□王躍力（河南省水利第一工程局）

雙線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖地表沉降規(guī)律研究

□王躍力（河南省水利第一工程局）

隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，部分土體應(yīng)力的釋放將打破原有土體的應(yīng)力平衡，在新的應(yīng)力場(chǎng)平衡的過(guò)程中，常常伴隨著土層變形。有時(shí)候土層變形過(guò)大，地表沉降引起塌方，嚴(yán)重影響著施工質(zhì)量和作業(yè)人員安全。本文正是基于此，結(jié)合我國(guó)某市地鐵二號(hào)線8標(biāo)工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同間距隧道開(kāi)挖地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究，能夠?yàn)轭?lèi)似工程施工提供一定程度的參考依據(jù)。

雙線；不同間距；地表沉降；規(guī)律

一、引言

目前，為緩解城市交通環(huán)境的壓力、提高市民生活質(zhì)量并促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，修建地鐵已在我國(guó)各大城市廣泛開(kāi)展。然而，隧道開(kāi)挖必然會(huì)打破原有土層的應(yīng)力平衡，引起周?chē)馏w產(chǎn)生較大變形，地表沉降較大，嚴(yán)重的可能引起塌方。比如杭州地鐵塌方。這種影響在雙線隧道開(kāi)挖施工中體現(xiàn)的尤為明顯。因此，研究不同線間距隧道開(kāi)挖時(shí)地表沉降規(guī)律，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、工程概況

某市地鐵二號(hào)線土建8區(qū)間設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1268.4m，盾構(gòu)法施工，線間距20.96～50m。該市屬于北溫帶半濕潤(rùn)的季風(fēng)性氣候，同時(shí)受海洋、大陸性氣候控制。一年中降雨多集中在6～9月份，年平均降雨量為720mm。一年平均氣溫為7～8℃，最高氣溫38.7℃,最低氣溫-33.1℃。

三、計(jì)算模型及參數(shù)選取

土體本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb彈塑性模型。

Mohr-Coulomb屈服面公式為：

式中ψ是q-p應(yīng)力面上Mohr-Coulomb屈服面的傾斜角，稱(chēng)為材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；Rm（cQj）按下式計(jì)算，其控制了屈服面在P平面上的形狀；Q是極偏角，定義為cos（3Q），r是第三應(yīng)力偏量不變量J3。

圖1

圖1給出了Mohr-Coulomb屈服面在子午面和π平面上的形狀，由圖可以比較其與Drucker-Prager屈服面，Tresca屈服面，Mises屈服面之間的對(duì)比。

式中Ψ是剪漲角；cl0是初始粘聚力，即沒(méi)有塑性變形時(shí)的粘聚力。ε為子午面上的偏心率，它控制了G在子午面上的形狀與函數(shù)漸近線之間的相識(shí)度。若ε=0.0，塑性勢(shì)面在子午面上將是一條傾斜向上的直線，ABAQUS中默認(rèn)為0.1。

計(jì)算中采用“生死單元”的方法模擬材料的變換。模型尺寸取100m×60m,隧道埋深27m,開(kāi)挖直徑D=6.24m。所需參數(shù)如

表1：

表1 計(jì)算參考數(shù)據(jù)

四、計(jì)算結(jié)果分析

圖2間距20.96m盾構(gòu)開(kāi)挖地表沉降曲線圖

圖3 間距31.20m盾構(gòu)開(kāi)挖地表沉降曲線圖

計(jì)算結(jié)果表明：從上面的地表位移變化云圖和地表沉降曲線可以看出，單線盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地表的擾動(dòng)在地表沉降主要體現(xiàn)在15m左右的范圍，且地表單線開(kāi)挖的地表沉降一般達(dá)到8mm左右。隧道在右線開(kāi)挖后在短期內(nèi)進(jìn)行左線開(kāi)挖，兩條線水平間距離得越近，地表影響的范圍重疊的越嚴(yán)重，從圖2可以看出，在水平間距20.96m開(kāi)挖時(shí)，重疊后的地表沉降在100天土體固結(jié)后達(dá)到15mm左右，是單線隧道開(kāi)挖100天后沉降的2倍左右，而隨著水平間距的擴(kuò)大，這種重疊效應(yīng)逐漸降低，從圖2、3、4的影響趨勢(shì)可以看出，當(dāng)間距為37.44m時(shí)候，基本相互影響不大。

圖4 不同水平間距盾構(gòu)開(kāi)挖100天后地表沉降曲線圖

五、結(jié)論

（1）盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，土體應(yīng)力釋放，在新的應(yīng)力平衡場(chǎng)下土體顆粒位置發(fā)生改變，地表產(chǎn)生沉降。盾構(gòu)單線開(kāi)挖地表沉降較大范圍分布在15m左右的范圍內(nèi)，且因盾構(gòu)對(duì)土體擾動(dòng)較小，在100天后的單線隧道沉降最大值為8mm以內(nèi)。

（2）盾構(gòu)雙線隧道，一條隧道開(kāi)挖后在短期內(nèi)進(jìn)行第二條隧道開(kāi)挖，土體產(chǎn)生的擾動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生不同程度的疊加。隨著雙線水平間距的減小，這種疊加更加嚴(yán)重，在盾構(gòu)開(kāi)挖水平間距為20.96m時(shí)候，盾構(gòu)引起的地表沉降在100天后趨近于15mm，這是間距為37.44m時(shí)候的1.5倍，單線隧道的2倍。

［1］張?jiān)疲笞跐桑煊栏?《盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析》,巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，V 21（3）388-392.

［2］張慶賀，廖少明，胡向東，楊林德.《隧道與地下工程災(zāi)害防護(hù)》北京：人民交通出版社，2009.

［3］陳衛(wèi)忠，伍國(guó)軍，賈善坡.《A BA Q U S在隧道及地下工程中的應(yīng)用》.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

王躍力(1963-)，男，工程師，從事水利建筑檢測(cè)工作。

2011-07-02