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        富水圓礫地層地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有管線變形影響規(guī)律分析

        2019-08-19 00:40:30
        城市軌道交通研究 2019年7期
        關(guān)鍵詞:右線模擬計(jì)算盾構(gòu)

        高 濤

        (北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,100101,北京//高級(jí)工程師)

        地鐵盾構(gòu)隧道施工大多處于較為繁華的地帶,周邊建筑物及錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)給地鐵隧道的安全施工帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),因此研究地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近管線的變形影響規(guī)律具有重要工程應(yīng)用價(jià)值[2]。本文采用有限差分法,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)就南寧地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)不同距離的既有管線變形的影響規(guī)律,提出相應(yīng)的控制措施,以此來保證富水圓礫地層區(qū)既有管線的正常使用和地鐵盾構(gòu)隧道的施工安全。

        1 工程背景

        1. 1 工程概況

        以南寧軌道交通2號(hào)線某富水圓礫地層雙線隧道區(qū)間為工程背景。該區(qū)間總長(zhǎng)為588.48 m,盾構(gòu)外徑為6 180 mm,線間距為16.0~16.9 m,隧道埋深為11.4~16.4 m。雙線隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工方式先后進(jìn)行開挖,并配備換刀和防噴涌裝置。富水圓礫地層盾構(gòu)施工時(shí),掌子面不穩(wěn)定易坍塌,存在碰到漂石或孤石的概率,因此采取了以下措施:①改良渣土顆粒級(jí)配,以增加其流塑性,降低透水性,減小刀盤摩擦與扭矩;②提高刀具破巖和耐磨能力,提高帶壓進(jìn)倉(cāng)和常壓進(jìn)倉(cāng)等相關(guān)預(yù)項(xiàng)方案實(shí)施的安全性;③先施工左線,后施工右線。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)與區(qū)間隧道平行、垂直的既有管線較多,分別位于主干道和交叉路口的下方。隧道區(qū)間的不同斷面都存在既有管線,其中:給水管線中心埋深為1.5 m,采用DN 800 mm預(yù)應(yīng)力混凝土管;污水管線中心埋深為5.5 m,采用DN 800 mm鋼筋混凝土管。兩種管道壁厚均為10 cm,且與隧道垂直。地鐵區(qū)間隧道與管線的相對(duì)空間位置剖面見圖1。

        圖1 地鐵區(qū)間隧道與管線的相對(duì)空間位置剖面圖

        1. 2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

        該區(qū)間場(chǎng)地位于為邕江低級(jí)階地,場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)起伏不大,分布有厚狀圓礫層,該土層有地下水的良好通道,與邕江水聯(lián)系密切,并具有富水性好、透水性好、水量大且略具承壓性等特點(diǎn)。區(qū)間隧道主要穿越的土層為圓礫層,隧道上方的土層依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及礫砂;隧道下方的土層為粉砂質(zhì)泥巖,最大勘察深度為41.5 m,水位埋深為4.3~18.0 m,標(biāo)高為56.66~72.17 m。各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 地鐵隧道區(qū)間地層物理力學(xué)參數(shù)表

        2 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)值模擬計(jì)算

        2. 1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

        按照工程監(jiān)測(cè)等級(jí)劃分要求,綜合評(píng)定本工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)。道路地表及管線的監(jiān)測(cè)范圍均取1.0倍隧道埋深?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

        2. 2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

        采用有限差分FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,模型沿隧道橫向取64.0 m,沿隧道縱向取60.0 m,高度取36.0 m,模型尺寸為64.0 m×60.0 m×36.0 m。根據(jù)管線所在位置不同,分別建立管隧垂直下管線埋深變動(dòng)的三維計(jì)算模型,如圖3所示。模型中的巖土體材料按彈塑性理論并符合摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,盾構(gòu)隧道的管片與管線采用shell單元進(jìn)行模擬。

        圖2 地鐵區(qū)間隧道和管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

        圖3 地鐵區(qū)間隧道與管線的三維計(jì)算模型

        2. 3 邊界條件和模型參數(shù)

        設(shè)置模型邊界條件為:前后及兩側(cè)約束水平位移;底面邊界約束水平和豎向位移;模型上邊界為地表,其為自由邊界。地下水位取-4.5 m,為使模型與實(shí)際施工過程相接近,采用2組環(huán)形單元體近似代替隧道管片和壁后注漿,其厚度分別為300 mm和125 mm;支護(hù)力取0.21 MPa,注漿壓為0.2 MPa。模型中的材料單元力學(xué)參數(shù)見表2[6]。

        表2 管片、注漿層和管線的力學(xué)參數(shù)

        2. 4 盾構(gòu)施工的模擬方法

        盾構(gòu)施工過程即隨著盾構(gòu)推進(jìn)隧道土體被開挖而使周圍土體因擾動(dòng)產(chǎn)生位移的過程。為了使模擬過程與實(shí)際過程相吻合,此次模擬考慮超挖、注漿壓及漿液初凝與終凝時(shí)間,根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)度,分別在第4和第8環(huán)認(rèn)定為初次硬化和最終硬化;整個(gè)施工過程都在恒定支護(hù)力下進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)開挖,激活管片單元同時(shí)進(jìn)行土體應(yīng)力的釋放。該模型盾構(gòu)掘進(jìn)方向施工總長(zhǎng)60.0 m,每步長(zhǎng)1.5 m,分為40步進(jìn)行開挖。

        3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        3. 1 同直徑、不同埋深下管線的沉降規(guī)律

        在數(shù)值模擬計(jì)算中,在處于不同深度的管線位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過數(shù)值模擬計(jì)算,各種工況下管線最終沉降量,左、右線隧道貫通后的管線沉降量如圖4所示。

        圖4 左、右線隧道貫通后管線沉降量變化模擬曲線

        左線隧道貫通后,隨著管線與隧道的間距逐漸減少,管線的最大沉降量逐漸增加,最大沉降量出現(xiàn)在左線隧道正上方;隨著隧道管線埋深增加,管線受到地層沉降槽的影響增大,管線最大沉降值增大,最小沉降值減小,導(dǎo)致管線內(nèi)力增加。右線隧道的開挖使得左線隧道圍巖受到二次擾動(dòng),隧道開挖完成后,左線隧道上方管線最大沉降量均大于右線。右線隧道貫通后,沉降槽寬度增加,主要變形段增長(zhǎng),曲線整體趨于平緩。從整體上看,右線隧道的施工使原有管線沉降曲線不再符合高斯曲線。

        3. 2 管線縱向沉降規(guī)律

        管線縱向沉降實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。由于模型長(zhǎng)度的限制,在數(shù)值模擬計(jì)算過程中僅考慮縱向60 m范圍內(nèi)掌子面對(duì)管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降影響。

        從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及模擬計(jì)算結(jié)果來看,由盾構(gòu)隧道施工造成的管線沉降空間效應(yīng)大致可劃分為3個(gè)階段:①盾構(gòu)通過前,沉降量變化曲線處于上升階段,這是由于盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推力大于靜止土壓力,導(dǎo)致局部隆起造成土體抬升,從而造成管線略有抬起趨勢(shì);②盾構(gòu)通過期間,管體受到擾動(dòng)程度大、沉降速率大,沉降量約占總沉降量的70%;③當(dāng)盾構(gòu)刀盤通過測(cè)點(diǎn)2倍于盾構(gòu)外徑范圍時(shí),管線的變形主要依靠土體固結(jié)蠕變殘余變形進(jìn)而逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖5 不同管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨刀盤位置的豎向位移變化曲線

        3. 3 管線內(nèi)力分析

        管線在隧道施工前就存在一定的初始應(yīng)力,該應(yīng)力主要表現(xiàn)為環(huán)向應(yīng)力,而縱向應(yīng)力非常小,隨著隧道的施工管線會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。以埋深較大的管線為例,左線隧道施工完成后,管線外表面的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力見圖6;右線隧道施工完成后,管線外表面的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力見圖7。

        圖6 左線隧道施工完成后管線應(yīng)力分布圖

        左、右線隧道施工完成后,管線外表面環(huán)向和縱向的最大應(yīng)力見表3。

        圖7 右線隧道施工完成后管線應(yīng)力分布圖

        MPa

        由模擬分析可知,管線環(huán)向拉應(yīng)力較小,而最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在管線兩側(cè);縱向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管底,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在管頂。左線隧道貫通后,管線縱向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左線隧道正上方管線外表附近處,最大拉應(yīng)力主要分布在3個(gè)區(qū)域:距左線隧道正上方管線上表面向兩側(cè)2R(R為盾構(gòu)外徑)范圍內(nèi);左線隧道正上方管線下表面2R范圍內(nèi);環(huán)向最大應(yīng)力主要位于左線隧道上方管線兩側(cè)面。右線隧道施工完成后,兩隧道正上方管線上表面縱向壓、拉應(yīng)力較大并靠近右線隧道中心,此外,在兩隧道兩側(cè)管線上表面也產(chǎn)生了較大拉應(yīng)力區(qū)域,環(huán)向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩隧道中心距管線兩側(cè)面8 m處。右線隧道貫通后,管線縱向最大壓應(yīng)力小于僅左線情況下管線縱向最大壓應(yīng)力,這是由于隨著右線隧道盾構(gòu)施工,引起土體二次擾動(dòng),使得管線內(nèi)力重分布,原有管線變形較大處得以“舒展”,進(jìn)而該處的內(nèi)力向右線隧道上方管線傳遞釋放,管體變形曲線的斜率整體得到較好的改善。在整個(gè)隧道施工期間,管線最大壓應(yīng)力為4.58 MPa,最大拉應(yīng)力為2.75 MPa。該工程管線材質(zhì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),最大許用抗拉、壓應(yīng)力均大于該管線相應(yīng)最大應(yīng)力值,因此,管線處于安全狀態(tài)。有些地下管線采用素混凝土,許用拉應(yīng)力為1.03 MPa,許用最大壓應(yīng)力為15.0 MPa,對(duì)于大多數(shù)情況來說,管線都會(huì)在受拉區(qū)產(chǎn)生裂縫,將引起管線安全或地下環(huán)境受到危害等問題。在這種情況下,應(yīng)采取懸吊保護(hù)或注漿加固等措施。

        通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比分析表明,兩種方法的管線最終沉降量曲線較為吻合,表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠較好地預(yù)測(cè)管隧垂直情況下管線變形及內(nèi)力分布情況,可為富水圓礫地層盾構(gòu)施工對(duì)地下鄰近管線的安全評(píng)估提供參考。

        4 結(jié)論

        本文采用有限差分?jǐn)?shù)值方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,分析了雙線隧道盾構(gòu)施工對(duì)鄰近垂直管線變形規(guī)律的影響,并對(duì)管線安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià),得到以下結(jié)論:

        1) 通過數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩種方法的各階段管線沉降曲線較為吻合,表明數(shù)值模擬計(jì)算方法能夠模擬富水圓礫地層盾構(gòu)施工對(duì)管線的影響,并可將其運(yùn)用于地鐵隧道工程實(shí)踐。

        2) 盾構(gòu)刀盤到達(dá)前,管線沉降曲線均會(huì)出現(xiàn)先隆起且最終總體沉降的趨勢(shì);盾構(gòu)通過階段,管線沉降曲線變化顯著;當(dāng)盾構(gòu)通過2倍盾構(gòu)外徑范圍后,管線沉降量逐漸減小且最終趨于穩(wěn)定,整個(gè)過程歷時(shí)較長(zhǎng)。

        3) 右線隧道貫通后,管線沉降曲線不再符合高斯曲線,最大沉降量出現(xiàn)在靠近先行施工隧道一側(cè),此時(shí)管線主要變形段增長(zhǎng),且管線變形曲線斜率整體呈變小趨勢(shì)。

        4) 右線隧道貫通后,縱向最大拉應(yīng)力呈增大趨勢(shì),而縱向最大壓應(yīng)力呈減小趨勢(shì);鋼筋混凝土管道能滿足抗拉強(qiáng)度要求;對(duì)素混凝土管道而言,最大拉應(yīng)力不能滿足許用抗拉強(qiáng)度要求,需采取相關(guān)保護(hù)措施。

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