地道橋頂推施工對周邊土體影響的數值模擬研究

黃勇軍

地道橋頂推施工對周邊土體影響的數值模擬研究

黃勇軍

(湖南建工交通建設有限公司，湖南 長沙 410005)

為了研究地道橋施工過程對其周圍土體的影響，結合實際工程，利用FLAC3D軟件模擬地道橋動態施工過程，將計算結果與現場監測結果進行比較，驗證數值計算的合理性。同時，得到地道橋頂進施工對其周圍土層的影響規律。研究結果表明：地道橋頂進施工將影響其周圍土體的應力場與位移場，其中對應力場的影響較小，而頂進施工對位移場的影響較大，其影響范圍主要集中在頂推范圍的上覆路基以及兩側3 m范圍內，尤其是地道橋上部土體，在頂進過程中位移較大，在施工過程中需重點關注，必要時需進行預加固處理。

地道橋；盾構；數值模擬；變形受力；深層測斜

地道橋施工是近年來發展起來的一種施工工藝，目前被廣泛應用于鐵路、公路立交工程之中。但是，大量工程實踐表明，地道橋在頂進施工的過程中，容易引起上層路面塌陷、上部土層整體位移等問題[1?5]。目前，許多學者對地道橋施工過程中結構受力與對周圍土體的影響進行了一系列的研究，也取得了不少成果。周利金[6]基于ANSYS研究地道橋的受力與變形特征，指出地道橋受力的薄弱位置，但是計算基于靜力展開未考慮動態施工過程的影響。HUO等[7]研究隧道頂進時，結構的動態受力特性。杜守繼等[8]使用有限元等數值方法，模擬地道橋結構與土的相互作用過程，指出周圍土體對地道結構的受力影響，為地道橋結構設計提供了參考依據。朱建棟等[9]使用ANSYS軟件采用三維實體建模方法模擬空間范圍的地道橋與其周圍土體相互作用，總結不同工況下地道橋結構位移、應力空間分布規律。Kasper等[10?11]對隧道盾構過程對周圍土體受力的影響進行研究，指出施工過程對土體受力存在較大影響，施工時需要注意。王凈偉等[12?13]研究盾構施工對既有建筑物的影響。晁峰等[14]研究盾構施工對土體地表沉降的影響。許敬叔等[15]研究開挖對結構受力的影響。但是，此前的研究，大多關注于對地道橋結構受力的計算，將頂進這一動態過程簡化為靜力問題處理。這種處理無法研究動態施工過程中，頂力對周圍土體的影響?；诖?，本文結合地道橋頂進施工的實際工程，應用FLAC3D軟件，結合實際工程，對地道橋頂進施工的動態過程進行數值模擬，分析開挖及頂推對地道橋周邊土體應力場及變形場的規律。最后將計算結果與現場深層測斜數據進行對比，驗證數值計算的合理性，并提出相應的施工安全控制建議，為地道橋頂進施工提供指導。

1 工程概況

工程依托歐洲工業園新東路下穿京港澳高速相交工程某地道橋施工，道路中線與京港澳高速K1540+337.7相交。該地道橋為鋼筋混凝土地道橋，上覆土層厚度3 m，頂部為厚度為0.8 m的路面結構層，重度為24 kN/m3，路基填土為粉質黏土，厚度2.2 m。盾構框架寬15 m，高7 m，鋼盾構長度 7 m，首節地道橋長13 m。

2 地道橋頂進動態施工全過程數值模擬

地道橋施工是一個開挖與頂進交替循環的動態過程，對盾構過程的模擬一直以來是研究的熱點問題。大量的研究表明，大型有限差分軟件FLAC3D能很好地模擬盾構施工的動態過程[4]。因此本文主要應用FLAC3D軟件，對地道橋盾構下穿高速公路的這一問題進行計算分析。

2.1 模型建立

數值計算的模型尺寸依托工程歐洲工業園新東路下穿京港澳高速相交工程施工圖和現場地質資料等實際資料獲得。此問題可按照軸對稱問題處理，因此取半結構進行計算。模型尺寸如下，路面寬30 m，道路邊緣按1:1.5進行放坡，盾構體高7米，寬7.5 m，上覆土層厚度3 m，盾構體以下土體取8 m，具體的計算模型見圖1所示。模型頂面為自由面，地面雙向約束，左右邊界和前后邊界為水平約束。具體的模型邊界條件見圖2所示。模型沿地道橋推進方向為軸(正向)，豎直方向為軸(向上為正)，水平為平面，共劃分為22 065個八面體單元，30 205個節點。

地道橋周邊土體采用摩爾庫倫屈服準則，結構采用彈性準則，由于需要模擬盾構頂進的過程，因此需要使用接觸面單元模擬結構與土體接觸。接觸面參數的取值按FLAC3D使用手冊的推薦公式取值。材料參數來源于歐洲工業園新東路下穿京港澳高速相交工程施工圖和現場地質資料等實際資料，具體的材料取值見表1。

圖1 計算模型

圖2 模型邊界條件

地道橋下穿高速公路過程分析的模擬步驟 如下：

1) 初始應力場平衡。在該分析步中僅激活地基土體單元與自重、邊界條件，對自重應力場進行 計算；

2) 土體開挖，每次開挖0.5 m，重新對應力分布進行計算；

3) 頂進地道橋框架0.5 m，采用大變形計算，框架頂進完成再計算應力重分布；

4) 每完成一次頂進，記錄一次各個測點的應力與位移情況，依次類推直到地道橋頂進完畢。

表1 材料參數

2.2 計算結果

數值模擬第1步是對模型路堤土層進行初始地應力分析，形成初始自重應力場見圖3~4?？蚣芙Y構頂板外側豎直土壓力在路面荷載和路基自重作用下大概處于76 kPa的范圍，框架結構側面水平土壓力則為30~90 kPa區間。圖5為初始框架?土接觸摩阻力分布，由于框架結構尚未頂進，框架土體接觸面與摩阻力僅在入口處產生。由于本次數值模擬為對盾構頂進的全過程模擬，所記錄的數據量十分龐大，因篇幅限制僅給出單節地道橋在開始頂入(1 m)、頂入一半(5 m)與完成單節地道橋頂入(10 m)的計算結果。

由圖6與圖7可知，開始頂進施工后，土體應力場均發生了一定變化。由于頂面和側面均進行了減阻施工(降低摩擦因數)，框架和土體最大接觸摩擦力發生在底部，摩擦力為40~160 kPa范圍內，越靠近前段摩擦力越大。隨著掌子面向前推進，掌子面前方豎向土壓力塌陷，引起路基土體應力重分布范圍擴大。與此同時，最大接觸摩擦力位置隨著盾構的頂進向前移動。

圖3 初始豎直應力場

圖4 初始水平應力場

2.3 數值模擬結果分析

通過框架頂進過程的數值模擬，觀察到土體及接觸面上應力變化過程。

框架結構頂板外側豎直土壓力在路面荷載和路基自重作用下大概處于76 kPa的范圍，框架結構側面水平土壓力則為30~90 kPa區間。

圖5 初始框架-土接觸摩阻力分布

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

圖8為地道橋頂板外側土壓力沿頂進方向的分布情況。由圖8可知，在開挖頂進過程中，由于開挖造成掌子面前方豎向土壓力塌陷，從而引起路基土體應力重分布，豎直應力場的變化大于水平應力場。掌子面后方一定范圍(5 m)內路基土體豎向應力大幅增加，超過5 m則影響不大。由于開挖引起的應力塌陷主要由掌子面附近路基土體承擔，作用在框架結構上的覆土壓力則較初始土壓力僅略有增加(10%左右)，說明在施工過程中按照靜止土壓力對框架結構進行受力分析是合理可行的。

框架和土體最大接觸摩擦力發生在底部，越靠近前段摩擦力越大，框架底部直角處由于應力集中摩擦力最大。頂進施工中結構應力集中多發生于地道橋底板邊角處，因此，實際施工中應隨時注意觀察并及時處理。

(a) 1 m；(b) 5 m；(c) 10 m

3 地道橋頂進對周圍土體位移影響分析

地道橋在動態施工的過程中，由于開挖與頂進的作用，造成其周圍土體的擾動，尤其是頂進過程中，土體將產生較大的頂進方向的位移，進而引起上部公路路線的偏移與路面的塌陷。因此，需要研究地道橋頂進對其周圍土體位移的影響。本節依托歐洲工業園新東路下穿京港澳高速相交工程某地道橋施工，通過數值模擬與現場監測相結合的辦法，分析地道橋頂推對周圍土體位移的影響。

3.1 計算模型與測點布置

由于本節與上一節所模擬的地道橋動態施工過程是同一過程，因此，本節所使用的計算模型、計算參數與邊界條件均與上一節一致。只是在計算過程中，需要根據現場測斜孔孔位的布置情況，布置一系列的監測點，監測深度與現場測斜深度一致。監測地道橋動態施工過程中，地道橋周圍土體產生的頂進方向的位移。并與現場測斜的結果進行對比分析。具體的測點布置位置見圖9所示。

圖9 位移監測點布置

3.2 數值計算結果與現場監測結果分析

由于篇幅限制，在此展示開始地道橋箱涵頂入1 m，頂入5 m與頂入10 m時地道橋箱涵周圍土體沿路線方向位移的計算結果。圖10為地道橋頂進1，5與10 m時路線方向位移的計算云圖。正值表示為頂進方向(軸正方向)

由圖10可知，掌子面附近土體位移方向與頂進方向相反，即圖中傾斜的開挖面區域，這是由于開挖卸載引起的，而掌子面以外，土體發生沿頂進方向相同的位移，尤其是地道橋頂進位置，位移較大，即圖中頂推框架所在位置。這是由于在頂進施工時，地道橋在頂力的作用下，帶動其周圍土體發生沿頂進方向的位移。且隨著地道橋的頂進，土體沿頂進方向逐漸增大，當第1節地道橋頂進10 m時，最大的位移已經超過2 cm。

圖11為數值模型中某縱截面與橫截面測線示意圖。測線用于監測測線上各點沿頂進方向的位移，測線垂直于路面布置，本質上即是對地道橋周圍土體進行深層測斜。因此，可將現場測斜的結果與數值模擬的結果進行對比分析。

(a) 頂進1 m；(b) 頂進5 m；(c) 頂進10 m

圖11 測線示意圖

由于數值模擬監測的數據與現場測斜的數據量均十分龐大，限制于篇幅，僅展示頂進1 m，頂進5 m與地道橋頂進10 m時的數值計算結果與現場監測結果。

圖12 cx1號孔全過程位移

圖12為地道橋頂進1，5與10 m時，cx1孔位置數值計算與現場測斜結果。其中散點為數值計算結果，曲線為現場測斜結果。從圖12可以發現，數值計算結果與現場測斜的結果在數值上存在一定的差距，這是因為在進行數值計算時，為了提高計算效率，模擬動態施工過程，對計算模型進行了一定程度的簡化所致。但是，不難看出，數值計算的結果與現場測斜的結果，在變化趨勢上基本相同，反映的位移變化規律基本一致。說明，本次數值模擬，能在一定程度上，反映真實的土體變形情況。由圖12可知，當地道橋頂進1 m時，土體朝頂進方向的反方向移動，這是因為cx1號孔靠近邊坡臨空面，在頂進前，對掌子面土體進行開挖所致。隨著地道橋的不斷頂進，cx1孔周圍土體向頂進方向移動，頂進5 m時，cx1孔地表的頂進方向位移約0.5 cm，實際檢測的結果約0.37 cm。當地道橋頂進10 m時，cx1孔數值計算的地表位移大于1 cm，實際監測的結果約0.78 cm。圖12還反映了土體位移與深度的關系，由圖12可知，頂進施工，對距地表15 m以下的土體影響不大，位移不到1 mm，土體位移由距地表10 m位置，開始逐漸增大，位移約3~4 mm，且越靠近地表，土體位移越大，最大的地表位移超過1 cm。而距地表10 m位置是地道橋底板所在位置，從這一深度土體位移開始顯著增大，說明頂進施工對其周圍的土體影響較大。

圖13 橫斷面方向位移

圖14 路線方向位移

圖13為地道橋頂進10 m時，最早頂進施工位置的橫斷面上3個測點的土體位移情況。由圖13可知，cx1孔最大位移超過1 cm，cx2孔最大位移約0.5 cm，cx3孔位移很小不到1 mm?？芍?，cx1孔位置土體位移最大，cx2孔次之，cx3孔位置土體位移最小。同時，沿測斜孔方向由下至上，位移逐漸增大。結合孔位布置圖可知，在同一橫斷面上越靠近地道橋，土體的位移越大。且側邊距箱涵3 m以外范圍，土體位移小，可以忽略不計。說明箱涵頂進對側邊土體的影響范圍約在3 m以內。圖14為地道橋頂進10 m時某一縱斷面上3個測點的土體位移情況。由圖14可知，cx1孔位置土體位移最大，地表位移接近1 cm。cx4孔次之，地表位移約7 mm，cx7孔位置土體位移最小，位移在2 mm以內?？芍?，隨著地道橋頂進施工的進行，土體位移將持續發展。

3.3 小結

通過現場測斜與數值模擬的結果分析可知，地道橋頂進施工，會對其周圍土體的位移場造成一定影響，且存在一定規律。越靠近地道橋位置，土體位移越大。地道橋頂進對地道橋上部的土體影響很大，對底板以下土體影響較小。因此在施工過程中，對地道橋箱3 m范圍內的土體，需密切關注其在施工過程中產生的位移。同時，地道橋上部的土體，需全程監控其位移情況。當位移較大時，需進行加固處理，確保地道橋上部結構的穩定。

4 結論

1) 頂推施工對地道橋周邊土體的影響主要表現為位移擾動?，F場實測的地道橋頂部路基整體變形相對較大，兩側路基的頂進影響范圍為周邊3 m內。

2) 由現場測斜的結果與數值模擬的結果對比可知，雖然數值模擬的結果與現場監測的結果，在數值上存在一定的差距，但是反映出的規律基本一致。使用數值軟件對地道橋動態施工過程進行定性分析是可行的、成本低高效。

3) 通過對地道橋頂進過程的數值模擬，觀察土體及接觸面上應力變化過程。開挖頂進將引起路基土體應力重分布，同時，豎直應力場的變化大于水平應力場。掌子面后方一定范圍(5 m)內路基土體豎向應力將增加，超過5 m則影響不大。同時，施工過程中作用在框架結構上的覆土壓力則較初始土壓力僅略有增加(10%左右)，在施工過程中可按照靜止土壓力對框架結構進行受力分析?？蚣芎屯馏w最大接觸摩擦力發生在底部，摩擦力為40~160 kPa范圍內，越靠近前段摩擦力越大，框架底部直角處由于應力集中摩擦力最大。頂進施工中結構應力集中多發生于地道橋底板邊角處，因此，實際施工中應隨時注意觀察并及時處理。

4) 地道橋頂進施工對其周圍土體造成一定的影響，從地道橋底板以下3 m位置直到地表的土體，在頂進施工的影響下，均將沿著頂進方向移動，且越靠近地表，位移越大。頂進施工對橫斷面土體的影響范圍大約在3 m左右。為了確保頂進施工過程中，既有結構的穩定性，需實時監控土體變形，并對位移較大區域進行加固。

[1] 劉建國. 地鐵黃土地層中盾構隧道地表沉降控制技術研究[J]. 公路工程, 2016, 41(3): 141?146.LIU Jianguo.Control technology in loess strata metro shield tunnelsurface settlement[J]. Highway Engineering, 2016, 41(3): 141?146.

[2] 張姣, 賈敏才, 張建. 地鐵隧道盾構法施工全過程風險分析[J]. 公路工程, 2013, 38(3): 38?41, 56.ZHANG Jiao, JIA Mincai, ZHANG Jian. Analysis of risks in overall process during the construction period of metro shield tunnel construction[J]. Highway Engineering, 2013, 38(3): 38?41, 56.

[3] Lee K M, Rowe R K. An analysis of three-dimensional ground movements: the Thunder Bay tunnel[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1991, 28(1): 25?41.

[4] Rowe R K, Lo K Y, Kack G J. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1983, 20(1): 11?22.

[5] QI G, WEI Z, FEI H, et al. Comparison of the mechanical performance between two-stage and flat-face cutter head for the rock tunnel boring machine (TBM)[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2015, 29(5): 2047? 2058.

[6] 周利金. 基于ANSYS的橋式盾構受力及變形特征研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(4): 787?793.ZHOU Lijin. Research on characteristics of stress and deformation of bridge shield based on ANSYS[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(4): 787? 793.

[7] HUO J, HOU N, SUN W, et al. Analyses of dynamic characteristics and structure optimization of tunnel boring machine cutter system with multi-joint surface[J]. Nonlinear Dynamics, 2017, 87: 237?254.

[8] 杜守繼, 朱建棟. 穿越鐵路的地道結構與土相互作用的數值模擬[J]. 地下空間與工程學報, 2005(2): 242? 246.DU Shouji, ZHU Jiandong. Numerical analysis of interaction between underpass and soil across the railway[J]. Journal of Underground Space and Engineering, 2005(2): 242?246.

[9] 朱建棟, 杜守繼, 付功義. 地道橋結構與土相互作用的有限元分析[J]. 巖土力學, 2004(增2): 305?309.ZHU Jiandong, DU Shouji, FU Gongyi. Finite element analysis of interaction between underpass bridge and soil [J]. Rock and Soil Mechanics, 2004(Suppl 2): 305?309.

[10] Kasper T, Meschke G. A 3D finite element simulation model for TBM tunnelling in soft ground[J]. International Journal for Numerical & Analytical Methods in Geomechanics, 2010, 28(14):1441?1460.

[11] GONG Q M, ZHAO J. Development of a rock mass characteristics model for TBM penetration rate prediction[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2009, 46(1): 8?18.

[12] 王凈偉, 楊信之, 阮波.盾構隧道施工對既有建筑物基樁影響的數值模擬[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014, 11(4): 73?79.WANG Jingwei, YANG Xinzhi, RUAN Bo. Numerical simulation of shield tunnel construction on the impact of neighboring piles foundation[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(4): 73?79.

[13] 方曉慧, 王星華.盾構隧道近距離正交下穿復雜地下結構的影響分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014, 11(1): 60?66. FANG Xiaohui, WANG Xinghua. The impact analysis of shield tunnel close undercrossing complex underground structure[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(1): 60?66.

[14] 晁峰, 王明年, 劉大剛, 等. 長沙起伏板巖地層盾構施工地表沉降預測研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2016, 13(1): 125?130.CHAO Feng, WANG Mingnian, LIU Dagang, et al. A study on predicting the surface settlement caused by shield tunneling in slate-based fluctuated strata in Changsha[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(1): 125?130.

[15] 許敬叔, 潘秋景. 盾構隧道開挖面支護力上限分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014, 11(4): 80?84.XU Jingshu, PAN Qiujing. Upper bound analysis of supporting pressure for shield tunnel faces[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(4): 80?84.

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

湖南省科技廳資助項目(2014SK4072)；湖南省交通廳課題(201432)

黃勇軍(1975?)，男，湖南寧鄉人，高級工程師，從事公路橋梁的施工及管理工作；E?mail：183016302@qq.com

(編輯 陽麗霞)