道路结构的左边缘和右边缘位于盾构轴线上方,盾构的轴线上方沉降较大,中间小于轴线,因此道路结构的沉降呈现两边大,中间小的特点。

2.2.2 盾构对道路结构纵向变形影响分析

在道路结构纵断面上,将道路起点设为y 轴坐标原点,纵向为y 轴,盾构对道路结构纵向变形的影响见图3。

图3 纵向变形图

通过图像可以看出,在道路起点附近,沉降呈现逐渐增大的趋势,增大大约50 m 之后进入到平稳阶段,在50 m～150 m 的中间段整体沉降较为平稳,在150 m～200 m 进入到终点附近,沉降呈现逐渐减小的趋势。这是由于纵断面上各点的沉降接近,起点和终点处对道路的支撑作用较为明显,使得道路结构在纵向上呈现凹形。

2.2.3 盾构对道路结构应力状态影响分析

道路结构在自然状态下的应力分布见图4。

图4 自然应力分布图

道路结构在盾构施工影响下的应力分布见图5。

图5 工后应力分布图

通过图像可以看出盾构施工的影响使得整个道路结构中的应力增大,产生的附加应力使道路结构趋向于不利的方向,因此在施工过程中需实时监测道路变形,及时调整盾构参数,以保证施工过程的安全稳定。

3 结论

本研究通过数值模拟分析了盾构施工对道路结构的影响,发现在道路横断面上沉降呈现两端大、中间小的特点,在纵断面上呈现两端小、中间大的特点,并且盾构施工会造成既有道路结构附加应力的增大,因此在施工时需经常监测道路结构的变形,以保证整个施工过程的安全稳定。