孙龙飞 陈振雷 李坚成

（宁波大学 海运学院，浙江宁波 315211）

0 引言

为了缓解城市的公共交通压力，地铁由于其运量大，排放低的特点而成为了绿色交通的代表。地铁隧道之间的联络通道作为地铁列车故障时人员逃生的救生通道，已经被运用到工程实际上[1-5]。冻结法作为一种有效的联络通道开挖施工方法，许多专家学者对此进行了大量深入地监测与研究[6-11]，但存在的问题是该方法冻结土层需要大量的时间和成本，且冻结对土体加固是临时性质的。

由于冻结法等开挖施工方法的效率较低，成本较高且局限性强，因此人们也一直在探究更有效的方法。而盾构法作为软土地区地下隧道施工的一种常用工法，由于施工方便、高效、安全等特点，逐渐被应用到地铁、公路和铁路工程中。

世界首条盾构法联络通道已被运用到宁波地铁联络通道的开挖上。盾构法挖掘地铁联络通道变为现实，但对于施工过程中引起软土地层移动和地表沉降的原因及机理，人们还缺乏足够的认识和工程实践经验积累，正在进行深入研究，包括试验测试与数值仿真。K.M.Lee和R.K.Rowe[12]发展了一种三维弹塑性有限元法用来模拟施工工序、隧道位移及应力状态对地面沉陷的影响；易宏伟和孙 钧[13]对上海地区软土盾构隧道不同受力阶段以及地表沉降的次结固问题进行了有限元分析；张志强等[14]建立了模拟盾构机（包括刚度、自重和推力）前行掘进隧道的三维有限元模型，并应用在南京地铁隧道工程。目前学者所做的盾构法挖掘隧道的仿真分析很多都缺少测试数据的验证，对盾构法开挖地铁联络通道的研究也相对较少，利用测试与仿真相结合的方法来分析施工过程引起地表沉降的研究更需要进行深入研究。

本文以宁波轨道交通3号线某区间的地铁联络通道开挖为例，通过对盾构法联络通道施工全过程沉降监测、数值模拟及测试与仿真的标定分析，形成了一套真实、可靠、先进的仿真流程，可为联络通道后续沉降监控及其它联络通道施工过程的沉降预测提供支持。

1 工程概况

该联络通道连接宁波轨道交通3号线的两条地铁隧道，是国内贯通的首条盾构法联络通道，同时也是世界上首条采用盾构法施工的轨道交通联络通道。

1.1 联络通道概况

作为两条地铁隧道间的联络通道在目前的轨道交通中有着非常重要的作用。宁波地铁联络通道总体上属于对称结构（见图1）。左右两个地铁隧道为环宽为1.5 m 的三环混合管片构成，其中隧道管片及联络通道管片的厚度分别为350 mm和250 mm。整个联络通道包括始发段及接收端各两环钢管片，中间为19环钢筋混凝土管片。钢结构包括环梁和隧道钢管片。各个管片间都是通过弯螺栓连接而成，钢结构中接缝部分通过焊接进行拼接。

图1 地铁隧道联络通道总体结构图

1.2 施工方法

综合考虑技术的发展和地铁联络通道穿越土层的性质，本次工程采用盾构法进行联络通道的施工。在施工时，采用盾构法挖掘推进并支护，在推进的过程中逐步完成管片衬砌。衬砌管片间分别通过环向和纵向弯螺栓连接，衬砌为通缝拼装。

2 仿真模拟

为了解联络通道的开挖对地表沉降的影响规律，为后续联络通道开挖提供指导性意见，本文进行了地铁联络通道施工过程的仿真模拟及其与测试的标定研究。

2.1 计算模型与边界条件

该联络通道长17 m，隧顶埋深12.3 m。计算模型的上边界取至地面，下至隧道中线以下15.4 m。沿隧道纵向取3环长度，即4.5 m，横向边界取至距离隧道中线41.25 m的位置。据此，有限元模型尺寸为82.5 m×4.5 m×30.8 m。整体模型由整个地铁联络通道及其外表土层组成，包括160350个节点，108812个二阶四面体单元。地铁联络通道有限元模型包含两端隧道部分的钢结构和钢筋混凝土管片，两端各2环钢管片，以及联络通道中间部分的混凝土管片，其中将隧道部分的钢筋混凝土管片简化成一个整体，钢结构中的环梁和2环钢管片简化成一个整体，钢结构中的隧道钢管片简化成一个整体。综合考虑实际施工的逐步开挖和衬砌过程及有限元计算的收敛性，将联络通道19环混凝土管片分为三部分，按从右到左顺序分别是6环、7环、6环混凝土管片。模型底部采用固定约束，其它侧面都约束对应法向位移，上表面地面为自由边界。荷载考虑地应力及开挖和支护等作用，其有限元模型见图2。

图2 地铁联络通道有限元模型

2.2 材料属性

联络通道衬砌块主要为钢管片及钢筋混凝土管片，其各项机械性能参数如表1，其中钢筋混凝土的弹性模量是根据钢筋和混凝土的配筋率折算得到的。

表1 材料的力学性能参数

2.3 施工过程的模拟与仿真分析

（1）施工过程模拟

仿真过程应用摩尔-库伦本构关系进行模拟，采用衰减模量法模拟隧道应力释放。首先完成隧道开挖前的地应力平衡计算（初始工况），然后模拟隧道开挖并铺设隧道管片（工况一），再逐步按联络通道施工过程分多个工况支护、开挖及管片铺设（工况二至工况七）。开挖过程各工况的具体介绍如表2所示，具体进程尺寸见图3。

表2 开挖工况

图3 模拟联络通道施工过程的工况图

（2）各工况的仿真分析

首先是初始工况，进行地应力的平衡计算。对于隧道及地下工程，初始应力场的平衡与否直接影响到后续分析步应力结果的准确性。在大多数地下工程分析中，岩土体的初始应力场即为自重应力场，其竖向应力随深度线性变化，竖向应力和水平应力分别为：

式中：γ为平均重度；k0为静止侧压力系数：

式中：μ为侧膨胀系数。

本文研究的实际工程所在地土层主要为黏土，计算中黏土的γ取17.5 kN/m3，μ=0.34，k0=0.52。

在表2各开挖工况的计算中，考虑计算效率、收敛性及盾构机在联络通道开挖过程中的特殊作用（既占有一部分已经开挖但尚未衬砌管片的空间，又同时对该位置有支护作用），本次仿真将每个工况分成3个分析步，即土体弹性模量的衰减、管片的衬砌及土体的开挖。土体弹性模量先衰减40%，接着激活联络通道管片单元，将管片衬砌上去，最后是彻底将土体去除。各工况都以这三个分析步进行计算，直到联络通道挖通，管片衬砌完毕。

3 结果与讨论

3.1 联络通道开挖横向测点的沉降位移监测

沿着联络通道开挖方向—横向各位置的沉降位移是整个施工进程需要关注的，因此在联络通道中心位置布置地表位移监测点，并以中心位置左右对称各分布4 个测点，与中心位置距离分别为6 m、2.5 m、5 m、5 m。测点号从右至左分别为D5-1～D5-9共9个监测点，见图4。

图4 地表沉降监测点分布俯视图

地表沉降监测跟随整个施工及加固过程，直至联络通道建设完成。图5为各工况下监测点的地表沉降位移变化曲线。由于本文主要讨论盾构法开挖地铁联络通道的施工对地表沉降的影响，因此主要考虑和讨论工况二至工况七。

图5 各工况下监测点的地表沉降位移变化曲线

由图5可见在各工况下，沉降沿横向为一漏斗形曲线，在联络通道正上方地表沉降最大，最大沉降量为21.1 mm，联络通道中心向两侧地表沉降逐渐减小。

3.2 联络通道开挖竖向位移CAE结果分析

（1）各工况结果分析与比较

根据实际施工工况进行了模拟开挖过程的仿真计算，分别得到了工况二至工况七的计算结果。图6为所计算的其中一个工况（工况三）的位移云图。图中显示是工况三完成时地表位移的变化规律，在中间测点D5-5处的沉降位移最大为7.73 mm，其它工况的计算结果变化规律与工况三类似。

图6 联络通道在工况三完成时地表沉降云图

表3为工况三下各测点仿真结果与测试结果的对比。通过对仿真模型上的各测点对应的实测位置绘制各工况的沉降位移曲线，得到各工况下仿真与测试横向各测点的沉降位移对比曲线，见图7。

表3 工况三下各测点仿真结果与测试结果的对比

通过各个工况下仿真结果与测试结果对比分析可见，联络通道开挖各工况下横向各测点沉降位移与测试结果基本趋势保持一致。虽然横向各测点是围绕联络通道地表中点（D5-5）左右对称分布，且两端都有台车支撑，但是沿开挖方向先开挖的位置（D5-1～D5-4）还是在各工况下产生了相对更大的沉降幅值。

图7 各工况下横向测点仿真与测试沉降位移对比曲线

在工况二到工况四的施工进程中，即联络通道开挖并逐步完成始发端环梁和钢管片的衬砌，一直进行到十三环混凝土管片都铺设完毕时，沉降幅值都相对较小，中间部分的监测点的沉降值大于两边，沉降变化曲线相对较缓和。当联络通道土体开挖贯通时（工况五），地表横向各测点沉降幅值大量增加，沉降曲线变化较剧烈。但随着工况六和工况七的进行，横向各测点沉降幅值增大不再明显，沉降逐步趋于稳定状态。

（2）典型点沉降结果分析与比较

以下是以在联络通道开挖线中央上部地表测点D5-5为例进行仿真与测试的对比分析。图8为该点沉降位移随开挖工况（时间）变化的仿真与测试结果对比。结果显示监测点D5-5的沉降位移变化趋势整体呈现增大的趋势，工况四和工况五的进程让沉降幅值加速增大，工况五之后趋于平缓，仿真结果与测试结果趋势较为一致。

图8 定点沉降位移随开挖工况（时间）变化的曲线

由此可见，随着盾构机开挖联络通道，虽然土体有开挖流失，但由于接收端台车支撑和接收端环梁钢管片铺设，地表沉降增大的比较缓慢。当开挖进行到工况四和工况五时，联络通道内部大量的土体开挖流失让沉降幅值加速增大，并在土体完全开挖贯通时几乎达到沉降最大值。但随着管片结构都铺设完成，沉降也逐步平缓，并最终趋于稳定。

尽管由于实际测试的误差以及数值模拟在模型建立、材料参数选取、边界条件等方面的近似处理等原因，致使仿真结果与实测数据没有完全吻合，但是以上仿真结果的变化规律与实测数据变化规律保持一致，且数值较为接近。总体而言，联络通道施工过程位移沉降的模拟基本反映了实际施工开挖过程，且此仿真流程可用于后续联络通道施工过程的监测与细部结构的应力应变子结构分析。

4 结论

本文对地铁联络通道盾构法施工的全过程进行了仿真模拟，并与实际监测数据进行对比分析，两者结果基本吻合。主要得出以下结论：

（1）对盾构地铁联络通道施工过程进行仿真模拟，并成功完成了地表沉降仿真结果与实测数据的对比标定，验证了仿真流程的准确性。

（2）联络通道施工过程各工况下，横向的地表沉降呈U 型，即联络通道正上方沉降最大，两边沉降逐渐减小，沉降最大值为21.1 mm。

（3）随着联络通道开挖的进行，地表沉降逐步增大，而在联络通道土体开挖贯通时的危险工况需要特别关注，此时沉降幅值几乎已经达到最大值。然后随着所有管片结构的铺设完成，结构达到平衡，地表沉降逐步变缓并最终趋于稳定。

（4）本文所建立的分析流程可为后续地表沉降监控及其它联络通道施工过程的沉降预测提供分析数据。