史天龍,薛 偉

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院隧道及地下結(jié)構(gòu)所,天津 300251; 2.天津三建建筑工程有限公司第四分公司,天津 300170)

先建盾構(gòu)隧道變形的影響因素模擬分析

史天龍1,薛 偉2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院隧道及地下結(jié)構(gòu)所,天津 300251; 2.天津三建建筑工程有限公司第四分公司,天津 300170)

以天津地鐵5號(hào)線成林道站—津塘路站區(qū)間出現(xiàn)的上下重疊盾構(gòu)隧道工程為背景,運(yùn)用有限元軟件MIDAS-GTS模擬分析了上下重疊隧道間凈距和土體的彈性模量、粘聚力、泊松比、摩擦角對(duì)先建盾構(gòu)隧道變形的影響。研究結(jié)果表明,雙洞隧道間凈距和土體彈性模量對(duì)先建隧道變形影響最為顯著。

重疊盾構(gòu)隧道;MIDAS-GTS;先建隧道變形;土體參數(shù)

隨著地鐵項(xiàng)目在各大城市相繼開(kāi)發(fā)和建設(shè),地鐵線路穿越城市繁華地區(qū)也越來(lái)越多,受既有重要建(構(gòu))筑物、市政橋梁、保護(hù)遺址等限制,線路采用上下重疊布置方式的雙洞隧道也隨之出現(xiàn)。上下重疊隧道[1,2]由于其雙洞間相對(duì)位置的特殊性,施工難度也隨之增大,特別是在軟土地層條件下,要控制先建隧道的變形,施工難度進(jìn)一步加大,因此分析研究影響先建隧道變形[3,4]的因素尤為重要。結(jié)合天津地鐵5號(hào)線成林道站—津塘路站區(qū)間出現(xiàn)的上下重疊盾構(gòu)隧道[5,6],采用有限元軟件模擬分析了上下重疊隧道間凈距和土體的彈性模量、粘聚力、泊松比、摩擦角[7]對(duì)先建盾構(gòu)隧道變形的影響,以此來(lái)為施工過(guò)程中控制先建隧道變形[8]提供參考依據(jù)。

1 工程概況

天津地鐵5號(hào)線中的成林道站—津塘路站區(qū)間段,線路采用上下重疊方案“先下后上”的施工順序。上下重疊區(qū)間長(zhǎng)1 337 m,上下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最小凈距達(dá)到約2.28 m(＜0.5D),隧道直徑為6.2 m,襯砌管片外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,管片厚度為350 mm,環(huán)寬1.5 m。

計(jì)算分析選取區(qū)間C-J17號(hào)鉆孔資料,斷面巖土自上而下為1-1雜填土、＜4～8＞粉質(zhì)粘土、9-12粉土、＜9～11＞粉質(zhì)粘土、11-2粉土、11-3粉質(zhì)粘土、11-4粉砂。

2 模型概述

模型采用MIDAS-GTS420有限元計(jì)算軟件。為減小邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況,建模范圍取X方向(垂直于線路方向)80 m(約13D),Y方向(線路方向)60 m(約10D),Z方向(豎直方向)50 m(約8D),地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

模型中土體和注漿層均為彈塑性材料,采用遵循德魯克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則;管片為彈性體,采用彈性模型進(jìn)行模擬分析。

邊界條件為:模型側(cè)面和底面為位移邊界,側(cè)面限制水平位移,底面限制垂直移動(dòng),上面為地表,取為自由邊界。

計(jì)算所用材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。為便于數(shù)值模擬,不考慮管片環(huán)向、縱向的連接,而整體作為一環(huán)管片考慮,計(jì)算時(shí)則按修正慣用法對(duì)管片剛度進(jìn)行折減,折減系數(shù)為0.75。

3 先建隧道變形數(shù)值模擬

天津地鐵5號(hào)線中的成林道站—津塘路站區(qū)間采用先下后上的施工順序,后建下洞隧道的施工將引起先建隧道管片產(chǎn)生變形,影響這種變形的因素有很多,包括土體性質(zhì)、雙洞間距、結(jié)構(gòu)類型、盾構(gòu)掘進(jìn)的控制等。我們主要從土體性質(zhì)和雙洞間距這兩個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析。

表1 材料基本參數(shù)Table 1 Material basic parameter

以下將分別從雙洞隧道間凈距h與隧道直徑D之比(h/D)和土體的彈性模量E、粘聚力c、泊松比μ、摩擦角φ這4個(gè)土體參數(shù)對(duì)變形情況進(jìn)行分析。

3.1 雙洞間凈距的影響

研究采用先下后上施工順序,選取土體彈性模量E＝30 MPa、粘聚力c＝15 k Pa、泊松比μ＝0.3、摩擦角φ＝20°,模型采用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)本構(gòu)關(guān)系,分別選取雙洞間凈距為0.5D、1.0D、1.5D、2.0D這4種情況下,后建隧道施工對(duì)先建隧道管片變形的影響情況,具體變化見(jiàn)圖1。

圖1 先建管片變形隨雙洞間凈距變化曲線Fig.1 The curve of initial duct piece deformation with clear distance between close-spaced tunnel

由圖1可以看出,隨著雙洞間凈距的增大,先建隧道管片最大豎向位移呈減小的趨勢(shì),這是由于雙洞間的凈距增大,雙洞的相互影響在減弱,假設(shè)當(dāng)雙洞間凈距可以無(wú)限增大,則這種上下重疊盾構(gòu)隧道后建隧道的施工對(duì)已建隧道的影響可以忽略。

3.2 土體性質(zhì)的影響

土體的強(qiáng)度對(duì)施工過(guò)程中所引起的先建隧道變形有很大的影響。為了準(zhǔn)確的分析出土體對(duì)這種變形影響的靈敏度,在采用先下后上施工順序的情況下,分別改變土體的彈性模量E、粘聚力c、泊松比μ和摩擦角φ的參數(shù)。為了在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行對(duì)比分析,分別取彈性模量E＝30 MPa、粘聚力c＝15 k Pa、泊松比μ＝0.3、摩擦角φ＝20°作為基準(zhǔn),每次僅改變其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

(1)彈性模量E的影響 以先建下洞隧道管片拱頂作為檢測(cè)對(duì)象,選取后建上洞隧道完成一半時(shí),引起下洞管片發(fā)生豎向位移,并對(duì)下洞管片的最大豎向位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖2是在不同彈性模量E時(shí),后建隧道施工引起先建下洞管片最大豎向位移變化的情況。

圖2 先建管片變形隨彈性模量E變化曲線Fig.2 The changing curve of initial duct piece deformation with elasticity modulus

由圖2可以看出,隨著彈性模量E的增大,先建下洞管片的最大豎向位移逐漸減小;當(dāng)彈性模量E增大到一定程度后,再增大彈性模量E對(duì)減小先建下洞管片最大豎向位移的作用越來(lái)越小。隨著上下重疊隧道間凈距的增大,先建下洞管片最大豎向位移逐漸減小;當(dāng)彈性模量增大到一定程度后,先建下洞管片最大豎向位移受雙洞間凈距的影響越來(lái)越小,尤其是當(dāng)E＝60 MPa時(shí),先建下洞管片最大豎向位移幾乎不隨雙洞間凈距的變化而變化。

(2)粘聚力c的影響 圖3為不同土體粘聚力c時(shí),先建下洞管片最大豎向位移的變化情況。由圖3可以看出,土體粘聚力c的改變對(duì)先建下洞管片最大豎向位移的影響很小。先建下洞管片的最大豎向位移隨雙洞間凈距的增大而減小,當(dāng)雙洞間凈距h大于一倍隧道直徑D,先建下洞管片最大豎向位移小于10 mm,后建隧道的施工對(duì)先建隧道管片的影響屬于安全。

圖3 先建管片變形隨粘聚力c變化曲線Fig.3 The changing curve of initial duct piece deformation with cohesive force

(3)泊松比μ的影響 圖4為不同土體泊松比μ時(shí),先建下洞管片最大豎向位移的變化情況。由圖4可以看出,當(dāng)0.1≤μ≤0.3時(shí),泊松比μ的改變對(duì)先建下洞管片最大豎向位移的影響很小;當(dāng)0.3＜μ≤0.4時(shí),隨著泊松比μ的增大,先建下洞管片最大豎向位移有所減小。同時(shí),在泊松比μ一定時(shí),隨著雙洞間凈距的增大,先建下洞管片最大豎向位移呈減小的趨勢(shì)。

圖4 先建管片變形隨泊松比μ變化曲線Fig.4 The changing curve of initial duct piece deformation with Poisson ratio

(4)內(nèi)摩擦角φ的影響 圖5為不同土體內(nèi)摩擦角φ時(shí),先建下洞管片最大豎向位移的變化情況。由圖5可以看出,土體內(nèi)摩擦角φ的改變對(duì)先建下洞管片最大豎向位移的影響很小,而隨著雙洞間凈距的增大,先建下洞管片的最大豎向位移逐漸減小;當(dāng)雙洞間凈距增大到兩倍隧道直徑D時(shí),再增大土體的內(nèi)摩擦角對(duì)先建下洞管片最大豎向位移的改變幾乎沒(méi)有影響。

圖5 先建管片變形隨內(nèi)摩擦角φ變化曲線Fig.5 The changing curve of initial duct piece deformation with internal frictional angle

3.3 先建管片變形影響因素的靈敏度分析

以上分別從雙洞間凈距和土體的彈性模量E、粘聚力c、泊松比μ、摩擦角φ對(duì)先建隧道管片最大豎向位移的變化情況進(jìn)行了分析研究,表2為這5個(gè)影響因素對(duì)先建隧道管片最大豎向位移變化的靈敏度分析結(jié)果。

表2 不同影響因素的靈敏度分析Table 2 Sensitivity analysis of different affecting factors

從表2可以看出,土體泊松比的影響最大,但由于其變化范圍小并且在0.1≤μ≤0.3范圍內(nèi),對(duì)先建隧道管片位移的影響很弱,僅在0.3＜μ≤0.4時(shí),對(duì)先建隧道管片位移的影響才有明顯的變化,因此泊松比μ與其他幾個(gè)參數(shù)不具有可比性。在剩余的4個(gè)影響因素中,對(duì)先建隧道管片位移影響最大的是雙洞間凈距,其次是土體彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c,其中內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響很小很接近。在施工過(guò)程中,增大雙洞間凈距可減小后建隧道對(duì)先建管片變形的影響,但當(dāng)雙洞間凈距達(dá)到1.5倍隧道直徑D時(shí),后建隧道對(duì)先建管片變形的影響很小,再增大雙洞間凈距對(duì)這種影響的改變效果不明顯,且不經(jīng)濟(jì)不合理,因此建議雙洞間凈距控制在1.5D內(nèi)較合理。

3.4 先建管片最大豎向位移表達(dá)式

通過(guò)對(duì)以上5種因素的分析研究,并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn),得出先建下洞管片最大隆起變形表達(dá)式為

其中:ymax為后建上洞施工所引起的先建下洞管片最大隆起量,mm;E為土體彈性模量,MPa;k為無(wú)量綱參數(shù);x為變化參數(shù)。k與x的取值與雙洞間凈距有關(guān),當(dāng)h/D＝0.5時(shí),k＝156,x＝0.77;當(dāng)h/D＝1.0時(shí),k＝122,x＝0.75;當(dāng)h/D＝1.5時(shí),k＝91.9,x＝0.73;當(dāng)h/D＝2.0時(shí),k＝65.4,x＝0.69。圖6為最大豎向位移表達(dá)式曲線。

圖6 先建管片最大豎向位移表達(dá)式曲線Fig.6 The expression curve of inifial duct piece with the maximum vertical displacement

4 結(jié)論

(1)土體的彈性模量E對(duì)先建隧道管片最大豎向位移的影響最大,對(duì)內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c的影響很小。提高土體彈性模量E可以控制先建隧道管片最大豎向位移。

(2)在施工過(guò)程中,增大雙洞間凈距可減小后建隧道對(duì)先建管片變形的影響,但當(dāng)雙洞間凈距達(dá)到1.5倍隧道直徑D時(shí),后建隧道對(duì)先建管片變形的影響很小,再增大雙洞間凈距對(duì)這種影響的改變效果不明顯,且無(wú)法做到經(jīng)濟(jì)合理,因此建議雙洞間凈距控制在1.5D內(nèi)較合理。

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Simulation Analysis of Influencing Factor on Initial Shield Tunnel Deformation

Shi Tianlong1,Xue Wei2
(1.The Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300251,China; 2.Three Houses in Tianjin Construction Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300170,China)

In this text,under the background that there is up and down overlap shield tunnel engineer in Tianjin Subway 5th line from Chenglindao to Jintanglu,based on finite element software MIDAS-GTS,analyze the effect of clear distance between up and down overlap tunnel and elasticity modulus,cohesive force, Poisson＇s ratio and frictional angle of soil body on initial shield tunnel deformation by simulation.The result shows that clear distance between close-spaced tunnel and elasticity modulus of soil body have remarkable effect on initial tunnel deformation.

Overlap shield tunnel;MIDAS-GTS;Initial tunnel deformation;Soil body parameter

U451＋.4

:A

:1004-0366(2016)05-0100-04

2015-06-02;

:2016-06-23.

史天龍(1989-),男,天津人,碩士,助理工程師,研究方向?yàn)樗淼兰暗叵陆Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).E-mail:1002705479＠qq.com.

Shi Tianlong,Xue Wei.Simulation Analysis of Influencing Factor on Initial Shield Tunnel Deformation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):100-103.[史天龍,薛偉.先建盾構(gòu)隧道變形的影響因素模擬分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(5):100-103.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.023.