牟天光, 祝江林

不同施工條件下雙線盾構(gòu)隧道施工引發(fā)地表變形規(guī)律研究

牟天光1, 2, 祝江林1, 2

(1. 湖南科技大學 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭, 411201; 2. 湖南科技大學土木工程學院, 湖南 湘潭, 411201)

為了了解雙線盾構(gòu)隧道在不同條件下施工引發(fā)地表變形規(guī)律, 依托南寧地鐵3號線某盾構(gòu)區(qū)間工程, 采用數(shù)值分析的方法, 結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù), 分析了雙線盾構(gòu)隧道施工橫向地表沉降規(guī)律, 結(jié)果表明: (1) 地表沉降表現(xiàn)出沉降槽形式, 最大地表沉降量出現(xiàn)在兩隧道之間偏先行洞一側(cè); (2) 當土倉壓力小于朗肯理論主動土壓力時, 土倉壓力增加20%, 地表沉降量減小約10%; (3) 隨著隧道埋深的增加, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性逐漸減小規(guī)律; (4) 隨著土體變形模量的增加和泊松比的減小, 地表沉降量逐漸減小; (5) 隨著土體內(nèi)摩擦角的增大, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性逐漸減小規(guī)律。

盾構(gòu)隧道; 數(shù)值分析; 地表變形

當前, 我國的綜合國力快速地發(fā)展, 城市化進程不斷加大, 城市人口急劇增長, 給各大城市的地面交通的通暢性帶來了極大的困擾。為了緩解地面交通擁堵的現(xiàn)象, 許多城市不斷地在加大規(guī)劃建設地鐵, 地鐵線路通常設計在地面以下, 這樣就可以與地面的交通相互錯開, 不會占用太多地面場地資源。但是, 在建設地鐵的同時, 由于地鐵隧道通常設計在城市道路的下方, 甚至地鐵隧道會緊密地靠近地面的既有構(gòu)筑物, 地層的不均勻沉降過大會嚴重威脅到鄰近建筑物的正常使用, 更嚴重的會出現(xiàn)隧道圍巖坍塌的情況, 這樣就要求地鐵隧道在施工時對地層的擾動影響不能太大, 地層的變形控制要求變得極高。

目前, 國內(nèi)外的許多學者進行了盾構(gòu)隧道施工對地表變形影響研究, 如孫捷城等[1]和吳昌勝等[2]對地鐵盾構(gòu)隧道施工過程引發(fā)的地表變形進行了理論的計算, 考慮了地層損失以及盾殼摩擦力等因素, 得出了盾構(gòu)施工地表變形的影響規(guī)律, 但是沒有討論雙線盾構(gòu)隧道施工地表變形的規(guī)律和影響因素; 張治國等[3]通過理論計算與數(shù)值模擬對比分析的方法, 考慮地下水以及隧道尺寸對地層變形的影響, 分析了盾構(gòu)隧道開挖引起的地表變形規(guī)律, 得出了地下水位波動幅度對地表沉降影響較大的結(jié)論, 但是沒有探討雙線盾構(gòu)隧道存在時的地層變形規(guī)律。丁智等[4]和包小華等[5]采用經(jīng)驗理論及數(shù)值分析的方法, 研究了雙向盾構(gòu)隧道施工過程注漿層以及地層損失對地表變形的影響, 但未討論雙線隧道施過程中地表變形對土層參數(shù)的敏感性; WEI Gang等[6]和PARK[7]采用解析方法分析了雙線盾構(gòu)隧道的地表變形預測方法; 部分學者[8–15]通過理論分析結(jié)合室內(nèi)試驗的方法, 探討了盾構(gòu)隧道施工對地層變形的影響機理, 得出了盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形的精確計算方法, 但沒有討論雙線盾構(gòu)隧道存在時地層條件參數(shù)對地表沉降規(guī)律的影響。隧道的埋深以及隧道周邊的地質(zhì)條件直接影響著雙線盾構(gòu)隧道施工后的地表變形量, 基于此, 本文采用數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法, 研究不同施工條件參數(shù)下雙線盾構(gòu)隧道施工對地表變形的影響規(guī)律, 對后續(xù)類似工程施工及施工前風險預測具有一定的參考意義。

1 工程實例

1.1 工程概況及地質(zhì)環(huán)境

本文依托南寧地鐵3號線某盾構(gòu)區(qū)間, 該區(qū)間隧道設計為兩條單洞單線的圓形盾構(gòu)隧道, 左線隧道施工先于右線隧道, 兩條隧道中心線間距為14.0 m, 所選取斷面的隧道埋深為15 m, 隧道結(jié)構(gòu)處于圓礫地層。所選取的隧道斷面的土層物理力學參數(shù)詳見表1。

表1 物理力學參數(shù)表

注:分別代表材料容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、變形模量。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測設計

選取本區(qū)間地表監(jiān)控量測的1條典型測線進行分析, 該測線處隧道埋深為15 m, 為了減小三維邊界影響, 在所選測線斷面往前后各延伸15 m建立數(shù)值分析模型。本文所研究的隧道現(xiàn)場施工是左線先于右線, 故不考慮兩隧道間縱向錯距進尺的影響, 且開挖順序為左洞貫通后再開挖右洞, 故取左右洞都貫通后的地表變形量進行對比分析。

圖1 工程概況及地表監(jiān)測圖

1.3 建立數(shù)值分析模型

基于上述工程分析情況, 本節(jié)采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型進行研究, 根據(jù)圣維南原理確定數(shù)值模型中的邊界尺寸, 左右邊界各取3倍洞徑, 下邊界取3倍洞徑, 上邊界取到工程地表, 數(shù)值模型水平方向為向, 縱向為向, 豎直方向為向, 建立××=56 m×30 m×39 m數(shù)值分析模型。本文所依托的盾構(gòu)隧道外直徑為6 m, 內(nèi)直徑為5.4 m, 盾構(gòu)隧道支護結(jié)構(gòu)為厚0.3 m, 環(huán)寬1.5 m的鋼筋混凝土管片, 隧道管片的混凝土強度等級為C50, 數(shù)值分析過程中采用彈性本構(gòu)模型來模擬支護結(jié)構(gòu)。隧道管片的壁后注漿層厚度取為0.3 m, 數(shù)值分析過程中通過改變注漿層的材料參數(shù)進行模擬隧道外側(cè)的壁后注漿, 采用彈性本構(gòu)模型來模擬。數(shù)值分析模型中土體的應力應變關(guān)系選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型來分析。圖2為數(shù)值分析網(wǎng)格示意圖。

圖2 數(shù)值分析網(wǎng)格示意圖

1.4 施工過程模擬

(1) 建立好模型網(wǎng)格后, 對各個土層分組進行參數(shù)的賦值, 在開挖前隧道及注漿層的分組應該賦值為對應的土層參數(shù), 施加重力, 約束模型左右、前后邊界和底邊界速度為0, 設置求解精度為1e-5, 對模型進行初始平衡, 將初始平衡位移清零;

(2) 使用null命令進行隧道開挖0～6 m, 在隧道掌子面施加均布荷載(現(xiàn)場盾構(gòu)機土倉壓力為120 kPa)模擬盾構(gòu)機土倉壓力, 通過對模型的調(diào)試, 采用step為100來模擬隧道開挖尚未進行注漿及管片支護前的應力釋放, 之后對壁后注漿層、襯砌管片進行求解計算達到求解精度;

(3) 依次循環(huán)第二步操作, 每一次開挖6 m, 直到開挖到達= 30 m斷面, 取出監(jiān)測斷面的變形值。

1.5 模型驗證

圖3為現(xiàn)場實測與數(shù)值分析地表沉降量對比圖。根據(jù)現(xiàn)場實際開挖的順序, 先開挖左線隧道, 后開挖右線隧道進行數(shù)值模擬, 將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析。由圖3可知, 從隧道的橫向方向分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降呈現(xiàn)出一個沉降槽的形式, 最大沉降量出現(xiàn)在靠近先行隧道一側(cè), 數(shù)值分析得到的橫向地表沉降量與現(xiàn)場實測沉降量基本吻合, 兩者之間存在最大約2 mm的差別, 這主要是由于現(xiàn)場土層是各向異性的, 而模型中建立的土層單元是橫觀各向同性的, 且模型中圍巖應力釋放略大, 同時數(shù)值分析中掌子面的土倉壓力與實際土層的掌子面?zhèn)葔毫Σ煌鸬? 但是模型計算結(jié)果整體變化趨勢與現(xiàn)場實測地表變形規(guī)律基本一致, 本數(shù)值分析模型基本符合本工程的施工條件。

圖3 現(xiàn)場實測與數(shù)值分析地表沉降量對比圖

2 不同施工條件引發(fā)地表變形規(guī)律分析

2.1 不同土倉壓力對地表變形的影響

盾構(gòu)施工過程中, 土倉壓力的大小直接影響著隧道掌子面的穩(wěn)定性, 從而會影響隧道圍巖地層的穩(wěn)定。因為在均勻地層中, 隧道埋深不變的情況下掌子面的側(cè)向主動土壓力基本不變, 因此本節(jié)假定盾構(gòu)機土倉壓力與朗肯土壓力理論計算得到的掌子面?zhèn)认蛑鲃油翂毫χg的比值為R。通過選取R= 0.6、0.8、1、1.2、1.4進行數(shù)值分析。圖4為不同R值地表變形圖, 由圖4可知, 當土倉壓力小于朗肯理論計算的主動土壓力時, 土倉壓力對地表的變形影響較為明顯, 土倉壓力增加20%, 地表變形量減小約10%, 并且在隧道掌子面周圍影響較大, 在遠離隧道的兩側(cè)影響不明顯, 當R值大于1以后, 增加土倉壓力, 地表變形量的減小效果不明顯。

圖4 不同PR值地表變形圖

2.2 不同埋深對地表變形影響

圖5為不同埋深地表變形圖。由圖5可知, 在相同性質(zhì)的地層中, 隨著隧道埋深的增加, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性減小規(guī)律。當隧道埋深從12 m增加到15 m, 埋深增加25%, 相比于埋深為12 m時的最大地表沉降量減小3.3 mm, 減小26.2%左右; 當隧道埋深從15 m增加到18 m, 埋深增加20%, 相比于埋深為15 m時的最大地表沉降量減小1.3 mm, 減小13.9%左右; 這主要是由于隨著隧道的埋深的增加塌落拱效應逐漸發(fā)揮作用而引起的。在雙線盾構(gòu)隧道施工過程中, 先行洞一側(cè)的地表變形量比后行洞一側(cè)的地表變形量大, 這可能是由于后行洞開挖后對土層的擾動在先行洞的一側(cè)造成“群洞疊加效應”引起的。

圖5 不同埋深地表變形圖

2.3 不同變形模量和泊松比對地表變形影響

變形模量和泊松比是影響土層變形性質(zhì)的重要參數(shù)。圖6為不同變形模量和泊松比地表變形圖。由圖6可知, 雙線盾構(gòu)隧道施工過程中, 橫向地表沉降呈現(xiàn)出一個“V型”的沉降槽形式, 最大地表沉降量出現(xiàn)在兩隧道之間偏先行洞一側(cè)。減小土體的泊松比, 同時增大土體的變形模量, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性減小規(guī)律, 當土體的泊松比減小20%, 同時土體的變形模量增加25%, 地表變形減小量最大約為8.6%, 這主要是由于土體的變形模量增加后土體的壓縮性減小, 同時泊松比減小后, 土體的強度變大而引起的。說明雙線盾構(gòu)隧道施工過程中可以采取地面注漿加固土體的方法來提高土體的強度, 從而減小地表的變形量。

圖6 不同變形模量和泊松比地表變形圖

2.4 內(nèi)摩擦角φ對地表變形的影響

圖7為不同內(nèi)摩擦角地表變形圖。由圖7可知, 隨著土層的內(nèi)摩擦角的增加, 雙線隧道橫向地表沉降量減小, 在兩倍隧道洞徑水平范圍內(nèi)地表沉降影響較為顯著, 橫向地表沉降呈現(xiàn)出一個“V型”的沉降槽形式。當內(nèi)摩擦角從15°增加到25°, 與內(nèi)摩擦角15°時比較, 內(nèi)摩擦角增加66.7%, 最大地表沉降量減小1 mm, 減小10.1%左右; 當內(nèi)摩擦角從25°增加到35°, 與內(nèi)摩擦角25°時比較, 內(nèi)摩擦角增加40%, 最大地表沉降量減小0.7 mm, 減小8.6%左右。當內(nèi)摩擦角超過25°后, 隨著內(nèi)摩擦角的增大, 橫向地表沉降量增量幅度有所減小, 可見在內(nèi)摩擦角超過25°后, 內(nèi)摩擦角的變化對橫向地表變形量影響減弱, 這主要是由于土層的內(nèi)摩擦角增大以后, 土顆粒間存在一定相互咬合力而引起的。

圖7 不同內(nèi)摩擦角j地表變形圖

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測試驗相結(jié)合的方法, 分析了盾構(gòu)隧道埋深和隧道周邊圍巖地層參數(shù)以及盾構(gòu)機推力對雙線盾構(gòu)隧道施工過程中地表變形規(guī)律的影響, 主要研究結(jié)論如下:

(1) 雙線盾構(gòu)隧道施工過程中, 橫向地表沉降呈現(xiàn)出一個“V型”的沉降槽形式, 最大地表沉降量出現(xiàn)在兩隧道之間偏先行洞一側(cè);

(2) 當土倉壓力小于朗肯理論計算的主動土壓力時, 土倉壓力的變化對地表的變形影響較為明顯, 土倉壓力增加20%, 地表變形量減小約10%;

(3) 在雙線盾構(gòu)隧道施工過程中, 隨著隧道埋深的增加, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性逐漸減小規(guī)律;

(4) 隨著土體變形模量的增加, 同時減小泊松比, 地表變形量表現(xiàn)為非線性減小規(guī)律; 當變形模量增加25%, 同時泊松比減小20%時, 最大地表變形量減小8.6%;

(5) 隨著土體的內(nèi)摩擦角的增加, 地表沉降量表現(xiàn)為非線性逐漸減小規(guī)律; 當內(nèi)摩擦角從15°增加到25°, 內(nèi)摩擦角增加66.7%, 最大地表沉降量減小1 mm, 相比于內(nèi)摩擦角為15°時的最大地表沉降量減小10.1%左右; 當內(nèi)摩擦角從25°增加到35°, 內(nèi)摩擦角增加40%, 最大地表沉降量減小0.7 mm, 相比于內(nèi)摩擦角為25°時的最大地表沉降量減小8.6%左右;

(6) 在雙線盾構(gòu)隧道施工過程中, 影響地表沉降量的參數(shù)敏感性從大到小依次為隧道埋深、土體變形模量、土倉壓力、土層內(nèi)摩擦角。

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Study on surface deformation law of double line shield tunnel construction under different construction conditions

Mou Tianguang1, 2, Zhu Jianglin1, 2

(1. Hunan Province Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

In order to study the law of surface deformation caused by the construction of double-line shield tunnel under different conditions, based on a shield section project of Nanning Metro Line 3, the law of transverse surface subsidence in the construction of double-line shield tunnel is analyzed by numerical analysis and field measured data. The results show that :(1) the surface subsidence shows the form of settlement trough, and the maximum surface subsidence appears on the side of the first tunnel between the two tunnels ;(2) when the silo pressure is less than the active soil pressure of Rankine theory, the silo pressure increases by 20% and the surface subsidence decreases by about 10% ;(3) As the buried depth of the tunnel increases, the surface settlement shows a non-linear and gradually decreasing law ;(4) With the increase of soil deformation modulus and the decrease of Poisson's ratio, the amount of ground settlement gradually decreases ;(5) With the increase of the friction angle in the soil, the surface settlement shows a non-linear gradually decreasing law.

shield tunnel; numerical analysis; surface deformation

U 231

A

1672–6146(2020)04–0075–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2020.04.015

牟天光, 1628844370@qq.com。

2020–06–01

國家自然科學基金項目(41172275)。

(責任編校: 張紅)