盾构快速穿越法超浅覆土及负覆土隧道施工预测分析

第21卷第4期2015年8月

（自然科学版）

JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)

Vol.21No.4

Aug.2015

DOI:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.040

盾构快速穿越法超浅覆土及负覆土隧道施工

预测分析

赵辛玮1,马永其1,2,滕丽3

(1.上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海200072;2.上海大学理学院,上海200444;

3.上海城建(集团)公司,上海200122)

摘要:盾构快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技术是一种盾构机从地表直接始发掘进,最后在设定目标地点直接掘进到地表的新型施工方法.以南京机场城轨URUP法隧道示范工程为背景,利用三维非线性有限元方法(finit element method,FEM),对URUP法隧道施工过程进行了数值模拟.预测分析了隧道施工过程中超浅覆土和负覆土区间的地表变形规律、施工影响范围以及最终沉降值.分析结果与实测数据比较吻合,说明了数值模拟的有效性和预测分析的可信性.

关键词:预测分析;盾构快速穿越法;三维有限元模拟;地表沉降

中图分类号:TU447文献标志码:A文章编号:1007-2861(2015)04-0454-13 Predictive analysis on shield tunnel using ultra-rapid

under pass method

ZHAO Xin-wei1,MA Yong-qi1,2,TENG Li3

(1.Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University,

Shanghai200072,China;

2.College of Sciences,Shanghai University,Shanghai200444,China;

3.Shanghai Urban Construction Co.,Ltd.,Shanghai200122,China)

Abstract:Ultra-rapid under pass(URUP)is a new shield construction method.The shield machine directly excavate from surface of the beginning section to the surface of the target location.Based on the demonstration project of Nanjing shield tunnel using the URUP method,the whole shield construction process is simulated with a three dimensional nonlinearfinite element method(FEM).The ground surface subsidence,the affected area, and thefinal settlement of ultra-thin ground coverage and partially out of the ground in the shield process are predicted and parison with the measured data shows that the calculation is reliable.The results provide useful guidance to the project,and may be used as a reference for analysis of similar projects.

Key words:predictive analysis;ultra-rapid under pass(URUP)method;3Dfinit element method(FEM)simulation;ground surface settlements

收稿日期:2014-02-26

基金项目:上海市科委基金资助项目(11231202700)

通信作者:马永其(1966—),男,博士,副教授,研究方向为地下工程及相关力学.E-mail:mayq@staff

第4期赵辛玮,等:盾构快速穿越法超浅覆土及负覆土隧道施工预测分析455

传统的地下盾构隧道施工需要修建施工竖井、地下连续墙,开挖施工引道等.由于基坑和引道等需要大型设备进行施工,施工影响区域和设备本身占地面积大,不仅影响地面交通,而且大型设备施工噪音大,影响周围居民正常生活.为解决上述传统盾构施工方法带来的诸多不便,新的盾构快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技术应运而生[1].在该施工技术中,盾构机从地表直接始发掘进,最后在设定目标地点直接掘进到地表(见图1).由于将隧道和引道一起施工,无需施工竖井和大开挖施工引道,因此,该技术能够有效减少征地、拆迁以及大型机械设备的使用.另外,由于仅在结构段需要进行土体开挖,在减小土体挖方量的同时也进一步减小了对环境的影响,实现了对土体和能源的高效利用.因此,URUP法隧道施工技术是一种具有良好社会经济效益的新型盾构隧道施工方法,有着广阔的应用前景.

URUP法隧道施工技术最早由日本株式会社大林组于2003年提出并开始研发,2008年首次将其应用于实际工程中[1-2].2010年荷兰的Delft理工大学也开始进行相关的理论研究[3]. Keizo等[2]基于对矩形土压盾构地面始发、到达试验段工程的施工研究,验证了URUP法隧道施工技术在矩形盾构隧道掘进中的可行性.Hitonari等[4]介绍了URUP法隧道施工技术的首次实际工程应用—–中央环形品川线(东京都)大井区隧道施工项目.该项目地上道路与地下隧道道路之间的连接段采用了该施工技术,其中圆形断面形式的盾构机首次应用于该工法,并取得了预期效果.Toshiaki等[5]介绍了URUP法隧道施工全过程,列举了该技术的若干关键问题.Yamauchi等[6]以两项URUP法隧道实际工程应用为背景,探讨了盾构机在保持开挖面稳定的条件下,从地面始发大倾角掘进至超浅覆土的施工控制技术.上述文献都是对URUP法隧道施工技术方面的介绍与论述.Brijer[3]将日本的URUP法隧道施工技术进行调整以适应荷兰地下水位埋深较浅的地层环境,分析了该技术与传统盾构法在施工长度不超过250m的地下通道中的应用结果.通过对比研究发现,该技术较常规盾构施工法具有明显的经济优势.张子新等[7]依托URUP法隧道施工技术在我国南京城际快速轨道秣将区间隧道示范工程中的首次应用,探索分析了该方法在工程中主要施工参数的合理选择和有效的控制技术.

图1超浅覆土下URUP法隧道施工示意图

Fig.1Construction of shield tunnel with URUP method

由于数值模拟方法具有能够适应复杂边界条件,可以考虑土体与衬砌的相互作用及土体的非线性特性,分析结果全面详细等优点,更适合规律性研究与总结,因此被广泛运用于盾构法隧道施工研究中.为了模拟盾构施工工序、后续地层位移、隧道开挖周围及地表的应力状态等因素对地面沉陷的影响,Lee等[8-9]发展了一种三维弹塑性有限元方法(finit element method, FEM),给出了非线性问题的求解步骤和适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型.王敏强等[10]运用刚度迁移法模拟盾构推进,采用权刚度修正Goodman单元处理存在两种材料的混合接触刚度.张利民等[11]运用三维有限差分软件FLAC3D,考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素,对盾构掘进施工进行了数值仿真,得到了一定条件下地表沉降槽和纵向地表变形规律.张海波等[12]在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的