1、盾構(gòu)隧道下穿橋樁有限元模擬計(jì)算分析摘 要：深圳地鐵 5 號(hào)線工程穿越廣深高速公路立交橋，為保證橋隧相交設(shè)計(jì)、施工的安全，基于midas/gts 計(jì)算程序構(gòu)建三維有限元模型模擬，分析預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工過(guò)程中引起的地層、管片、樁基的沉降和位移，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的工程措施。本工程可以為處理橋隧相交的地下鐵道工程問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：橋隧相交；midas/gts；三維有限元模型；分析預(yù)測(cè)1 前言 城市地下鐵路軌道的迅速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列的橋隧相交的問(wèn)題。盾構(gòu)隧道的施工必然會(huì)影響周圍土體的初始狀態(tài)，使土體產(chǎn)生位移，從而引起橋梁的不均勻沉降，改變橋梁的結(jié)構(gòu)受力。如何在設(shè)計(jì)和施工中可靠的預(yù)

2、測(cè)施工引起的地層位移和沉降，保證施工安全和周邊既有結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，已經(jīng)成為地下工程建設(shè)中必須解決的一項(xiàng)重要課題1。 本文根據(jù)深圳 5 號(hào)線某標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間下穿橋梁的工程實(shí)例，基于 midas/gts 有限元程序構(gòu)建三維計(jì)算模型，預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中對(duì)管片及橋梁基礎(chǔ)的變形及受力的影響，為處理橋隧相交的地下鐵道工程問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。2 工程概況2.1 工程概述 深圳地鐵 5 號(hào)線洪浪站（大浪站）興東站（同樂(lè)站）區(qū)間自創(chuàng)業(yè)二路下穿行，線路在 dk7+149 處穿越廣深高速公路立交橋。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，地層參數(shù)見(jiàn)表 1。 該盾構(gòu)隧道位于地下水水位以下，主要穿越礫質(zhì)粘性土，該土層具有較高的壓縮

3、性。根據(jù)工程地質(zhì)資料，擬通過(guò)有限元計(jì)算方法，對(duì)該段盾構(gòu)開挖過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)盾構(gòu)過(guò)程中管片和橋墩樁基的位移及應(yīng)力，為盾構(gòu)施工做好必要的準(zhǔn)備。2.2 計(jì)算模型 midas/ gts 是巖土和隧道結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的專用有限元分析軟件 ，可提供多樣化的建模方式，利用最新求解器可獲得最快分析速度,具有強(qiáng)大的分析功能和卓越的圖形后處理功能2。整體模型高度為 60m，寬度為100m，沿盾構(gòu)方向長(zhǎng)度為 92m，其中到達(dá)橋墩樁基位置前的長(zhǎng)度為 30m、橋面下方長(zhǎng)度為 32m、離開橋墩樁基位置前的長(zhǎng)度為 30m。該隧道通過(guò)范圍內(nèi)共 24 根橋墩樁及橋臺(tái)樁，每排樁樁距 15m，盾構(gòu)方向每根樁間距 6m，樁體

4、為鋼筋混凝土材料，彈性模量為 20gpa，重度為25kn/m3，樁長(zhǎng)為 20m，樁徑為 0.8m。樁頂荷載均取3216kn。隧道與各樁之間的關(guān)系見(jiàn)圖 1。整體有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖 2。由于地質(zhì)情況復(fù)雜，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化3-5：地層采用實(shí)體單元,采用 mohr-coulomb 彈塑性模型。管片襯砌采用面單元，采用線彈性材料模擬。模型側(cè)面土體限制水平移動(dòng)、底面固定,上表面為自由約束。樁基采用彈性本構(gòu)模型。3 計(jì)算結(jié)果及分析 本工程有限元計(jì)算考慮左線盾構(gòu)隧道施工，施工步序?yàn)?8 步，當(dāng)沿盾構(gòu)軸向距離開挖至離第一根樁 1.7m時(shí)作為第 1 步，然后每隔 4.5m 為 1 步。 當(dāng)開挖至第 4 步時(shí)（第 3

5、 個(gè) 4.5m），整體模型發(fā)生最大位移，最大沉降 4.6mm，如圖 3 所示。此時(shí)，盾構(gòu)管片豎向位移為 12.48mm，樁基的豎向位移為 0.23mm，如圖 4 所示；盾構(gòu)管片水平位移為 4.96mm，樁基的最大豎向位移為 1.35mm，如圖 5 所示；樁身的豎向應(yīng)力最大值為 3305.05kn/m2，樁基不存在拉應(yīng)力，如圖 6 所示。 根據(jù)文獻(xiàn)6，對(duì)簡(jiǎn)支橋梁，橋墩位移量應(yīng)滿足：墩臺(tái)均勻沉降量2.0(cm)。 整個(gè)開挖過(guò)程中管片的最大豎向位移出現(xiàn)在第 5步時(shí)（第 4 個(gè) 4.5m），其值為 15.10mm；當(dāng)開挖至第 4 步時(shí)（第 3 個(gè) 4.5m）出現(xiàn)樁基的豎向最大位移為 0.23mm；當(dāng)開

6、挖第 1 步時(shí) （1.7m） 出現(xiàn)管片最大水平位移為5.23mm；當(dāng)開挖至第 8 步時(shí)（第 7 個(gè) 4.5m）出現(xiàn)樁基最大水平位移為 1.46mm；當(dāng)開挖至第 6 步時(shí) （第 5 個(gè)4.5m）出現(xiàn)樁基最大豎向應(yīng)力為 3308.57kn/m2。 從整個(gè)施工過(guò)程模擬分析結(jié)果可知，在盾構(gòu)機(jī)沿左線通過(guò)高速路橋墩基礎(chǔ)的施工過(guò)程中，計(jì)算所得的管片水平位移（小于 10mm）、豎向位移（小于 20mm）、樁基的水平位移（小于 2mm）、豎向位移（小于 1mm）數(shù)值均不大，在工程允許的安全范圍內(nèi)。同時(shí)地表的沉降也控制在 5mm內(nèi)，符合工程設(shè)計(jì)要求。4 結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)深圳地鐵 5 號(hào)線工程穿越廣深高速公路立交橋

7、進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出該工程隧道盾構(gòu)過(guò)程中地表沉降、樁基水平位移、樁基豎向位移等的變化。從模擬分析結(jié)果可知，管片的水平位移、豎向位移，樁基的水平位移、豎向位移，均在工程允許的安全范圍內(nèi)。通過(guò)三維數(shù)值模擬，能夠很好地對(duì)該工程預(yù)測(cè)分析，為工程施工做好了必要的準(zhǔn)備?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1陶盾，王健.污水倒虹吸隧道穿越地鐵 2 號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)的沉降分析j.第七屆全國(guó)土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇.東南大學(xué)，2009.2劉健美.盾構(gòu)施工下穿既有地鐵區(qū)間隧道分析2.山西建筑，2009，35（17）：297-2983王樹仁，慎乃齊等.下伏采空區(qū)高速公路隧道變形特征數(shù)值分析j.中國(guó)礦業(yè)，2008，17（3）：76-814王航，劉濤等.大跨淺埋隧道施工三維數(shù)值分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)