趙辛瑋, 馬永其,2, 滕 麗

(1.上海大學上海市應用數學和力學研究所,上海 200072;2.上海大學理學院,上海 200444; 3.上海城建(集團)公司,上海 200122)

盾構快速穿越法超淺覆土及負覆土隧道施工預測分析

趙辛瑋1, 馬永其1,2, 滕 麗3

(1.上海大學上海市應用數學和力學研究所,上海 200072;2.上海大學理學院,上海 200444; 3.上海城建(集團)公司,上海 200122)

盾構快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技術是一種盾構機從地表直接始發(fā)掘進,最后在設定目標地點直接掘進到地表的新型施工方法.以南京機場城軌URUP法隧道示范工程為背景,利用三維非線性有限元方法( fi nit element method,FEM),對URUP法隧道施工過程進行了數值模擬.預測分析了隧道施工過程中超淺覆土和負覆土區(qū)間的地表變形規(guī)律、施工影響范圍以及最終沉降值.分析結果與實測數據比較吻合,說明了數值模擬的有效性和預測分析的可信性.

預測分析;盾構快速穿越法;三維有限元模擬;地表沉降

傳統(tǒng)的地下盾構隧道施工需要修建施工豎井、地下連續(xù)墻,開挖施工引道等.由于基坑和引道等需要大型設備進行施工,施工影響區(qū)域和設備本身占地面積大,不僅影響地面交通,而且大型設備施工噪音大,影響周圍居民正常生活.為解決上述傳統(tǒng)盾構施工方法帶來的諸多不便,新的盾構快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技術應運而生[1].在該施工技術中,盾構機從地表直接始發(fā)掘進,最后在設定目標地點直接掘進到地表(見圖1).由于將隧道和引道一起施工,無需施工豎井和大開挖施工引道,因此,該技術能夠有效減少征地、拆遷以及大型機械設備的使用.另外,由于僅在結構段需要進行土體開挖,在減小土體挖方量的同時也進一步減小了對環(huán)境的影響,實現了對土體和能源的高效利用.因此,URUP法隧道施工技術是一種具有良好社會經濟效益的新型盾構隧道施工方法,有著廣闊的應用前景.

URUP法隧道施工技術最早由日本株式會社大林組于2003年提出并開始研發(fā),2008年首次將其應用于實際工程中[1-2].2010年荷蘭的Delft理工大學也開始進行相關的理論研究[3]. Keizo等[2]基于對矩形土壓盾構地面始發(fā)、到達試驗段工程的施工研究,驗證了URUP法隧道施工技術在矩形盾構隧道掘進中的可行性.Hitonari等[4]介紹了URUP法隧道施工技術的首次實際工程應用——中央環(huán)形品川線(東京都)大井區(qū)隧道施工項目.該項目地上道路與地下隧道道路之間的連接段采用了該施工技術,其中圓形斷面形式的盾構機首次應用于該工法,并取得了預期效果.Toshiaki等[5]介紹了URUP法隧道施工全過程,列舉了該技術的若干關鍵問題.Yamauchi等[6]以兩項URUP法隧道實際工程應用為背景,探討了盾構機在保持開挖面穩(wěn)定的條件下,從地面始發(fā)大傾角掘進至超淺覆土的施工控制技術.上述文獻都是對URUP法隧道施工技術方面的介紹與論述.Brijer[3]將日本的URUP法隧道施工技術進行調整以適應荷蘭地下水位埋深較淺的地層環(huán)境,分析了該技術與傳統(tǒng)盾構法在施工長度不超過250m的地下通道中的應用結果.通過對比研究發(fā)現,該技術較常規(guī)盾構施工法具有明顯的經濟優(yōu)勢.張子新等[7]依托URUP法隧道施工技術在我國南京城際快速軌道秣將區(qū)間隧道示范工程中的首次應用,探索分析了該方法在工程中主要施工參數的合理選擇和有效的控制技術.

圖1 超淺覆土下URUP法隧道施工示意圖Fig.1 Construction of shield tunnel with URUP method

由于數值模擬方法具有能夠適應復雜邊界條件,可以考慮土體與襯砌的相互作用及土體的非線性特性,分析結果全面詳細等優(yōu)點,更適合規(guī)律性研究與總結,因此被廣泛運用于盾構法隧道施工研究中.為了模擬盾構施工工序、后續(xù)地層位移、隧道開挖周圍及地表的應力狀態(tài)等因素對地面沉陷的影響,Lee等[8-9]發(fā)展了一種三維彈塑性有限元方法( fi nit element method, FEM),給出了非線性問題的求解步驟和適用于三維隧道分析的彈塑性土體本構模型.王敏強等[10]運用剛度遷移法模擬盾構推進,采用權剛度修正Goodman單元處理存在兩種材料的混合接觸剛度.張利民等[11]運用三維有限差分軟件FLAC3D,考慮了盾構機、注漿壓力、土倉壓力等因素,對盾構掘進施工進行了數值仿真,得到了一定條件下地表沉降槽和縱向地表變形規(guī)律.張海波等[12]在全面分析土壓平衡式盾構施工過程中影響周圍土體變形各主要因素的基礎上,提出了一種能夠綜合考慮各種因素的盾構施工三維非線性有限元模擬方法.李曙光等[13]使用有限差分軟件FLAC3D 模擬分析了地鐵盾構法隧道施工誘發(fā)的地面沉降.朱合華等[14-15]在有限元分析中考慮了盾構襯砌接頭的轉動效應和盾尾注漿材料在施工中由液態(tài)向固態(tài)轉化的凝固過程,采用注漿材料的變剛度等效法來模擬其力學變化,并對在均布和非均布注漿壓力下,土壓力及襯砌內力的計算值與實測值作了比較分析,發(fā)現非均布條件下的計算值較均布條件更接近實測值.尚國慶等[16]采用非線性有限元分析軟件Abaqus,對超大型泥水平衡盾構在淺覆土工況下的施工過程進行了非線性有限元三維仿真模擬.模型較全面地考慮了盾構施工過程中土體、盾構、管片和漿體之間的相互作用,較好地反映了泥水平衡盾構的實際施工過程.寧寅等[17]運用有限元分析軟件Abaqus模擬了泥水盾構沿弧線下穿已有隧道的施工過程,分析并預測了盾構施工對已建隧道和地表的影響.上述文獻都是針對盾構在深埋掘進工況下施工過程的數值模擬.

然而,從圖1可以看出,在URUP法隧道施工過程中盾構的上覆土厚度是變化的,其整個施工過程將經歷負覆土(盾構機部分掘出地表)、超淺覆土(上覆土厚度小于0.5D,其中D表示隧道直徑diameter)、淺覆土等施工區(qū)段,其中超淺覆土和負覆土施工階段是傳統(tǒng)盾構施工中不曾遇到的問題.由于覆土極淺,土體擾動較深埋施工明顯,因此極易造成土體破壞,給施工帶來很大困難.朱合華等[18]運用MARC分析系統(tǒng)對某污水管道超淺埋盾構法隧道施工過程進行了三維有限元數值模擬,重點分析了盾構襯砌變形及錨桿受力.張所明等[19]使用有限元數值分析,計算了外灘通道工程淺覆土大盾構施工產生的豎直沉降和水平位移,分析了對鄰近已建建筑物的影響.吳惠明等[20]基于上海軌道交通9號線某區(qū)間隧道超淺覆土條件下的典型工況,通過對其工程監(jiān)測試驗、施工參數以及控制技術措施的有效性進行分析,得出了對超淺覆土施工有效的控制技術措施.陳林[21]對某地鐵出入段線盾構法隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數據進行了分析,探討了盾構施工小半徑、淺覆土始發(fā)引起的地表沉降規(guī)律、沉降槽分布形式及其影響范圍、沉降隨時間發(fā)展規(guī)律、沉降量概率分布的統(tǒng)計分析等.上述關于淺埋隧道施工問題的研究工作大多是對施工參數以及監(jiān)測試驗數據的統(tǒng)計分析為主.

本研究以國內首次應用URUP法隧道施工方法的南京機場城軌隧道示范工程為背景,對URUP法隧道施工過程進行了三維非線性數值模擬,主要針對超淺覆土和負覆土區(qū)間隧道施工過程的地表變形規(guī)律以及施工影響范圍進行相關預測,分析了盾構掘進過程中超淺覆土和負覆土區(qū)間地表變形的特點,以期對工程實施起到一定的指導作用.

1 工程概況

1.1 工程背景

如圖2所示,南京機場城際快速軌道位于將軍路站至秣陵站之間的隧道,由地下段和地上段組成,符合URUP法隧道新技術實施的需要.因此,將該區(qū)段作為URUP法隧道示范工程.本研究即是對該示范工程自地下段至地上段區(qū)間施工過程的地表沉降及其影響范圍進行預測分析.

1.2 地質條件

根據地質勘測資料,本工程沿線地層分布從上到下的次序如下:①-2層壓實填土,厚度一般在1.2～5.2m,工程地質性能一般;下伏④-1b1粉質粘土,硬塑,中壓縮性,工程地質性能較好;坳溝段上部分布②-1b2層粉質粘土,可塑為主,局部硬塑狀態(tài),強度中等,工程地質性能較好;②-3c1-2層粉土,濕,密實狀態(tài),局部中密,強度中等,工程地質性能一般;下部分布④-1b1.基底主要為侏羅系龍王山組安山巖:J3l-1全風化安山巖,風化強烈,砂土狀夾碎塊狀,局部粘土化,工程地質性能變化較大,土質一般;J3l-2強風化安山巖,巖芯呈塊狀,工程地質性能較好;J3l-3中風化安山巖,巖芯呈柱狀,工程地質性能好.圖3為本工程隧道縱斷地質剖面圖.各巖土層具體的物理力學性能參數如表1所示.

圖2 示范工程地理位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the geographical position of the demonstration project

圖3 隧道縱斷地質剖面圖Fig.3 Longitudinal geologic section of tunnel

表1 巖土層的基本物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

2 有限元模型及模擬方法

2.1 模型建立及參數擬定

示范工程采用自主研發(fā)的土壓平衡式盾構機.盾構機長為7.92m,盾殼外徑為6.34 m,盾殼厚為7 cm,刀盤外徑(切削直徑)為6.38 m.襯砌采用預制鋼筋混凝土管片,混凝土強度等級為C50,管片環(huán)外徑為6.2 m,內徑為5.5 m,管片寬為1.2 m,厚為0.35 m.模型中盾殼、襯砌單元均采用線彈性材料本構,相應的力學指標如表2所示.

由圖3所示的隧道縱斷地質剖面圖可見,示范工程沿線所處的巖土層豎向分布不均勻,因此,本研究建立了接近真實巖土層分布環(huán)境的三維有限元模型,使數值模擬過程更接近真實工況.圖4為用Abaqus軟件建立的有限元模型.

表2 盾殼、襯砌模型的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of shield and lining

圖4 地層分布及三維有限元網格圖Fig.4 Strata distribution and 3D FEM mesh

該模型尺寸沿隧道縱軸向(x軸方向)長為150 m,隧道橫軸向(z軸方向)為60 m,豎向(y軸方向)為30m.模型共有230687個單元,節(jié)點總數為249392,其中線性六面體非協(xié)調模式單元(C3D8I)228 542個,放坡面局部采用二次四面體修正單元(C3D10M)2 145個.

計算模型的邊界條件如下:上表面取為自由邊界,側面限制水平方向移動,放坡面無位移約束條件;底部固定;根據實際工況,盾構在出洞段部分,在盾殼單元底部限制其豎向位移.

模型中巖土體的力學性能指標如表1所示.與盾殼、襯砌單元不同的是,巖土體是典型的“摩阻”型材料,其強度與所處的壓力狀態(tài)具有非常密切的關系.因此,在盾構穩(wěn)態(tài)掘進的數值模型中,土體采用彈塑性材料本構,其屈服準則服從Drucker-Prager準則.

在數值模擬過程中,將一些與施工過程密切相關但又不易量化的變量(如盾尾空隙大小、注漿充填程度、隧道壁面土體受擾動的程度和范圍等)概化為均質、等厚的等代層.用等代層替換襯砌周圍實際的土層能較客觀地反映這些不易量化的因素對地表位移的綜合影響.具體方法如下:在襯砌結構周邊采用均質、等厚、彈性的等代層替換襯砌周圍實際的土層,讓其產生的地表沉降等效于考慮盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填和隧道壁面受擾動等多種施工因素造成的地表沉降,從而使一些不易量化的因素在計算模型中得以實現.等代層按線彈性材料計算,其參數根據張云等[22]的反分析結果,結合地層特性、隧道管徑和注漿情況等因素綜合確定.模型中等代層的物理力學參數如表3所示.

表3 等代層的物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of equivalent layer

2.2 URUP法隧道施工過程的三維有限元模擬方法

考慮到超淺覆土、負覆土下盾構掘進施工對土體擾動效應增大,URUP法隧道施工過程的數值模擬共采用如下6個步驟.

(1)初始地應力的計算與平衡.首先,“殺死”盾構、管片、等代層單元,僅就土體單獨施加重力,計算初始地應力場.然后,將初始地應力場施加于模型,進行地應力平衡.由于本工程有限元模型較復雜,土層分布不規(guī)則,初始地應力平衡采用導入地應力場文件的方法進行.

(2)施加開挖面壓力,對欲開挖土體進行應力釋放.刀盤前方欲開挖土體由于受到刀盤的推力和扭矩作用,土體受擾動后應力釋放.考慮到盾構在超淺覆土、負覆土工況下掘進施工對土體擾動效應增大的特點,模擬過程在對欲開挖土體單元進行剛度折減的同時再進行一定的密度折減.

(3)土體開挖,“殺死”開挖土體,同時激活盾構單元.“殺死”刀盤前方欲開挖土體,同時激活相應盾構單元,施加開挖面土倉壓力和盾殼與土體的相互作用.盾殼與土體的相互作用采用硬接觸模擬.

(4)管片安裝,“殺死”盾尾盾構單元,同時激活襯砌(管片)單元和初始等代層,施加盾尾注漿壓力.模擬注漿效果對盾尾空隙的填充作用.

(5)等代層硬化.改變初始等代層的單元材料屬性為凝結硬化,同時卸載盾尾注漿壓力.

(6)循環(huán)步驟(2)～步驟(5).

計算步長采取每步長向前掘進一個襯砌(管片)單元的寬度(1.2 m),模擬過程為盾構從始發(fā)位置(第1環(huán))掘進至到達地表(盾構推進至第90環(huán))再到第90環(huán)等代層凝結硬化(盾構推進至第99環(huán),盾尾共92環(huán)管片),共計計算載荷步191步.由于在盾構實際施工時,盾尾注漿硬化需要一定的時間,因此本工程在數值模擬時假定管片脫出盾尾2環(huán)以后,注漿硬化完成,開挖面壓力及盾尾注漿壓力采用面荷載施加到相應的單元面上.整個數值模擬計算過程利用Abaqus有限元分析軟件進行.

2.3 非線性計算

為了預測URUP法示范工程安全穩(wěn)定的施工過程,本研究模擬計算了采用穩(wěn)定平衡的開挖面土壓力進行整個施工過程的開挖,計算中同時施加重力、盾殼與土體的摩擦力及盾尾注漿壓力.

在每一個計算載荷步中建立如下的非線性有限元求解方程:

式中,Kep(a)為彈塑性剛度矩陣,a為位移向量,Δa為位移增量向量,ΔQ為載荷增量向量.

采用Newton-Raphson迭代方法求解方程(1).計算時將載荷向量P分為若干個微小增量ΔP,對于結構每次受到的一個微小載荷增量ΔP,已知初始結構位移為a0,初始結構載荷為P0,結構載荷P1=P0+ΔP.令a=a0,ΔQ=ΔP,代入方程(1)可計算出關于結構在這一步增量后的位移修正值Δa0:

于是得到第一次近似解a1=a0+Δa0,定義殘差值為

令a=a1,ΔQ=R1,代入方程(1)～(3)即可得到修正值Δa1、第二次近似解a2及殘差值R2.重復上述迭代,可得到第n次近似解an及殘差值Rn:

3 模型可靠性驗證

考慮到地表沉降不會在盾構開挖后立即穩(wěn)定,以盾構掘進40環(huán)以內的地表沉降計算結果進行模型驗證,將模擬計算結果與施工中布設的相應沉降監(jiān)測點的采集數據進行對比.施工中的縱向沉降監(jiān)測點由始發(fā)端每3環(huán)(間距3.6 m)位置布設一個.相應地,在若干縱向監(jiān)測點位置處垂直于隧道軸線方向布置橫向監(jiān)測點,橫向監(jiān)測點大致對稱地布置在軸線兩側,每隔2～3 m布設一個.

盾構掘進完成40環(huán)(48 m)后,隧道縱斷面的沉降分布云圖如圖5所示,模型模擬計算的地表沉降數據與實測值的比較如圖6所示.

圖5 掘進至第40環(huán)(48m)時,距離地層豎向的位移分布云圖Fig.5 Vertical ground contour displacement when excavated to the 40th ring(48m)

圖6 掘進至第40環(huán)(48 m)時,隧道軸線縱向地表沉降曲線與已有監(jiān)測值的比較Fig.6 Comparison between simulated longitudinal subsidence curve and monitoring data of the ground surface when excavated to the 40th ring(48 m)

由于距工作面后方25 m位置處的地表沉降基本趨于穩(wěn)定,圖6中自始發(fā)位置(坐標原點)至隧道軸線距離23 m之間的曲線分布可視為隧道縱軸線穩(wěn)定的地表沉降曲線.可以看出,盾構機在該區(qū)段正常掘進時,模型模擬的計算結果與實測數據較為接近,計算所得的地表穩(wěn)定沉降值與實測數據也基本相吻合.

圖7分別給出了第15和33環(huán)橫斷面地表沉降分布數值模擬計算結果與實測數據的對比結果.可以看出,橫斷面中心處地表累計沉降值最大,切口上方兩側有輕微隆起,沉降量、隆起量沿隧道中心線呈對稱分布,沉降主要分布在距軸線兩側各10 m范圍內,距軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.模型模擬計算所得橫向沉降區(qū)域與實測沉降范圍比較接近,累計沉降最大值的計算結果與實測結果也吻合得較好.

圖7 橫向沉降計算值與監(jiān)測值的比較Fig.7 Comparison between simulated transverse settlements and monitoring data of the ground surface

綜上,通過比較模型模擬計算得到的隧道縱、橫斷面地表沉降曲線與實測的沉降數據發(fā)現,計算結果較好地吻合了盾構隧道施工所造成的實測地表沉降.這表明本研究所建立的針對URUP法隧道施工的三維非線性有限元模型及模擬計算方法是有效可行的,由此所得出的預測計算結果也是合理可信的.

4 預測分析

4.1 地表沉降預測分析

圖8 掘進至第60環(huán)(72 m)位置時的地層位移云圖Fig.8 Ground contour displacement when excavated to the 60th ring(72 m)

圖9 掘進至第60環(huán)(72 m)位置時,隧道軸線上方縱向地表沉降位移曲線Fig.9 Simulated longitudinal subsidence curve of the ground surface when excavated to the 60th ring(72 m)

圖8為盾構機掘進至第60環(huán)(72 m)位置處,隧道縱斷面地層位移云圖.圖9為模擬計算開挖至第60環(huán)(72 m)位置處,隧道軸線上方縱向地表沉降計算結果.此時盾構掘進至隧道覆土厚度約0.5D處.總體來看,地表沉降不明顯.此后,盾構掘進將進入超淺覆土區(qū)間.

圖9所示為盾構出洞后地層沉降穩(wěn)定(最后一環(huán)等代層單元硬化)時,隧道軸線上方縱向地表沉降數值計算結果.由于盾構機于90 m附近位置處已掘出地表,故后續(xù)負覆土掘進區(qū)間無地表沉降的計算結果.

從圖9和10中隧道軸線上方地表沉降計算結果可以看出,盾構機在正常掘進過程和隧道整體施工完畢后所引起的地表沉降量基本控制在2～6 mm之間,沉降值較小主要與盾構掘進過程所經歷的巖土層(粉質粘土、粉土和全風化安山巖等)工程地質性能較好有關.距盾構始發(fā)端15～40 m位置區(qū)間范圍內的地表沉降值比較小(見圖9,該段曲線呈輕微隆起狀),其原因主要是因為盾構機于該區(qū)間掘進所經歷的土層主要為工程地質性能較好的粉質粘土和安山巖(見圖3),因此其沉降值較其他位置小.盾構始發(fā)階段15 m范圍內的地表沉降量較大,最大值出現在盾構始發(fā)位置處,約為5.5 mm.

圖10 隧道軸線上方縱向地表最終穩(wěn)定沉降位移曲線Fig.10 Simulated longitudinal subsidence curve of the ground surface when eventually stabilized

4.2 超淺覆土區(qū)間沉降變化規(guī)律預測分析

本研究將超淺覆土掘進區(qū)段模擬過程第79環(huán)(覆土厚度約為0.1D)位置處的斷面作為預測基準面,分析了該超淺覆土區(qū)段數值模擬的沉降結果隨時間發(fā)展的差異.將示范工程的深埋掘進區(qū)段第15環(huán)(覆土厚度約為0.75D)位置處的斷面作為參考斷面,分析對比了超淺覆土(見圖11(a))與深埋覆土(見圖11(b))隧道施工沉降隨時間發(fā)展規(guī)律的異同.

圖11中的橫坐標代表計算點到開挖面的距離.當基準面為開挖面時位于圖中橫坐標0處.圖中自右向左從正值減少到0表示盾構機開挖面與基準面距離逐漸接近;從0減少到負值則表示盾構通過并逐漸遠離基準面.

圖11 隧道開挖過程中不同位置處的地表沉降計算結果Fig.11 Simulated subsidence curves of the ground surface during tunnel excavation

從圖11(a)的數據結果可以看出:超淺覆土下掘進對縱向地表的顯著影響區(qū)域為刀盤前方10 m至盾構刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上;刀盤后方20 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定,最大累計沉降值在3 mm以內.參考圖11(a)中斷面沉降量計算結果隨時間的發(fā)展過程可以看出,變化過程可大體分為如下3個階段.

(1)輕微隆起,可由圖中盾構機開挖面前方約4～10 m之間地表所產生的輕微隆起得到.該階段的隆起發(fā)展趨勢總體表現為由距基準面較遠處的變化緩慢到臨近5m處的快速發(fā)展,其中開挖面前方隆起約0.1 mm.該階段所產生的隆起主要是由盾構掘進推力與開挖面前方土壓力失衡所致.

(2)盾構通過沉降,可由圖中盾構機刀盤至盾尾整體通過基準斷面前后沉降差值約為2.5 mm的結果得到.該階段的沉降發(fā)展趨勢總體表現為快速增長.該階段所產生的沉降主要是盾構掘進過程對土體的擾動,以及由于盾構的刀盤外徑(切削直徑)往往稍大于盾殼直徑所引起的地層損失使土體應力釋放所致.

(3)盾尾空隙沉降,可由圖中盾尾通過基準斷面之后所引起的約0.5 mm的沉降量結果得到.該階段的沉降發(fā)展趨勢總體表現為由盾尾后方附近沉降值的快速增長到距盾尾后方約10 m處的沉降發(fā)展變化減緩,并逐漸趨于穩(wěn)定.該階段所產生的沉降主要是盾構尾部的建筑空隙致使其周圍土體應力釋放引起土體產生彈塑性變形所致.

從以上隧道沉降隨時間發(fā)展規(guī)律的有限元計算結果可以看出,超淺覆土區(qū)間由盾構掘進引起前方土體卸荷導致的地面沉降量占地表最大沉降量的30%左右,大部分地面沉降是由盾構通過以及盾尾后的建筑空隙引起的.開挖面后方地表沉降隨盾構推進開挖面距離的增加逐漸趨于穩(wěn)定,在盾構開挖面后方約20 m的位置,地層沉降基本趨于穩(wěn)定.

根據上述計算結果,在總結和分析超淺覆土隧道施工引發(fā)地面沉降規(guī)律的基礎上,對比了示范工程的深埋覆土隧道施工情況,分析了二者沉降規(guī)律的異同.

從圖11(b)中的計算數據結果可以看出,示范工程的深埋覆土下盾構掘進的縱向主要影響區(qū)域為刀盤前方15 m至盾構刀盤后方30 m,其中顯著影響區(qū)域為刀盤前方10 m左右至盾構刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上.刀盤后方25 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定,最大累計沉降量在5 mm以內.從參考斷面沉降量計算結果隨時間的發(fā)展過程可以看出,盾構于深埋覆土區(qū)段掘進其縱向地表沉降過程(見圖11(b),覆土厚度約為0.75D)與盾構于超淺覆土(見圖11(a),覆土厚度約為0.1D)的發(fā)展趨勢及速率大體一致,整個過程亦可分為3個階段,分別為開挖面前方沉降(或隆起)階段、盾構通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.

綜上可以得到,除地表沉降量、縱向地表的顯著影響區(qū)域以及盾尾后方的沉降穩(wěn)定距離不同外,盾構超淺覆土掘進與盾構深埋覆土掘進地表縱向沉降發(fā)展趨勢及速率基本一致,整個過程均可分為3個階段:開挖面前方沉降(或隆起)階段、盾構通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.

4.3 負覆土區(qū)間影響范圍預測分析

將負覆土掘進區(qū)段模擬過程第85和87環(huán)(覆土厚度約為—0.3D)斷面位置作為預測基準面.由于在負覆土工況下,盾構機與襯砌結構部分已掘出地表,故在負覆土區(qū)間以沉降穩(wěn)定時數值模擬計算得到的地表橫斷面沉降曲線分布結果進行施工影響范圍的預測分析(見圖12).

圖12 橫斷面地層豎向位移分布云圖Fig.12 Vertical ground contour displacement

圖13分別為第85和87環(huán)(覆土厚度約為—0.3D)斷面位置處變形穩(wěn)定后的橫斷面地表隆沉有限元計算結果.可以看出,橫斷面隆沉曲線在臨近襯砌位置處的地表輕微隆起,隆起量在1.2 mm左右;在襯砌位置與距隧道軸線約10 m范圍內沉降值急劇減小而后曲線趨于平緩;在遠離隧道軸線,距隧道軸線約15 m以外地表基本無隆沉.因此,負覆土區(qū)間盾構施工引起的土體變形規(guī)律為臨近襯砌位置處地表出現輕微隆起,隆起量沿著隧道中心線呈對稱分布,隆起范圍主要分布在距隧道軸線兩側各15 m范圍內,距隧道軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.

圖13 橫向隆沉計算值Fig.13 Simulated transverse settlements of the ground surface

5 結論

(1)本研究以國內首個URUP法隧道施工技術的實際工程為背景,對URUP法隧道施工過程進行了有限元建模與數值模擬,預測了超淺覆土和負覆土區(qū)間盾構法隧道施工過程的地表變形規(guī)律以及施工影響范圍.

(2)基于三維非線性有限元數值計算,預測了示范工程的地表沉降結果.由于盾構掘進區(qū)間的巖土層工程地質性能較好,最終的地表沉降量并不大,最大沉降出現在盾構始發(fā)段.

(3)預測分析了超淺覆土區(qū)段掘進其縱向地表沉降隨時間的發(fā)展過程,可分為3個階段:開挖面前方隆起階段、盾構通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.超淺覆土區(qū)段以穩(wěn)定平衡土壓掘進的縱向顯著影響區(qū)域為刀盤前方10 m左右至盾構刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上,刀盤后方20 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定.

(4)預測了負覆土區(qū)段以穩(wěn)定平衡土壓掘進時,盾構施工的影響范圍分布在距軸線兩側各15 m范圍內,距軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.

(5)比較了地表沉降的計算結果與實測數據,發(fā)現計算結果較好地吻合了盾構隧道施工實測結果.這說明本研究所采用的三維有限元模型及模擬方法能夠很好地模擬URUP法隧道掘進施工對土體變形的影響,驗證了示范工程預測分析結果的有效性和可信性.

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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, Shanghai 200072,China; 2.College of Sciences,Shanghai University,Shanghai 200444,China; 3.Shanghai Urban Construction Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)

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 nonlinear fi nite element method(FEM).The ground surface subsidence,the a ff ected area, and the fi nal settlement of ultra-thin ground coverage and partially out of the ground in the shield process are predicted and analyzed.Comparison 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.

predictive analysis;ultra-rapid under pass(URUP)method;3D fi nit element method(FEM)simulation;ground surface settlements

TU 447

A

1007-2861(2015)04-0454-13

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.040

2014-02-26

上海市科委基金資助項目(11231202700)

馬永其(1966—),男,博士,副教授,研究方向為地下工程及相關力學.E-mail:mayq@sta ff.shu.edu.cn