盾构施工对乙烯管变形的影响及其解决方法

1.盾构穿越乙烯管的数值计算模型

盾构穿越乙烯管过程中对地层的扰动机理和乙烯管的响应机理是首先要研究的问题。采用三维数值模拟方法，可以从宏观层面上分析乙烯管在双线盾构隧道施工过程中的变形情况，对乙烯管的变形发展规律可以有一个宏观的认识，因此本研究采用ABAQUS软件对双线盾构穿越乙烯管进行数值模拟。

考虑到虹梅南路隧道盾构段与乙烯管长距离复杂穿越的工况，本数值模拟选取第1 000～1 125环范围内的乙烯管进行分析。该段乙烯管受到东西两线隧道两次穿越，受力情况复杂。工程平面图如图7.4所示。

图7.4　隧道与乙烯管位置关系图

根据工程概况，建立三维有限元分析模型，如图7.5所示，水平向右为X 轴正向，垂直向上为Y轴正向，沿隧道轴向为Z轴方向，模型上边界为地表，下边界为地表以下80 m，考虑到建模的复杂性，此处忽略隧道1.2%的坡度，取隧道埋深约22 m。整个模型尺寸为120 m×250 m×80 m。模型周边是自由边界法向固定，底面约束三方向的自由度，顶面为自由表面。乙烯管直径较小，仅有250 mm，采用梁单元按实际尺寸进行模拟。

计算过程中土层参数如表7.2所示。

图7.5　计算模型图

表7.2　土层物理参数

2.数值计算结果

计算分析采用逐步分析的方法进行，首先对模型施加地应力，然后开挖西线隧道，并进行应力释放，再开挖东线隧道，进行应力释放，最后分别汇总结果。图7.6、图7.7分别给出了东线隧道开挖完成后的地层沉降和乙烯管的沉降变形云图。图7.8是一个典型断面的盾构推进完成后地表变形情况。分析图表可以发现：西线隧道首先开挖后，地表最大沉降发生在左线隧道正上方，最大沉降约为18 mm，东线隧道开挖完毕后，东西线隧道的中心线区域范围内发生较大沉降，最大沉降约为21 mm。乙烯管在西线隧道开挖完成后的最大沉降发生在隧道穿越处，最大沉降约为18 mm。与西线隧道开挖后地面沉降值相近。(www.xing528.com)

图7.9为乙烯管沉降曲线，曲线表明乙烯管沉降最大区域位于左线隧道上方，最大值位于乙烯管与隧道斜交处，约为20 mm。右线隧道开挖以后，乙烯管沉降略有增大，最大沉降向隧道中心偏移，约为21.5 mm。盾构推进过程中，乙烯管的差异沉降较大，最大达到约25 mm。图7.10为乙烯管水平位移曲线，由图可见，隧道开挖过程中，乙烯管水平位移较小，始终在5 mm 左右。

图7.6　东线隧道穿越后地层变形云图

图7.7　东线隧道穿越后乙烯管变形云图

图7.8　地表沉降云图

图7.9　乙烯管沿长度方向的沉降曲线

图7.10　乙烯管水平位移

本节通过三维数值分析的方法考虑盾构推进对乙烯管的影响，分析了盾构推进的沉降分布规律和受影响的乙烯管扰动分布规律。通过分析可以看出，盾构推进过程中，最大地表沉降约为20 mm，乙烯管的沉降与地面沉降的大小几乎一致，在盾构穿越段的乙烯管沉降最大。盾构推进造成的乙烯管水平变形在5 mm 范围内浮动。双线隧道的推进会增大地面沉降和乙烯管的沉降，并且是最大变形位置向第二条隧道推进位置靠拢。