軟土地層中盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵沉降的影響分析摘要:針對(duì)上海地鐵七號(hào)線下穿地鐵二號(hào)線的實(shí)際,利用ADINA軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,來(lái)分析盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵沉降的影響.通過(guò)對(duì)施工中不同影響因素的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素引起的不同應(yīng)力釋放率會(huì)對(duì)既有地鐵沉降產(chǎn)生較大影響.關(guān) 鍵 詞:盾構(gòu)隧道;應(yīng)力釋放率;三維有限元0 前言 隨著上海基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展,盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵線路的現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越多,施工中對(duì)既有線路沉降的控制是一直以來(lái)的難題.目前,許多文獻(xiàn)(例如文獻(xiàn)[1]、[2])就這方面的問(wèn)題已經(jīng)研究很多,并取得不少成果.但是,由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素引起的不同應(yīng)力釋放率對(duì)既有地鐵沉降的影響分析還很少.鑒于此,本文針對(duì)上海地鐵七號(hào)線斜穿地鐵二號(hào)線的實(shí)際情況,利用ADINA軟件建立三維有限元模型,通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力釋放率和既有地鐵線路上有無(wú)動(dòng)荷載情況的分析,發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力釋放率對(duì)既有地鐵線路沉降的影響較大.1 隧道開(kāi)挖的模擬 根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知,地層沉降的基本原因是地層損失和隧道周圍地層受到擾動(dòng)或剪切破壞的再固結(jié).其中,地層損失和隧道開(kāi)挖應(yīng)力釋放率引起的沉降,主要是因盾構(gòu)機(jī)與土體之間的相互作用,導(dǎo)致了土體應(yīng)力狀態(tài)以及位移場(chǎng)的改變,由此引起的沉降,大都在施工期間會(huì)呈現(xiàn)出來(lái).因?yàn)楸疚闹饕P(guān)心既有地鐵在新隧道施工期間的沉降,所以對(duì)不同應(yīng)力釋放率的影響分析是必要的. 盡管開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)周邊土體應(yīng)力釋放的情況較為復(fù)雜,但簡(jiǎn)化的看,主要有如下三種情況.如果不及時(shí)地拼裝管片或注漿,則盾構(gòu)周邊土體的部分卸荷力由土體自身承受;或者如果開(kāi)挖之后立即施作管片,則管片將承受幾乎所有的卸荷力;或者如果盾構(gòu)周邊土體達(dá)到穩(wěn)定才注漿或施作管片,則土體承受幾乎所有的卸荷力,管片受力為零.而在實(shí)際的施工過(guò)程,盾構(gòu)周邊土體持續(xù)變形到某個(gè)程度時(shí),才施作管片的,所以兩者之間有時(shí)間上的不連續(xù),從而不同應(yīng)力釋放率引起的沉降差異也會(huì)有很大不同.鑒于此,在模擬土體開(kāi)挖的過(guò)程中,ADINA的單元死掉可以讓其剛度在一段時(shí)間內(nèi)變化,最終為零,這就可以用于模擬施工過(guò)程的時(shí)間效應(yīng).2 工程背景 按照設(shè)計(jì)的要求,上海軌道交通7號(hào)線在龍陽(yáng)路下穿地鐵2號(hào)線,兩線斜角約45°,斜交處兩線中心凈距離1.6m.軌道交通7號(hào)線的埋深是16.4m,地鐵2號(hào)線的埋深是8.6m.兩軌道交通線疊交處的地質(zhì)情況如下所示: 該地區(qū)地層為淤泥質(zhì)軟土層,根據(jù)物探資料,地層自上而下土層依次為: (a)雜填土(①),從地表而下厚度為2m,在0~0.9m深度內(nèi),土中混碎石、煤渣等雜質(zhì),含植物根莖;0.9~1.2深度范圍內(nèi)含氧化鐵銹斑,局部為粉質(zhì)黏土;1.2~2.0范圍內(nèi)含氧化暈斑跡,土層自上而下漸變軟. (b)褐黃色粉質(zhì)粘土(②1),該層土質(zhì)不均,夾粉性土薄層,含云母. (c)灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(③1):飽和,流塑,夾薄層粉土,含云母.貝殼碎屑,切面光滑,高干強(qiáng)度、高韌性,高壓縮性. (d)灰色淤泥質(zhì)粘土(④1):飽和,流塑,夾薄層粉土,含云母.貝殼碎屑,切面光滑,高干強(qiáng)度、高韌性,高壓縮性. (e)灰色粘土(⑤1),含腐植物和鈣泥質(zhì)結(jié)核,局部為粘質(zhì)粉土. (f)暗綠色粉質(zhì)粘土(⑥),含氧化鐵銹斑,夾鈣質(zhì)結(jié)核. 在有限元數(shù)值分析中,做適當(dāng)假設(shè)和簡(jiǎn)化,模擬區(qū)域的地質(zhì)剖面圖(自上而下依次為a~f土層):
根據(jù)該地區(qū)的勘查資料,每層材料參數(shù)依據(jù)對(duì)其組分按厚度進(jìn)行加權(quán)平均的處理方法而獲得.模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2-1.3 三維有限元模型 有限元模型尺寸長(zhǎng)96m、寬60m、高40m,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的有限元網(wǎng)格如圖3-1、3-2所示,共有10744個(gè)單元.下部?jī)伤淼罏殚_(kāi)挖的下穿隧道(地鐵七號(hào)線),上部與之斜交的兩隧道為既有地鐵2號(hào)線. 由于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖是分步進(jìn)行,所以本計(jì)算中模擬的開(kāi)挖步是:隧道開(kāi)挖時(shí)前五步開(kāi)挖左線后五步開(kāi)挖右線.第一步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面距離地鐵二號(hào)線下方2m;第二步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面到達(dá)地鐵二號(hào)線的側(cè)下方;第三步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面通過(guò)地鐵二號(hào)線的正下方;第四步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面完全通過(guò)地鐵二號(hào)線的下方;第五步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道完成地鐵二號(hào)線地段的開(kāi)挖;第六步至第十步是重復(fù)上述五步對(duì)地鐵七號(hào)線右側(cè)隧道進(jìn)行開(kāi)挖.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析4.1 不同應(yīng)力釋放率的比較 由于施工中管片的施作往往不夠及時(shí),或者是由于注漿未能同步進(jìn)行,所以在開(kāi)挖隧道時(shí)一部分被釋放的應(yīng)力是作用在周圍土體上的,這樣管片周圍土體就會(huì)在管片拼裝完成前發(fā)生較大變形,從而影響既有地下鐵道的安全.鑒于這種情況,首先分析不同應(yīng)力釋放率對(duì)既有地下線路位移的影響.在此, 比較兩種情況,即:當(dāng)有30%和50%的應(yīng)力釋放到管片周圍土體時(shí),分析既有地下線路位移的不同變化.這主要是因?yàn)?0%的應(yīng)力釋放率是盾構(gòu)施工的基本要求[4],這時(shí)管片的施作和注漿基本能及時(shí)緊跟.而50%的應(yīng)力釋放率是盾構(gòu)施工的不利情況,這時(shí)管片施作和注漿不及時(shí),地層損失較正常施工大,所以需要比較分析在這兩種應(yīng)力釋放率情況下既有地鐵線路的位移變化規(guī)律. 通過(guò)計(jì)算得到,當(dāng)有30%被釋放的應(yīng)力作用在管片周圍土體時(shí),既有地鐵最大沉降值為27.40mm,而如果50%被釋放的應(yīng)力作用在管片周圍土體時(shí),既有地鐵的最大沉降值增至35.07mm.為了方便說(shuō)明問(wèn)題,在道床位置沿著既有地下線路的縱向距離疊交中心位置處各27.8m范圍內(nèi),取出一組點(diǎn),來(lái)分析該組點(diǎn)的豎向位移變化情況. 圖4-1(a)~(b),比較了不同應(yīng)力釋放率情況下,地鐵2號(hào)線在地鐵7號(hào)線第三和第八模擬開(kāi)挖步時(shí)的沉降曲線. 從圖中可以看出,在不同應(yīng)力釋放率情況下,盡管每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移的變形趨勢(shì)都是相同的,(即開(kāi)挖隧道中線與既有線中線疊交位置處容易發(fā)生較大沉降),但是,如果施工中管片周圍土體吸收的釋放應(yīng)力越大,則既有地鐵2號(hào)線的豎向位移就會(huì)越大,而且疊交位置兩側(cè)的位移差也會(huì)增加.也就是說(shuō),由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素造成的過(guò)大應(yīng)力釋放率,易于使既有線路產(chǎn)生不均勻沉降,甚至是失穩(wěn)破壞. 此外,隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行,在既有地鐵2號(hào)線道床位置中心點(diǎn)處,其豎向位移的變化也能反映應(yīng)力釋放率對(duì)既有軌道2號(hào)線的影響.如果在整個(gè)施工中應(yīng)力釋放率不變的話,隨著開(kāi)挖步的進(jìn)行,應(yīng)力釋放率的作用會(huì)越來(lái)越明顯,即同一位置各施工步的豎向位移差會(huì)隨施工步的進(jìn)行逐漸增加(如圖4-2所示).4.2 有無(wú)動(dòng)荷載的比較 與其他地下管線不同,既有軌道線路在其他隧道開(kāi)挖時(shí),會(huì)時(shí)不時(shí)地有地鐵通過(guò).所以,有必要來(lái)分析,在其他隧道開(kāi)挖時(shí)動(dòng)荷載對(duì)既有軌道線路是否有影響,且有多大影響.鑒于此,依然采用上面的三維有限元模型來(lái)分析動(dòng)荷載的影響. 根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,上海地區(qū)輕軌車輛軸重為110kN,同時(shí)考慮到2號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)的振動(dòng)影響還必須考慮動(dòng)力系數(shù),《規(guī)范》中規(guī)定對(duì)于地鐵和輕軌的動(dòng)力系數(shù)按鐵路橋規(guī)公式計(jì)算后乘以0.8的系數(shù).另外,在有無(wú)動(dòng)荷載兩種情況中均考慮不利情況,取50%的應(yīng)力釋放率. 計(jì)算結(jié)果表明:與無(wú)動(dòng)荷載的情況相比,考慮動(dòng)荷載后,地鐵2號(hào)線最大沉降值為36.08mm,僅僅增加了1.01mm. 為了更為直觀反映,在新隧道施工期間,列車動(dòng)荷載作用的影響,將有無(wú)列車動(dòng)荷載兩種情況下既有線的沉降曲線做一個(gè)對(duì)比,如圖4-3(a)~(b)所示: 從圖4-3可以看出,由于動(dòng)荷載的作用,每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移略有增加,但是其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計(jì).5 結(jié)論 (1)在盾構(gòu)下穿既有地鐵線路時(shí),由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素所造成的過(guò)大應(yīng)力釋放率,對(duì)既有地鐵的沉降有較大影響.通過(guò)有限元計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)管片周圍土體吸收30%被釋放的應(yīng)力時(shí),地鐵二號(hào)線的最大沉降值為27.40mm,而當(dāng)┸片周圍土體吸收50%被釋放的應(yīng)力時(shí),地鐵二號(hào)線最大沉降值增為35.位置的位移差也會(huì)增加,尤其是兩地鐵線路疊交的位置,其內(nèi)外兩側(cè)的沉降差可以達(dá)到21.55mm. (2)如果在整個(gè)施工中應(yīng)力釋放率不變的話,則既有線路上同一位置各施工步的豎向位移差會(huì)隨著施工步逐漸增加,也就是說(shuō),由于不及時(shí)施加管片等因素所造成的沉降有隨著時(shí)間的推移逐步遞增發(fā)展的趨勢(shì).在不利情況下(即應(yīng)力釋放率為50%時(shí)),對(duì)地鐵二號(hào)線而言,道床中間位置各施工步的豎向位移差能從不到2.38mm最終增至8.08mm之多.因此當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)面下穿既有地鐵時(shí),應(yīng)做好施工控制. (3)通過(guò)對(duì)比分析既有地鐵線路上有無(wú)動(dòng)荷載的兩種情況,可以知道,由于動(dòng)荷載的作用,每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移略有增加,也就在1.02mm范圍內(nèi)變化,所以其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計(jì).參考文獻(xiàn):[1]李吉吉,張子新.相鄰隧道施工對(duì)上海地鐵二號(hào)線的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(增1):5125-5129.[2]王如路,劉建航,等.上海軌道交通4號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越地鐵運(yùn)營(yíng)線路的監(jiān)護(hù)工程[J].地下工程與隧道,2004,(3):50-53.[3]張志強(qiáng),何川,等.南京地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工的三維有限元仿真分析[J].鐵道隧道,2005,27(1):84-89.[4]曹偉飚,姚燕明.上海市軌道交通8號(hào)線(曲阜路-人民廣場(chǎng))區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越2號(hào)線影響分析[J].地下工程與隧道,2005,(3):7-12.
根據(jù)該地區(qū)的勘查資料,每層材料參數(shù)依據(jù)對(duì)其組分按厚度進(jìn)行加權(quán)平均的處理方法而獲得.模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2-1.3 三維有限元模型 有限元模型尺寸長(zhǎng)96m、寬60m、高40m,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的有限元網(wǎng)格如圖3-1、3-2所示,共有10744個(gè)單元.下部?jī)伤淼罏殚_(kāi)挖的下穿隧道(地鐵七號(hào)線),上部與之斜交的兩隧道為既有地鐵2號(hào)線. 由于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖是分步進(jìn)行,所以本計(jì)算中模擬的開(kāi)挖步是:隧道開(kāi)挖時(shí)前五步開(kāi)挖左線后五步開(kāi)挖右線.第一步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面距離地鐵二號(hào)線下方2m;第二步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面到達(dá)地鐵二號(hào)線的側(cè)下方;第三步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面通過(guò)地鐵二號(hào)線的正下方;第四步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道的掘進(jìn)面完全通過(guò)地鐵二號(hào)線的下方;第五步時(shí),七號(hào)線左側(cè)隧道完成地鐵二號(hào)線地段的開(kāi)挖;第六步至第十步是重復(fù)上述五步對(duì)地鐵七號(hào)線右側(cè)隧道進(jìn)行開(kāi)挖.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析4.1 不同應(yīng)力釋放率的比較 由于施工中管片的施作往往不夠及時(shí),或者是由于注漿未能同步進(jìn)行,所以在開(kāi)挖隧道時(shí)一部分被釋放的應(yīng)力是作用在周圍土體上的,這樣管片周圍土體就會(huì)在管片拼裝完成前發(fā)生較大變形,從而影響既有地下鐵道的安全.鑒于這種情況,首先分析不同應(yīng)力釋放率對(duì)既有地下線路位移的影響.在此, 比較兩種情況,即:當(dāng)有30%和50%的應(yīng)力釋放到管片周圍土體時(shí),分析既有地下線路位移的不同變化.這主要是因?yàn)?0%的應(yīng)力釋放率是盾構(gòu)施工的基本要求[4],這時(shí)管片的施作和注漿基本能及時(shí)緊跟.而50%的應(yīng)力釋放率是盾構(gòu)施工的不利情況,這時(shí)管片施作和注漿不及時(shí),地層損失較正常施工大,所以需要比較分析在這兩種應(yīng)力釋放率情況下既有地鐵線路的位移變化規(guī)律. 通過(guò)計(jì)算得到,當(dāng)有30%被釋放的應(yīng)力作用在管片周圍土體時(shí),既有地鐵最大沉降值為27.40mm,而如果50%被釋放的應(yīng)力作用在管片周圍土體時(shí),既有地鐵的最大沉降值增至35.07mm.為了方便說(shuō)明問(wèn)題,在道床位置沿著既有地下線路的縱向距離疊交中心位置處各27.8m范圍內(nèi),取出一組點(diǎn),來(lái)分析該組點(diǎn)的豎向位移變化情況. 圖4-1(a)~(b),比較了不同應(yīng)力釋放率情況下,地鐵2號(hào)線在地鐵7號(hào)線第三和第八模擬開(kāi)挖步時(shí)的沉降曲線. 從圖中可以看出,在不同應(yīng)力釋放率情況下,盡管每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移的變形趨勢(shì)都是相同的,(即開(kāi)挖隧道中線與既有線中線疊交位置處容易發(fā)生較大沉降),但是,如果施工中管片周圍土體吸收的釋放應(yīng)力越大,則既有地鐵2號(hào)線的豎向位移就會(huì)越大,而且疊交位置兩側(cè)的位移差也會(huì)增加.也就是說(shuō),由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素造成的過(guò)大應(yīng)力釋放率,易于使既有線路產(chǎn)生不均勻沉降,甚至是失穩(wěn)破壞. 此外,隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行,在既有地鐵2號(hào)線道床位置中心點(diǎn)處,其豎向位移的變化也能反映應(yīng)力釋放率對(duì)既有軌道2號(hào)線的影響.如果在整個(gè)施工中應(yīng)力釋放率不變的話,隨著開(kāi)挖步的進(jìn)行,應(yīng)力釋放率的作用會(huì)越來(lái)越明顯,即同一位置各施工步的豎向位移差會(huì)隨施工步的進(jìn)行逐漸增加(如圖4-2所示).4.2 有無(wú)動(dòng)荷載的比較 與其他地下管線不同,既有軌道線路在其他隧道開(kāi)挖時(shí),會(huì)時(shí)不時(shí)地有地鐵通過(guò).所以,有必要來(lái)分析,在其他隧道開(kāi)挖時(shí)動(dòng)荷載對(duì)既有軌道線路是否有影響,且有多大影響.鑒于此,依然采用上面的三維有限元模型來(lái)分析動(dòng)荷載的影響. 根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,上海地區(qū)輕軌車輛軸重為110kN,同時(shí)考慮到2號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)的振動(dòng)影響還必須考慮動(dòng)力系數(shù),《規(guī)范》中規(guī)定對(duì)于地鐵和輕軌的動(dòng)力系數(shù)按鐵路橋規(guī)公式計(jì)算后乘以0.8的系數(shù).另外,在有無(wú)動(dòng)荷載兩種情況中均考慮不利情況,取50%的應(yīng)力釋放率. 計(jì)算結(jié)果表明:與無(wú)動(dòng)荷載的情況相比,考慮動(dòng)荷載后,地鐵2號(hào)線最大沉降值為36.08mm,僅僅增加了1.01mm. 為了更為直觀反映,在新隧道施工期間,列車動(dòng)荷載作用的影響,將有無(wú)列車動(dòng)荷載兩種情況下既有線的沉降曲線做一個(gè)對(duì)比,如圖4-3(a)~(b)所示: 從圖4-3可以看出,由于動(dòng)荷載的作用,每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移略有增加,但是其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計(jì).5 結(jié)論 (1)在盾構(gòu)下穿既有地鐵線路時(shí),由于土體超挖、不及時(shí)施作管片和注漿未緊跟等因素所造成的過(guò)大應(yīng)力釋放率,對(duì)既有地鐵的沉降有較大影響.通過(guò)有限元計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)管片周圍土體吸收30%被釋放的應(yīng)力時(shí),地鐵二號(hào)線的最大沉降值為27.40mm,而當(dāng)┸片周圍土體吸收50%被釋放的應(yīng)力時(shí),地鐵二號(hào)線最大沉降值增為35.位置的位移差也會(huì)增加,尤其是兩地鐵線路疊交的位置,其內(nèi)外兩側(cè)的沉降差可以達(dá)到21.55mm. (2)如果在整個(gè)施工中應(yīng)力釋放率不變的話,則既有線路上同一位置各施工步的豎向位移差會(huì)隨著施工步逐漸增加,也就是說(shuō),由于不及時(shí)施加管片等因素所造成的沉降有隨著時(shí)間的推移逐步遞增發(fā)展的趨勢(shì).在不利情況下(即應(yīng)力釋放率為50%時(shí)),對(duì)地鐵二號(hào)線而言,道床中間位置各施工步的豎向位移差能從不到2.38mm最終增至8.08mm之多.因此當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)面下穿既有地鐵時(shí),應(yīng)做好施工控制. (3)通過(guò)對(duì)比分析既有地鐵線路上有無(wú)動(dòng)荷載的兩種情況,可以知道,由于動(dòng)荷載的作用,每一步開(kāi)挖中既有地鐵2號(hào)線豎向位移略有增加,也就在1.02mm范圍內(nèi)變化,所以其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計(jì).參考文獻(xiàn):[1]李吉吉,張子新.相鄰隧道施工對(duì)上海地鐵二號(hào)線的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(增1):5125-5129.[2]王如路,劉建航,等.上海軌道交通4號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越地鐵運(yùn)營(yíng)線路的監(jiān)護(hù)工程[J].地下工程與隧道,2004,(3):50-53.[3]張志強(qiáng),何川,等.南京地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工的三維有限元仿真分析[J].鐵道隧道,2005,27(1):84-89.[4]曹偉飚,姚燕明.上海市軌道交通8號(hào)線(曲阜路-人民廣場(chǎng))區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越2號(hào)線影響分析[J].地下工程與隧道,2005,(3):7-12.
