盾构近接施工对箱涵的影响分析与控制

吴华州，郭易东，蔡志勇，李兴高

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089； 3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

目前盾构法广泛地应用到我国地铁建设中[1-3]，由于城市环境复杂，并且随着我国城市轨道交通系统的日益完善，地铁隧道修建时常出现下穿建构筑物的情况。盾构隧道在施工过程中会破坏原有地层的力学平衡，从而引起箱涵产生不均匀沉降和附加应力，严重情况下会导致箱涵发生破坏产生裂缝从而出现漏水等情况，故需要严格控制盾构隧道施工对箱涵结构的影响。李涛等[4]通过数值计算分析了盾构隧道施工顺序对铁路箱涵结构变形的影响规律。王国富等[5]利用FLAC3D软件分析了盾构下穿施工引起的桥涵结构变形和应力特征。陈晓伟等[6]通过数值模拟分析了北京某地铁区间下穿铁路箱涵时的注浆加固效果。朱垚锋等[7]通过现场实测和数值模拟相结合的手段分析了淤泥地层中盾构隧道施工引起邻近箱涵的变形规律。周绍宾等[8]通过Midas GTS有限元软件分析了盾构施工对排水箱涵结构变形的影响规律，并提出了既有构筑物变形的有效控制措施。钟晟[9]针对长沙地铁1号线某盾构下穿公路箱涵工程，结合数值模拟和现场实测，分析了盾构下穿施工对箱涵结构的扰动规律。本文以北京地铁3号线朝阳公园站—石佛营站区间盾构隧道下穿农展馆南路箱涵工程为依托，通过数值模拟和现场监测相结合的方法，分析了盾构隧道施工对农展馆南路箱涵的影响及相应的保护措施。

1 工程概况

北京地铁3号线朝阳公园站—石佛营站盾构区间在里程YK35+466.623～YK35+487.932范围内下穿农展馆南路箱涵，区间隧道与农展馆南路箱涵平面位置关系及测点布置如图1所示，该箱涵为钢筋混凝土结构，主要用作两湖联通渠通道，长70 m，宽21.20 m，高5.46 m，底板标高为30.94 m，箱涵内常水位标高为33.20 m，区间距离箱涵底板最近竖向距离为13.092 m，如图2所示，为一级风险源。该工程中左线隧道为先行线，待左线隧道施工完毕后再进行右线隧道施工。

根据工程设计文件要求，农展馆南路箱涵监测项目控制标准如下：

1)箱涵基础纵向不均匀沉降控制值为5 mm/5 m，底板纵向倾斜度小于1/1 000。

2)箱涵基础底板横向不均匀沉降控制值为5 mm。

3)箱涵整体均匀沉降控制值为10 mm。

4)箱涵侧墙倾斜度不大于1/1 000。

2 数值计算分析

2.1 模型建立

使用FLAC3D对所建立的模型进行了分析，主要研究盾构下穿农展馆南路箱涵时对箱涵的影响及相应的保护措施。本模型所有单元均采用实体单元，地层采用服从Mohr-Coulomb强度准则的弹塑性本构模型，管片、盾壳、同步注浆、二次补浆及箱涵均采用弹性模型。计算模型如图3所示，模型x方向长110 m，y方向长60 m，z方向长50 m，盾构掘进方向每环取1.2 m，模型单元总数为53 715，节点总数为72 744。

盾构下穿农展馆南路箱涵时，在离盾尾7环处从洞内采用径向注浆加固盾构隧道周围土体，加固范围为拱顶部分注浆深度3 m，仰拱部分注浆深度1 m，注浆扩散半径为0.5 m，纵向注浆范围取盾构掌子面距箱涵前后各1倍洞径。为了研究盾构下穿农展馆南路箱涵时二次补浆的作用效果，分别设置了无二次补浆和有二次补浆两种工况，箱涵内水的自重通过施加均布力在箱涵内来模拟。模型计算中所选取的参数见表1。

表1 模型计算参数取值

2.2 模型计算过程

本文采用Midas GTS NX软件建立模型并划分网格，将网格导入有限差分软件FLAC3D中进行计算，盾构机掘进模型示意图如图4所示。

盾构掘进模型参照施工中所使用的土压平衡盾构机，盾壳外径为6.5 m，钢筋混凝土管片外径为6.4 m，内径为5.8 m，环宽1.2 m，二次补浆外径为8.5 m。该模型可对盾构施工过程进行模拟，各掘进过程的模拟方法[10]：土舱压力通过施加压力在盾构机前方土体上来模拟；盾构机切削土体通过赋予土体空单元来模拟；当切削土体后激活盾壳单元来模拟盾构机掘进，其中盾壳长度取7环管片宽度；当盾构机的掘进距离达到7环管片宽度以后通过激活管片单元来模拟拼装管片；通过改变盾壳单元的材料参数来模拟同步注浆；在盾构下穿箱涵时通过激活二次补浆单元来模拟二次补浆。

2.3 计算结果分析

通过数值计算得到了两种工况下箱涵结构沉降云图如图5所示，左右线施工结束后两种工况下计算结果对比如图6所示。

图6分析可得，在工况一没有进行二次补浆的沉降数据中，箱涵西侧的最大沉降为11.2 mm发生在测点JGC-02-14处，平均沉降为7.3 mm，纵向最大不均匀沉降为8.4 mm；箱涵东侧的最大沉降为11.4 mm发生在测点JGC-02-15处，平均沉降为7.5 mm，纵向最大不均匀沉降为8.7 mm。在工况二进行二次补浆的沉降数据中，箱涵西侧的最大沉降为4.3 mm发生在测点JGC-02-14处，平均沉降为2.9 mm，纵向最大不均匀沉降为3.1 mm；箱涵东侧的最大沉降为4.4 mm发生在测点JGC-02-15处，平均沉降为2.9 mm，纵向最大不均匀沉降为3.2 mm。盾构掘进通过及时二次补浆可以将箱涵的平均沉降由7.3 mm减少为2.9 mm，平均沉降减少了60%，纵向最大不均匀沉降由8.7 mm减少为3.1 mm，最大不均匀沉降减少了64%，故及时进行二次补浆可以有效减少盾构掘进时对箱涵结构的影响。

针对工况二数值模拟结果进行具体分析，箱涵各测点沉降曲线如图7～图10所示。

由图7分析可得，对于箱涵西侧测点，左线盾构隧道施工引起的箱涵最大沉降为2.2 mm出现在测点JGC-02-10处，平均沉降为1.3 mm，纵向最大不均匀沉降为2.1 mm；右线隧道施工导致箱涵最大沉降点右移，最大沉降增加到4.3 mm出现在测点JGC-02-14，平均沉降为2.9 mm，纵向最大不均匀沉降为3.1 mm。

由图8分析可得，对于箱涵东侧测点，左线盾构隧道施工引起的箱涵最大沉降为2.3 mm出现在测点JGC-02-13处，平均沉降为1.3 mm，纵向最大不均匀沉降为2.2 mm；右线隧道施工导致箱涵最大沉降点右移，最大沉降增加到4.5 mm出现在测点JGC-02-15，平均沉降为2.9 mm，纵向最大不均匀沉降为3.3 mm。

由图9分析可得，对于箱涵北侧测点，左线盾构隧道施工引起的箱涵最大沉降为0.11 mm出现在测点JGC-02-03处，平均沉降为0.09 mm，横向最大不均匀沉降为0.02 mm；右线隧道施工导致箱涵最大沉降增加到1.32 mm出现在测点JGC-02-03，平均沉降1.26 mm，横向最大不均匀沉降为0.12 mm。

由图10分析可得，对于箱涵南侧测点，左线盾构隧道施工引起的箱涵最大沉降为1.20 mm出现在测点JGC-02-26处，平均沉降为1.09 mm，横向最大不均匀沉降为0.22 mm；右线隧道施工导致箱涵最大沉降增加到1.46 mm出现在测点JGC-02-26，平均沉降为1.31 mm，横向最大不均匀沉降为0.30 mm。

箱涵侧墙水平位移如图11所示，侧墙倾斜度为1/136 500。

由上面分析可知，盾构掘进过程中及时进行二次补浆的情况下，箱涵纵向不均匀沉降为3.3 mm，底板纵向倾斜度为33/350 000小于1/1 000，横向不均匀沉降为0.3 mm小于5 mm，整体均匀沉降为2.9 mm小于10 mm，侧墙倾斜度为1/136 500小于1/1 000，故盾构掘进下穿箱涵时对箱涵的影响满足要求。盾构隧道开挖时会导致土体体积损失，引起周围土体的有效应力增加，最终导致土体结构发生破坏而产生位移，从而引起箱涵的不均匀沉降，所以在盾构施工过程中及时进行二次补浆可有效减小隧道开挖对箱涵结构的影响。

2.4 数值模拟与实测数据对比

目前由于该工程正在施工左线隧道，右线隧道还没有开始施工，在左线盾构施工通过箱涵后分别针对箱涵东侧测点JGC-02-01,JGC-02-04,JGC-02-06,JGC-02-08,JGC-02-10,JGC-02-12,JGC-02-14,JGC-02-16,JGC-02-18,JGC-02-20,JGC-02-22,JGC-02-24,JGC-02-26，箱涵西侧测点JGC-02-03,JGC-02-05,JGC-02-07,JGC-02-09,JGC-02-11,JGC-02-13,JGC-02-15,JGC-02-17,JGC-02-19,JGC-02-21,JGC-02-23,JGC-02-25,JGC-02-28进行分析，工况二进行二次补浆情况下数值模拟沉降与实测沉降对比如图12所示。

分析图12可得，在左线盾构施工通过箱涵后，箱涵东西两侧测点的数值模拟数据与实测数据的沉降趋势基本一致。箱涵西侧测点最大沉降均出现在监测点JGC-02-10处，实测数据的最大沉降为2.4 mm，平均沉降为1.2 mm，工况二进行二次补浆情况下的最大沉降为2.2 mm，平均沉降为1.3 mm，实测数据的平均沉降与工况二进行二次补浆情况下数值模拟数据的平均沉降相差不大，误差率为7.7%。箱涵东侧测点最大沉降均出现在监测点JGC-02-11处，实测数据的最大沉降为2.8 mm，平均沉降为1.4 mm，工况二进行二次补浆下的最大沉降为2.4 mm，平均沉降为1.3 mm，实测数据的平均沉降与工况二进行二次补浆情况下数值模拟数据的平均沉降相差不大，误差率为7.1%。由沉降曲线可知，现场监测数据沉降曲线与工况二注浆情况下数值模拟计算结果曲线比较吻合，计算结果能够较好的反映实际工程情况。

3 结论

本文针对北京地铁3号线朝阳公园站—石佛营站区间盾构隧道下穿农展馆南路箱涵工程进行了数值模拟分析，并通过现场实测数据验证了数值模拟结果的合理性，得到如下结论：1)盾构下穿农展馆南路箱涵时通过及时二次补浆可以将箱涵的平均沉降由7.3 mm减少为2.9 mm，减少了60%，纵向最大不均匀沉降由8.7 mm减少为3.1 mm，减少了64%。2)盾构施工过程中，后开挖隧道对箱涵结构沉降变形的影响大于先开挖隧道。3)盾构 掘进过程中及时进行二次补浆的情况下，箱涵纵向不均匀沉降为3.3 mm，底板纵向倾斜度为33/350 000，横向不均匀沉降为0.3 mm，整体均匀沉降为2.9 mm，侧墙倾斜度为1/136 500，都小于相应的控制指标。