郑州市地铁盾构隧道开挖对既有建筑物沉降分析.docxVIP

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郑州市地铁盾构隧道开挖对既有建筑物沉降分析

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童振龙杨东豫

【摘要】地铁建设是解决城市交通拥堵问题的有效途径。但如果施工措施不当，可能会导致地面沉陷、基坑垮塌、周边建筑物损害等事故。为了分析城市地铁隧道盾构施工对邻近建筑的影响，立足郑州市实际情况，引入FLAC3D数值模拟软件，动态模拟隧道盾构推进过程，分析由此引起的地表变形、邻近筏基结构的倾斜变形；并通过对关键参数的分析，研究隧道与筏基结构间距对地表最大沉降及建筑物基础差异沉降的影响程度。

【关键词】盾构隧道；FLAC3D；数值模拟；差异沉降

1.引言

随着国家中部崛起的战略目标的确定，郑州作为中部乃至中国的交通枢纽，必将在东部和西部经济转移和共同发展中起到重大作用。但由于郑州市基础设施的老化，特别是市区交通运输不能满足目前和将来的需要，不仅给市民工作和生活带来不便，更是阻碍了经济的发展。郑州的地铁和将来的城际轨道交通的无缝衔接，将使河南的中心城市带动作用更加明显。在地铁给人们带来方便的同时，其建造也会在某些方面给人们造成一些灾害。因此，研究地铁隧道施工引起地表沉降及变形预测刻不容缓。

2.FLAC3D数值模拟方法介绍

在隧道盾构模拟计算过程中，采用了三维快速拉格朗日差分分析方法（FastLagrangianAnalysisofContinua3D，简称FLAC3D）。FLAC3D是利用显式有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可较好地解决诸多其它数值方法难以模拟的复杂的工程问题，如分步开挖、大变形大应变、非线性、隧道一土体一基础一结构共同作用等。

3.盾构隧道开挖数值模拟

3.1盾构隧道开挖模型的建立

建筑基础沉降是数值模拟关心的重点，因此邻近隧道处网格划分较密，计算模型所取尺寸：长为60m，宽为74m，高为为24m。

根据郑州市地铁隧道盾构施工的特点，选取隧道的直径为6m，埋深12m。采用全断面法开挖，隧道衬砌30cm，全部支护为一次施作。

本文模拟建筑物为15层框架结构，建筑物筏基简化为36m×15m×2m的混凝土，采用C40混凝土。模拟过程主要考虑建构筑物荷载作用，其荷载为隧道邻近建筑物结构自重。建筑物结构荷载简化为均布竖向矩形荷载（对筏板基础而言），通过建筑物基础在埋深处传递到地基土。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），偏于安全考虑，每层10kPa的均布荷载作为框架结构的正常使用荷载并用于模拟计算。土体及衬砌采用实体单元模拟，土体的本构模型采用最常用的摩爾—库伦模型（modelmohr）；衬砌为弹性单元。约束条件：土体的左右侧面（x=-24m，x=50m）设水平x向约束，前后面（y=0m，y=60m）设水平y向约束，底面（z=-12m）设竖向约束，上表面自由。左右边界条件视为链杆支座，下边边界视为铰支座。

3.2盾构隧道开挖材料参数

岩土参数选取原则：根据郑州市隧道地质勘察报告，为便于分析，选取隧道穿过的岩土层简化为两层，计算参数平均值。由于FLAC系统中不识别E-v参数，所以必须把E-v参数转化为FLAC采用的B-G参数，其实现过程是由预测系统自动完成的，参数的转换关系公式下：

，（3-1）

式中：E-弹性模量，v-泊松比，B-体积模量，G-剪切模量。

（1）初始应力采用人工初始应力场，侧向土压力系数K0=1-sinφ，φ为土体内摩擦角。

（2）混凝土管片参数：厚0.3m，重度γ=25KN/m3，体积模量B=1740MPa，剪切模量G=1470MPa，隧道内径5.4m。

（3）土体参数：①重度γ=18KN/m3，体积模量B=8.3MPa，剪切模量G=3.85MPa，粘聚力c=18kPa，内摩擦角φ=20o，土层厚度18m；②重度γ=18KN/m3，体积模量B=40MPa，剪切模量G=15MPa，粘聚力c=50kPa，内摩擦角φ=20o，土层厚度6m。

（4）筏基参数：重度γ=25KN/m3，考虑到上部结构的作用，视其为刚体，为便于计算，取体积模量B=18333MPa，剪切模量G=13750MPa。

（5）本模型暂没有考虑地下水的影响。

3.3盾构隧道开挖模拟程序步骤

（1）建立土体模型；（2）计算初始应力场；（3）位移置零；（4）加入筏基结构模型；（5）计算筏基作用下初始应力场；（6）位移置零；（7）分步开挖；（8）后处理。

3.4盾构隧道开挖数值模拟结果

根据以上材料参数，经过FLAC3D求解，系统达到平衡后，得到了一系列结果。数值模拟结果如下所示。

3.4.1筏基对沉降的影响

通过FLAC计算了隧道埋深为12m，无筏基情况下和筏基距隧道中心6m两种情况下隧道开挖对沉降的影响，模拟结果：隧道开挖后，由于土体应力得到释放，隧道拱底土体隆起，拱顶以上土体发生沉降，沉降最大值发生在拱顶。在无