涂 川，張建新

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

土木工程

天津軟土地區(qū)小間距平行隧道盾構(gòu)施工對(duì)地層沉降的影響

涂 川，張建新

(天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384)

以天津地鐵3號(hào)線某區(qū)段平行隧道施工為背景，結(jié)合地層沉降實(shí)測(cè)資料分析，采用有限元程序ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究小間距平行隧道施工對(duì)地層沉降的影響．分析結(jié)果表明：先行隧道單獨(dú)開挖引起的地表橫向沉降與 Peck公式的地表沉降槽形狀類似，先行隧道軸線上方地表沉降最大，遠(yuǎn)離軸線逐漸減小；后行隧道施工對(duì)兩平行隧道中間的土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)效應(yīng)，兩隧道中間位置處豎向位移達(dá)到最大；不同深度處土層的沉降量及影響范圍不同，越靠近隧道軸線位置土體受盾構(gòu)施工擾動(dòng)越大；注漿壓力越大，沉降槽的深度越?。芯拷Y(jié)果對(duì)軟土地區(qū)類似小間距隧道工程施工有一定的借鑒意義．

軟土地區(qū)；小間距；盾構(gòu)施工；地層沉降

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)施工引起地層沉降的研究集中于采用數(shù)值模擬法、基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)法和半經(jīng)驗(yàn)半解析法．研究了單線隧道開挖引起地表、襯砌內(nèi)力以及不同深度處土體變形的規(guī)律[1-4]．目前，小間距平行隧道大量出現(xiàn)，近距離盾構(gòu)施工相互影響的問題，后施工隧道對(duì)地層的二次擾動(dòng)效應(yīng)問題越來越突出，因此，研究小間距平行隧道盾構(gòu)施工對(duì)地層沉降的影響具有重要意義[5-8]．

本文以天津地鐵 3號(hào)線某區(qū)段平行隧道施工為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)測(cè)資料的分析，研究了小間距平行隧道盾構(gòu)施工引起不同深度處土體的變形規(guī)律及不同注漿壓力情況下地表沉降規(guī)律，以期為日后軟土條件下小間距平行隧道施工提供借鑒．

1 工程實(shí)例及計(jì)算模型

天津地鐵3號(hào)線某區(qū)間段位于天津市河北區(qū)，區(qū)間設(shè)計(jì)先行隧道全長(zhǎng) 1 012.3 m，后行隧道全長(zhǎng)943.8 m．盾構(gòu)外徑6.34 m，襯砌采用C50鋼筋混凝土預(yù)制管片拼裝而成．每環(huán)管片長(zhǎng)度1.2 m．該區(qū)間小間距段共計(jì)244 m，最小間距2.48 m，小間距段覆土深度為7～13 m，小間距段平面示意如圖1所示．盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層主要為填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂．

采用ABAQUS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析．模型的幾何尺寸定為橫向80 m、縱向30 m、豎向50 m；側(cè)面約束與其垂直的水平位移，底面約束豎向位移，頂面自由．隧道上邊緣埋深取 10 m，隧道凈間距為2.48 m．土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，襯砌、等代層采用彈性模型．模擬時(shí)首先施加重力進(jìn)行地應(yīng)力平衡，然后開挖左線，分 6步開挖每步開挖5 m，最后開挖右線．為避免尺寸效應(yīng)和邊界帶來的誤差，取距離掘進(jìn)面10 m位置處為考察面．為了便于計(jì)算分析和提高結(jié)果的精細(xì)程度，在隧道附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示．土層及其他材料參數(shù)見表1．

圖3為實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置示意圖，本文參考測(cè)點(diǎn)取L490(1，2，3，4)．圖4為先行隧道開挖時(shí)地表實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，由圖4可以看出，實(shí)際監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬沉降趨勢(shì)相同，數(shù)值基本吻合，說明所建模型及計(jì)算參數(shù)可行．

圖1 小間距段平面示意

圖2 網(wǎng)格劃分示意

表1 模型計(jì)算參數(shù)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)沉降測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4 先行隧道開挖引起考察面各測(cè)點(diǎn)沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

2 平行隧道盾構(gòu)施工引起地層變形規(guī)律分析

2.1 平行隧道施工對(duì)地表橫斷面土體變形影響

先行隧道拱頂上方考察面橫斷面經(jīng)歷不同掘進(jìn)深度時(shí)各測(cè)點(diǎn)的沉降變化情況如圖5所示．表2為土體在橫斷面上的最大位移變化情況．由圖5可知，隨著先行隧道的掘進(jìn)，距掘進(jìn)面10 m處橫斷面的地表沉降曲線分布形狀均與peck公式所表述的沉降槽相似[9]．隧道的開挖影響范圍對(duì)于隧道軸線兩側(cè)5 D(D為隧道直徑)左右影響較大，5 D以外土體基本不受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響．地表最大沉降均發(fā)生在先行隧道軸線位置處；隨著先行隧道掘進(jìn)，隧道軸線處最大沉降量越來越大，曲線槽的寬度變寬；由表2可知，掘進(jìn)第一個(gè)5 m時(shí)，沉降量增大12.5 mm，掘進(jìn)第三個(gè)5 m時(shí)，沉降量增大 3.3 mm，故隨著掘進(jìn)面遠(yuǎn)離考察橫斷面，隧道開挖對(duì)考察面的影響逐漸減小，最終考察面上各測(cè)點(diǎn)位移趨于穩(wěn)定．當(dāng)遠(yuǎn)離2.5 D左右時(shí)，測(cè)點(diǎn)沉降量變化很小，表明此時(shí)考察面基本不受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響．

圖5 先行隧道開挖引起考察面處地表豎向位移

表2 土體橫斷面上的最大位移

在先行隧道開挖土體擾動(dòng)情況下，施工后行隧道引起各測(cè)點(diǎn)的沉降情況如圖6所示．可以看出，后行隧道施工完成后的沉降曲線槽明顯比先行的寬；先行隧道開挖最大沉降處位于先行隧道軸線，而后行隧道開挖最大地表沉降位于左右隧道中線附近，為先行隧道開挖最大值的1.3倍左右．由此可知后行隧道的施工對(duì)平行隧道中間的土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)，使兩隧道中間地層豎向位移增大，表明平行隧道施工對(duì)兩隧道中間土層的擾動(dòng)效應(yīng)比較顯著，因此施工過程中需要重點(diǎn)注意該土層地層變形．

圖6 兩隧道相繼開挖引起考察面處地表豎向位移

2.2 平行隧道施工對(duì)地表縱斷面土體變形影響

在不同開挖狀態(tài)下平行隧道施工，先行隧道軸線上方地表土體的隆沉變化規(guī)律如圖7所示．可以看出，先行隧道開挖5 m時(shí)，在盾構(gòu)位置范圍內(nèi)地表沉降達(dá)到最大，掘進(jìn)面到前方25 m處，地表土體沉降逐漸減小至0，其后遠(yuǎn)離25 m逐漸發(fā)生隆起．由于后行隧道在受先行隧道開挖造成擾動(dòng)的土體中開挖，在后行隧道掘進(jìn)面附近處對(duì)先行隧道中線地表土體沉降影響較大，對(duì)遠(yuǎn)方土體影響較?。治稣J(rèn)為，由于盾構(gòu)向前開挖，刀盤超開挖、盾殼厚度所占空間和管片操作空隙暴露出來，土體受重力作用下發(fā)生下沉，因此，平行隧道開挖時(shí)，不僅需要考慮盾構(gòu)位置處地表沉降和盾構(gòu)前方土體隆起，也需要注意后行隧道對(duì)周圍土體的二次擾動(dòng)．

圖7 先行隧道軸線上方地表土體在不同掘進(jìn)狀態(tài)下的變形規(guī)律

2.3 平行隧道施工對(duì)不同深度處土體變形的影響

圖8、9分別為開挖先行隧道和后行隧道時(shí)考察面不同深度土層的隆沉曲線．可以看出，開挖先行隧道時(shí)，隧道上方土體的最大沉降量隨著土體深度的增加隨之增大，沉降影響范圍隨著土體深度的增加而減小；隧道下方土體發(fā)生隆起，隆起形狀與倒置的peck公式所描述的沉降槽相似，隆起最大值隨著深度增加而減小，隆起范圍隨著深度增加而增大，地層不同深度處土體的最大沉降和隆起均發(fā)生在先行隧道軸線位置處；開挖后行隧道時(shí)，不同深度處土體變形規(guī)律與左線類似，不同深度處土體的最大沉降和隆起均發(fā)生在兩平行隧道中線附近，但沉降量與隆起量均比先行隧道開挖時(shí)引起的大．

圖8 先行隧道開挖引起不同深度處土體的豎向位移

圖9 兩隧道相繼開挖引起不同深度處土體的豎向位移

隨著平行隧道盾構(gòu)施工，不同深度、不同位置處土體的隆沉規(guī)律不同，靠近隧道位置處土體受施工擾動(dòng)比較敏感，遠(yuǎn)離隧道位置處土體擾動(dòng)相對(duì)較?。虼?，隨著城市地下構(gòu)筑物日趨增多和地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)根據(jù)不同位置、不同深度處隆沉規(guī)律進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，避免僅局限于地表沉降的觀測(cè)，忽略施工對(duì)不同深度土層的擾動(dòng)影響．

2.4 不同注漿壓力對(duì)地表沉降的影響

圖10為平行隧道在不同注漿壓力下地表橫斷面的沉降曲線，可以看出，當(dāng)注漿壓力分別為 0.35，0.40，0.45 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降量分別為94.7，86.7，79.2 mm．表明隨著隧道注漿壓力的增大，地表沉降最大值逐漸減?。趯?shí)際施工過程中應(yīng)注意及時(shí)注漿并保證注漿量，避免由于掘進(jìn)過程中盾尾前行土體與襯砌之間間隙暴露時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致的地表沉降．

圖10 平行隧道開挖引起考察面處地表土體的豎向位移

3 結(jié) 論

本文針對(duì)天津地鐵 3號(hào)線某區(qū)段隧道施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了軟土地層小間距平行隧道盾構(gòu)施工過程中不同深度處地層的變形規(guī)律，主要得到以下結(jié)論．

(1)單線隧道的開挖影響范圍對(duì)于隧道軸線兩側(cè)5 D左右影響較大，5 D以外土體基本不受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響；當(dāng)掘進(jìn)面遠(yuǎn)離2.5 D左右時(shí)，考察面位置土體基本不受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響；后行隧道的施工對(duì)平行隧道中間的土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)效應(yīng)，使兩隧道中間地層豎向位移增大．

(2)隨著平行隧道盾構(gòu)施工，不同深度、不同位置處土體的隆沉規(guī)律不同，靠近隧道位置處土體受施工擾動(dòng)比較敏感，遠(yuǎn)離隧道位置處土體擾動(dòng)相對(duì)較??；隨著土體深度的增加，隧道下方土體的最大隆起量減小，隆起范圍增大，隧道上方土體的最大沉降量增大，沉降影響范圍減小．

(3)隧道的注漿壓力對(duì)地表沉降有較大影響，注漿壓力越大，地表沉降最大值越小，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)選擇合適的注漿壓力，以控制隧道周邊和地表土體變形．

［1］ 劉大剛，陶德敬，王明年. 地鐵雙隧道施工引起地表沉降及變形的隨機(jī)預(yù)測(cè)方法[J]. 巖土力學(xué)，2008，29(12)： 3422-3426.

［2］ 孫 闖，張建俊，劉家順，等. 盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力對(duì)地表沉降的影響分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29(11)：68-72.

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Influence of Small Spacing Parallel Shield Tunneling of Tianjin Soft Soil Area on Ground Settlement

TU Chuan，ZHANG Jian-xin
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

With the observed data analysis of ground settlement and the numerical simulation of ABAQUS the influence of the construction of small spacing parallel tunnels on ground settlement in a certain section construction of Tianjin subway line 3 has been studied. The results are as follows: the transverse ground settlement induced by the separate excavation of preceding tunnel is similar to that by the Peck formula and the ground settlement in the axial line of preceding tunnel shows that it is the largest which is gradually deceasing far from the axial line; the construction of subsequent tunnel produces the secondary disturbance to the soil between the two parallel tunnels and then the vertical displacement amounts to the maximum value; the settlement and influence scope are both various with the different soil depths; the disturbance of shield construction becomes heavier when the soil is closer to the tunnel axial line; the larger the grouting pressure is the smaller the depth of settling tank is. The above-mentioned studies can be used as a reference to the construction of small spacing tunnel engineering.

soft soil area；small spacing；shield construction；ground settlement

U455.43

A

2095-719X(2015)06-0400-04

2014-12-15；

2015-01-19

涂 川（1989—），男，河南信陽人，天津城建大學(xué)碩士生.