軟土地層中盾構施工對既有地鐵沉降的影響分析摘要:針對上海地鐵七號線下穿地鐵二號線的實際,利用ADINA軟件對施工過程進行模擬,來分析盾構施工對既有地鐵沉降的影響.通過對施工中不同影響因素的對比分析,發現由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素引起的不同應力釋放率會對既有地鐵沉降產生較大影響.關 鍵 詞:盾構隧道;應力釋放率;三維有限元0 前言 隨著上海基礎設施的飛速發展,盾構隧道穿越既有地鐵線路的現象會越來越多,施工中對既有線路沉降的控制是一直以來的難題.目前,許多文獻(例如文獻[1]、[2])就這方面的問題已經研究很多,并取得不少成果.但是,由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素引起的不同應力釋放率對既有地鐵沉降的影響分析還很少.鑒于此,本文針對上海地鐵七號線斜穿地鐵二號線的實際情況,利用ADINA軟件建立三維有限元模型,通過對不同應力釋放率和既有地鐵線路上有無動荷載情況的分析,發現不同應力釋放率對既有地鐵線路沉降的影響較大.1 隧道開挖的模擬 根據文獻[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或剪切破壞的再固結.其中,地層損失和隧道開挖應力釋放率引起的沉降,主要是因盾構機與土體之間的相互作用,導致了土體應力狀態以及位移場的改變,由此引起的沉降,大都在施工期間會呈現出來.因為本文主要關心既有地鐵在新隧道施工期間的沉降,所以對不同應力釋放率的影響分析是必要的. 盡管開挖過程中盾構周邊土體應力釋放的情況較為復雜,但簡化的看,主要有如下三種情況.如果不及時地拼裝管片或注漿,則盾構周邊土體的部分卸荷力由土體自身承受;或者如果開挖之后立即施作管片,則管片將承受幾乎所有的卸荷力;或者如果盾構周邊土體達到穩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.而在實際的施工過程,盾構周邊土體持續變形到某個程度時,才施作管片的,所以兩者之間有時間上的不連續,從而不同應力釋放率引起的沉降差異也會有很大不同.鑒于此,在模擬土體開挖的過程中,ADINA的單元死掉可以讓其剛度在一段時間內變化,最終為零,這就可以用于模擬施工過程的時間效應.2 工程背景 按照設計的要求,上海軌道交通7號線在龍陽路下穿地鐵2號線,兩線斜角約45°,斜交處兩線中心凈距離1.6m.軌道交通7號線的埋深是16.4m,地鐵2號線的埋深是8.6m.兩軌道交通線疊交處的地質情況如下所示: 該地區地層為淤泥質軟土層,根據物探資料,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,土中混碎石、煤渣等雜質,含植物根莖;0.9~1.2深度范圍內含氧化鐵銹斑,局部為粉質黏土;1.2~2.0范圍內含氧化暈斑跡,土層自上而下漸變軟. (b)褐黃色粉質粘土(②1),該層土質不均,夾粉性土薄層,含云母. (c)灰色淤泥質粉質粘土(③1):飽和,流塑,夾薄層粉土,含云母.貝殼碎屑,切面光滑,高干強度、高韌性,高壓縮性. (d)灰色淤泥質粘土(④1):飽和,流塑,夾薄層粉土,含云母.貝殼碎屑,切面光滑,高干強度、高韌性,高壓縮性. (e)灰色粘土(⑤1),含腐植物和鈣泥質結核,局部為粘質粉土. (f)暗綠色粉質粘土(⑥),含氧化鐵銹斑,夾鈣質結核. 在有限元數值分析中,做適當假設和簡化,模擬區域的地質剖面圖(自上而下依次為a~f土層):
根據該地區的勘查資料,每層材料參數依據對其組分按厚度進行加權平均的處理方法而獲得.模型材料的物理力學參數見表2-1.3 三維有限元模型 有限元模型尺寸長96m、寬60m、高40m,經過優化后的有限元網格如圖3-1、3-2所示,共有10744個單元.下部兩隧道為開挖的下穿隧道(地鐵七號線),上部與之斜交的兩隧道為既有地鐵2號線. 由于盾構隧道開挖是分步進行,所以本計算中模擬的開挖步是:隧道開挖時前五步開挖左線后五步開挖右線.第一步時,七號線左側隧道的掘進面距離地鐵二號線下方2m;第二步時,七號線左側隧道的掘進面到達地鐵二號線的側下方;第三步時,七號線左側隧道的掘進面通過地鐵二號線的正下方;第四步時,七號線左側隧道的掘進面完全通過地鐵二號線的下方;第五步時,七號線左側隧道完成地鐵二號線地段的開挖;第六步至第十步是重復上述五步對地鐵七號線右側隧道進行開挖.4 數值模擬結果分析4.1 不同應力釋放率的比較 由于施工中管片的施作往往不夠及時,或者是由于注漿未能同步進行,所以在開挖隧道時一部分被釋放的應力是作用在周圍土體上的,這樣管片周圍土體就會在管片拼裝完成前發生較大變形,從而影響既有地下鐵道的安全.鑒于這種情況,首先分析不同應力釋放率對既有地下線路位移的影響.在此, 比較兩種情況,即:當有30%和50%的應力釋放到管片周圍土體時,分析既有地下線路位移的不同變化.這主要是因為30%的應力釋放率是盾構施工的基本要求[4],這時管片的施作和注漿基本能及時緊跟.而50%的應力釋放率是盾構施工的不利情況,這時管片施作和注漿不及時,地層損失較正常施工大,所以需要比較分析在這兩種應力釋放率情況下既有地鐵線路的位移變化規律. 通過計算得到,當有30%被釋放的應力作用在管片周圍土體時,既有地鐵最大沉降值為27.40mm,而如果50%被釋放的應力作用在管片周圍土體時,既有地鐵的最大沉降值增至35.07mm.為了方便說明問題,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,取出一組點,來分析該組點的豎向位移變化情況. 圖4-1(a)~(b),比較了不同應力釋放率情況下,地鐵2號線在地鐵7號線第三和第八模擬開挖步時的沉降曲線. 從圖中可以看出,在不同應力釋放率情況下,盡管每一步開挖中既有地鐵2號線豎向位移的變形趨勢都是相同的,(即開挖隧道中線與既有線中線疊交位置處容易發生較大沉降),但是,如果施工中管片周圍土體吸收的釋放應力越大,則既有地鐵2號線的豎向位移就會越大,而且疊交位置兩側的位移差也會增加.也就是說,由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素造成的過大應力釋放率,易于使既有線路產生不均勻沉降,甚至是失穩破壞. 此外,隨著隧道開挖的進行,在既有地鐵2號線道床位置中心點處,其豎向位移的變化也能反映應力釋放率對既有軌道2號線的影響.如果在整個施工中應力釋放率不變的話,隨著開挖步的進行,應力釋放率的作用會越來越明顯,即同一位置各施工步的豎向位移差會隨施工步的進行逐漸增加(如圖4-2所示).4.2 有無動荷載的比較 與其他地下管線不同,既有軌道線路在其他隧道開挖時,會時不時地有地鐵通過.所以,有必要來分析,在其他隧道開挖時動荷載對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分析動荷載的影響. 根據《地鐵設計規范》,上海地區輕軌車輛軸重為110kN,同時考慮到2號線運營時的振動影響還必須考慮動力系數,《規范》中規定對于地鐵和輕軌的動力系數按鐵路橋規公式計算后乘以0.8的系數.另外,在有無動荷載兩種情況中均考慮不利情況,取50%的應力釋放率. 計算結果表明:與無動荷載的情況相比,考慮動荷載后,地鐵2號線最大沉降值為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,列車動荷載作用的影響,將有無列車動荷載兩種情況下既有線的沉降曲線做一個對比,如圖4-3(a)~(b)所示: 從圖4-3可以看出,由于動荷載的作用,每一步開挖中既有地鐵2號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.5 結論 (1)在盾構下穿既有地鐵線路時,由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素所造成的過大應力釋放率,對既有地鐵的沉降有較大影響.通過有限元計算,發現當管片周圍土體吸收30%被釋放的應力時,地鐵二號線的最大沉降值為27.40mm,而當┸片周圍土體吸收50%被釋放的應力時,地鐵二號線最大沉降值增為35.位置的位移差也會增加,尤其是兩地鐵線路疊交的位置,其內外兩側的沉降差可以達到21.55mm. (2)如果在整個施工中應力釋放率不變的話,則既有線路上同一位置各施工步的豎向位移差會隨著施工步逐漸增加,也就是說,由于不及時施加管片等因素所造成的沉降有隨著時間的推移逐步遞增發展的趨勢.在不利情況下(即應力釋放率為50%時),對地鐵二號線而言,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.因此當盾構掘進面下穿既有地鐵時,應做好施工控制. (3)通過對比分析既有地鐵線路上有無動荷載的兩種情況,可以知道,由于動荷載的作用,每一步開挖中既有地鐵2號線豎向位移略有增加,也就在1.02mm范圍內變化,所以其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計.參考文獻:[1]李吉吉,張子新.相鄰隧道施工對上海地鐵二號線的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(增1):5125-5129.[2]王如路,劉建航,等.上海軌道交通4號線盾構隧道穿越地鐵運營線路的監護工程[J].地下工程與隧道,2004,(3):50-53.[3]張志強,何川,等.南京地鐵盾構掘進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號線(曲阜路-人民廣場)區間隧道盾構穿越2號線影響分析[J].地下工程與隧道,2005,(3):7-12.
根據該地區的勘查資料,每層材料參數依據對其組分按厚度進行加權平均的處理方法而獲得.模型材料的物理力學參數見表2-1.3 三維有限元模型 有限元模型尺寸長96m、寬60m、高40m,經過優化后的有限元網格如圖3-1、3-2所示,共有10744個單元.下部兩隧道為開挖的下穿隧道(地鐵七號線),上部與之斜交的兩隧道為既有地鐵2號線. 由于盾構隧道開挖是分步進行,所以本計算中模擬的開挖步是:隧道開挖時前五步開挖左線后五步開挖右線.第一步時,七號線左側隧道的掘進面距離地鐵二號線下方2m;第二步時,七號線左側隧道的掘進面到達地鐵二號線的側下方;第三步時,七號線左側隧道的掘進面通過地鐵二號線的正下方;第四步時,七號線左側隧道的掘進面完全通過地鐵二號線的下方;第五步時,七號線左側隧道完成地鐵二號線地段的開挖;第六步至第十步是重復上述五步對地鐵七號線右側隧道進行開挖.4 數值模擬結果分析4.1 不同應力釋放率的比較 由于施工中管片的施作往往不夠及時,或者是由于注漿未能同步進行,所以在開挖隧道時一部分被釋放的應力是作用在周圍土體上的,這樣管片周圍土體就會在管片拼裝完成前發生較大變形,從而影響既有地下鐵道的安全.鑒于這種情況,首先分析不同應力釋放率對既有地下線路位移的影響.在此, 比較兩種情況,即:當有30%和50%的應力釋放到管片周圍土體時,分析既有地下線路位移的不同變化.這主要是因為30%的應力釋放率是盾構施工的基本要求[4],這時管片的施作和注漿基本能及時緊跟.而50%的應力釋放率是盾構施工的不利情況,這時管片施作和注漿不及時,地層損失較正常施工大,所以需要比較分析在這兩種應力釋放率情況下既有地鐵線路的位移變化規律. 通過計算得到,當有30%被釋放的應力作用在管片周圍土體時,既有地鐵最大沉降值為27.40mm,而如果50%被釋放的應力作用在管片周圍土體時,既有地鐵的最大沉降值增至35.07mm.為了方便說明問題,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,取出一組點,來分析該組點的豎向位移變化情況. 圖4-1(a)~(b),比較了不同應力釋放率情況下,地鐵2號線在地鐵7號線第三和第八模擬開挖步時的沉降曲線. 從圖中可以看出,在不同應力釋放率情況下,盡管每一步開挖中既有地鐵2號線豎向位移的變形趨勢都是相同的,(即開挖隧道中線與既有線中線疊交位置處容易發生較大沉降),但是,如果施工中管片周圍土體吸收的釋放應力越大,則既有地鐵2號線的豎向位移就會越大,而且疊交位置兩側的位移差也會增加.也就是說,由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素造成的過大應力釋放率,易于使既有線路產生不均勻沉降,甚至是失穩破壞. 此外,隨著隧道開挖的進行,在既有地鐵2號線道床位置中心點處,其豎向位移的變化也能反映應力釋放率對既有軌道2號線的影響.如果在整個施工中應力釋放率不變的話,隨著開挖步的進行,應力釋放率的作用會越來越明顯,即同一位置各施工步的豎向位移差會隨施工步的進行逐漸增加(如圖4-2所示).4.2 有無動荷載的比較 與其他地下管線不同,既有軌道線路在其他隧道開挖時,會時不時地有地鐵通過.所以,有必要來分析,在其他隧道開挖時動荷載對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分析動荷載的影響. 根據《地鐵設計規范》,上海地區輕軌車輛軸重為110kN,同時考慮到2號線運營時的振動影響還必須考慮動力系數,《規范》中規定對于地鐵和輕軌的動力系數按鐵路橋規公式計算后乘以0.8的系數.另外,在有無動荷載兩種情況中均考慮不利情況,取50%的應力釋放率. 計算結果表明:與無動荷載的情況相比,考慮動荷載后,地鐵2號線最大沉降值為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,列車動荷載作用的影響,將有無列車動荷載兩種情況下既有線的沉降曲線做一個對比,如圖4-3(a)~(b)所示: 從圖4-3可以看出,由于動荷載的作用,每一步開挖中既有地鐵2號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.5 結論 (1)在盾構下穿既有地鐵線路時,由于土體超挖、不及時施作管片和注漿未緊跟等因素所造成的過大應力釋放率,對既有地鐵的沉降有較大影響.通過有限元計算,發現當管片周圍土體吸收30%被釋放的應力時,地鐵二號線的最大沉降值為27.40mm,而當┸片周圍土體吸收50%被釋放的應力時,地鐵二號線最大沉降值增為35.位置的位移差也會增加,尤其是兩地鐵線路疊交的位置,其內外兩側的沉降差可以達到21.55mm. (2)如果在整個施工中應力釋放率不變的話,則既有線路上同一位置各施工步的豎向位移差會隨著施工步逐漸增加,也就是說,由于不及時施加管片等因素所造成的沉降有隨著時間的推移逐步遞增發展的趨勢.在不利情況下(即應力釋放率為50%時),對地鐵二號線而言,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.因此當盾構掘進面下穿既有地鐵時,應做好施工控制. (3)通過對比分析既有地鐵線路上有無動荷載的兩種情況,可以知道,由于動荷載的作用,每一步開挖中既有地鐵2號線豎向位移略有增加,也就在1.02mm范圍內變化,所以其影響效果不明顯,基本上可以忽略不計.參考文獻:[1]李吉吉,張子新.相鄰隧道施工對上海地鐵二號線的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(增1):5125-5129.[2]王如路,劉建航,等.上海軌道交通4號線盾構隧道穿越地鐵運營線路的監護工程[J].地下工程與隧道,2004,(3):50-53.[3]張志強,何川,等.南京地鐵盾構掘進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號線(曲阜路-人民廣場)區間隧道盾構穿越2號線影響分析[J].地下工程與隧道,2005,(3):7-12.
