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地铁盾构下穿高铁隧道沉降有限元分析及自动化监测

摘 要:结合长沙市轨道交通 3 号线盾构下穿京广高铁浏阳河隧道的具体工程实践,论文采取了可行的自动化监测方案,分析了盾构穿越高铁隧道过程中的自动化监测数据的变化规律,并结合 MIDAS/GTS NX 有限元模型,研究盾构隧道施工对临近既有结构的影响。
1 引言
  地铁盾构施工会经常下穿地面既有建构筑物,地铁盾构施工导致建构筑物地下岩层、土体缺失,引起地铁盾构施工临近结构物内力的重分布,产生不协调、不均匀变形。因此,对地铁盾构施工下穿既有建构筑物引起的变形进行监测和预警是地铁施工必需的工作流程。本研究结合长沙市轨道交通 3 号线盾构下穿京广高铁浏阳河隧道的具体工程实践,将有限元模型与自动化监控相结合,研究地铁盾构隧道施工对临高铁隧道及其近结构的影响,为地铁盾构施工下穿建构筑物的引起的变形监测和预警提供借鉴和参考。
2 工程概况
  长沙市轨道交通 3 号线的汽贸大道站—星沙大道站区间,左线长 2200.220m;右线长 2199.871m,盾构下穿京广高铁浏阳河隧道工程, 在京广高铁 K1566+818 处以正交、直线、盾构法施工下穿浏阳河隧道, 对浏阳河隧道范围内盾构隧道左、右线中心线外各 30m,约 80m 的范围进行监测,下穿京广高铁浏阳河隧道段线间距约 20m。
3 监控方案
  本项目采用测量机器人结合自动监测系统软件的变形自动监测系统进行监测,主要监测无砟轨道结构沉降和隧道整体沉降。测量机器人采用徕卡 TM50 共计 2 台。在盾构隧道施工期间 24h 全自动测量隧道结构、道床隧道轴向、横向及垂直方向三维变形,并每隔 6h 传输一次数据。监测区段总长度约 80m,按 5m 的间隔共布设 17 个监测断面,每个监测断面包括 2 个隧道整体沉降点、2 个无砟轨道结构沉降监测点,共 4 个监测点。
  根据现场踏勘及设计资料,盾构下穿段隧道在 K1566+785.246、K1566+815.246 及 K1566+845.246 位置处有变形缝,缝宽约10mm,在变形缝位置处加设监测断面,共计 68 个监测点。
4 有限元模型分析
4.1 有限元模型建立
  本文使用 Midas/GTS NX 软件进行数值模拟分析,根据盾构隧道与京广铁路浏阳河隧道的空间位置关系,建立三维有限元计算模型。数值计算中,模型尺寸长 120m,宽 120m,高度80m,土体采用实体单元,浏阳河隧道及地铁盾构隧道均采用板单元模拟,其尺寸、属性根据施工图纸给定。计算模型中,浏阳河隧道衬砌每隔 30m 设置 1 道环向变形缝,共设置 3 道变形缝,采用实体填充。模型采用位移边界,顶部上表面为自由边界,其余各外表面法线方向的位移均受到约束。
4.2 基于空间动态下的隧道沉降变形特征分析
  此次盾构施工对高铁隧道的影响划分为 3 个阶段,即盾构接近既有隧道、盾构下穿既有隧道、盾构远离既有隧道。在模型设计初始阶段取隧道整体沉降测点为对象进行研究。
  如图 1 可见,本文研究了盾构隧道下穿施工时的土体扰动情况,左线隧道施工完成后引起既有隧道发生沉降,此时,最大沉降位置位于 2 条盾构隧道正上方的变形缝处,高铁隧道整体沉降曲面大致为“V”形,如图 2 所示。
  图 2 表示的是盾构右线完成下穿后的沉降数值与盾构左线完成下穿后的沉降数值的对比。由图可知,由于左右线盾构隧道的线间距约为 20m,所以,当左线盾构隧道施工完成后,高铁隧道整体沉降的数值和范围较右线完成下穿后都有一定程度的增加。从图中可以看出,17# ~31# 段的高铁隧道位于左线盾构下穿的正上方,开挖前后沉降量变化比较大。隧道整体最大沉降值位置位于左右线盾构隧道的上方,沉降最大值为 1.72mm。
4.3 基于时间动态下的隧道沉降变形特征分析
  盾构开挖引起的隧道整体沉降本质上是盾构施工引起的土体损失累积造成的,为了研究盾构施工过程中隧道整体沉降的动态过程,选取计算模型中浏阳河隧道处 9 号断面作为目标面,绘制 9 号断面测点 2(LYH9-2)处沉降与开挖面推进过程中的动态关系曲线如图 3 所示。
  由图 3 可以看出,在开挖面到达目标面之前一定距离内,目标面处地表已经发生沉降了,随着开挖面接近—通过—远离目标面,在通过的过程中隧道整体沉降急剧增大。变化最剧烈的时候正是盾构右线下穿高铁隧道的时候,右线下穿完成后的沉降值为 1.27mm,占最终沉降变形的 70%。
4.4 模型计算与实测数据对比分析与讨论
  基于三维有限元模拟方法,对本文涉及的区间盾构施工引起的高铁隧道沉降进行计算,将计算结果与现场实测最终沉降值结果进行对比。图 4 为盾构过程中 9# 断面测点 2 的沉降值的变化曲线对比图,由图可知:
 (1)盾构施工和同步注浆及二次注浆对土体的扰动带来了隧道结构的变形。右线先行隧道盾构掘进到靠近既有隧道时,既有隧道整体开始出现沉降,并且在下穿过程中沉降量急剧增大。先行隧道下穿完成后,模型计算沉降量最大达到 1.27mm,现场实测为 1.33mm。
 (2)左线盾构隧道下穿过程中,既有隧道整体沉降量持续增大,但增长速率较右线盾构下穿时要小很多。当左线盾构隧道完成下穿后,模型计算隧道整体沉降量达到最大,为 1.72mm,现场实测最大沉降量为 1.91mm。
  图 5 为盾构开挖完成后隧道整体沉降变化曲线对比图,由图可知,模型计算曲线与现场实测曲线均在 9# 断面即既有隧道中间变形缝附近产生最大沉降值。二者拟合曲线趋势基本吻合,2 种方法所得的高铁隧道沉降曲线都能反映沉降变化特性。因此,计算模型提供的隧道沉降数据能够使用于本项目。
5 结论与建议
  本文结合实际工程,利用 Midas/GTS NX 对盾构施工近距离下穿高铁隧道进行全过程仿真分析模拟,得出以下主要结论:
  1)由盾构施工全过程既有隧道的沉降位移图可以看出,在先行隧道盾构下穿既有隧道时,其位移增长速率最快;开挖完成以后,隧道的最大竖向位移达到-1.72mm。现场实测盾构开挖完成后既有隧道的最大竖向位移值为-1.91mm,均未超过-2mm,满足高铁运营维护要求,可保证高铁隧道结构及运营安全。同时,计算模型和监控实测值相差不超过 0.2mm,验证了 Midas/GTS NX 有限元模型在盾构隧道下穿既有构筑物施工过程中的正确性与合理性。
  2)隧道整体沉降本质上是盾构施工引起的土体缺失累积造成的,在右线先行盾构隧道下穿完成后,既有隧道沉降值达到最终沉降值的 70%。左线盾构隧道开挖过程中,沉降继续发展,但沉降量在盾构下穿后变化较小。可见,施工期间尤其是在先行隧道盾构下穿正上方既有隧道的过程中,最容易出现沉降速率快,从而导致沉降超标的情况,此时,应加强对既有隧道的监测,若出现沉降速率过快的情况,应尽快采取注浆等加固措施,保证隧道结构和高铁运营安全。

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