王海豐,張佳鑫,趙明喆,李亞修,姬曉奕,劉 垚,張佳豪,邢博聞

(1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團有限公司,北京 100013; 2.北京科技大學(xué),北京 100083)

0 引言

近十幾年來,隨著城鎮(zhèn)化速度的不斷加快及人口密集程度的不斷提高,隧道在我國及世界各國的基礎(chǔ)設(shè)施中所占比例越來越大,許多國外學(xué)者對其進行深入探討[1-2]。地鐵在修建過程中,需利用盾構(gòu)機進行掘進,這會改變原有地應(yīng)力平衡,造成圍巖擾動、地面沉降等系列環(huán)境病害[3-5]。因此,在地鐵工程中,如何準(zhǔn)確預(yù)報盾構(gòu)法在地下工程中的應(yīng)用,對有效防護相鄰工程十分必要。

周鑫等[6]基于杭州軌道交通3號線工業(yè)大學(xué)站—留和站區(qū)間的2條隧道,采用3D數(shù)值仿真方法,分析隧道開挖對相鄰橋墩地基變形的影響。劉穎彬等[7]基于上海軌道交通14號線、6號線下穿雙環(huán)隧道的實際情況,開展了雙環(huán)隧道下穿前后的受力分析。鮑先凱等[8]以貴陽軌道交通1號線望城坡站—新村站區(qū)段為例,采用有限元計算手段,對大跨度、超淺埋地鐵隧道在不同條件下的開挖穩(wěn)定性進行初步探討。Lin等[9]利用有限元分析技術(shù),對已有地下洞室傾斜穿越的2條新隧道進行分析。Bagherzadeh等[10]通過城市隧道開挖引起地面沉降,利用數(shù)值模擬確定開挖方式和支護類型,并提出減小沉降的加固措施。No等[11]利用數(shù)值模擬方法,分析了在役地鐵工程中,不同距離下的地鐵施工對周邊地面沉陷的影響。Paternesi等[12]以位于細粒砂土層中的2條深埋隧道為實例,利用觀測資料修正地層參數(shù),從而提升模型預(yù)報準(zhǔn)確率,并對其進行數(shù)值仿真和計算。李少剛[13]采用有限元方法,對立體交叉通道中主要隧道進行優(yōu)化設(shè)計,并對不同距離處的土體進行變形、位移和應(yīng)力等研究,得出不同距離處土體變形變化規(guī)律,提出了適合北京地區(qū)的合理距離。劉光耀[14]依據(jù)北京地鐵“四縱兩橫”設(shè)計圖,通過對各種次序開挖方式進行優(yōu)選和比較,最終選擇了“先上后下”的開挖方式。李倩倩等[15]基于北京已建成的地下穿越軌道交通隧道工程實例,對其變形特性進行研究,得出了在地下穿越軌道交通時,深部灌漿能降低地表沉降量,增強土體強度的結(jié)論。王忠昶等[16]對地鐵盾構(gòu)法施工中的注漿壓力、注漿率、土體在管片支撐時的變化進行分析,得出前洞距離地表愈近,其沉陷范圍愈小,沉陷溝槽作用范圍愈大。劉大剛等[17]運用隨機媒質(zhì)理論,改進沉降量估算法,并在雙軌制隧道地表沉降量和水平變形量的計算中,證實了該方法的可行性和正確性。

基于上述研究,本文基于廣州城市軌道交通12號線雙線隧道施工,借助ABAQUS軟件進行三維數(shù)值模擬分析,研究了注漿層厚度r、隧道埋深比H/D和雙隧道間距L對地表沉降的影響,并針對施工控制提供相關(guān)建議。

1 工程概況

依托廣州城市軌道交通12號線某隧道區(qū)間工程項目,左線全長約1 842.695m、右線全長約 1 868.9m,隧道沿線所穿越土層基本為中等風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層,采用盾構(gòu)進行施工作業(yè)。設(shè)計隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.6m,襯砌管片厚度為0.3m,每環(huán)管片幅寬1.2m,采用環(huán)間錯縫拼裝而成;隧道中心距地面約16m左右(見圖1)。

圖1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)柱狀圖(單位:m)

2 計算模型

2.1 基本假定

為使分析結(jié)果符合工程建設(shè)實際情況,做以下假設(shè):①忽略隧道沿線地表及各土層微小起伏變化,一律簡化考慮為均勻水平層狀分布;②巖體被假設(shè)為理想彈塑性材料;③忽視地質(zhì)體自身和在地層界面處的應(yīng)力集中;④巖體被視為各向同性均質(zhì)材料;⑤將圍巖地應(yīng)力場設(shè)為初始應(yīng)力;⑥掘進擾動區(qū)仿真掘進對巖體的擾動效應(yīng),減小擾動區(qū)彈性模量。

2.2 參數(shù)選取

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),對變形產(chǎn)生重要作用的水平方向長度約為洞口直徑4倍,垂直高度約為洞口直徑3倍[18]。結(jié)合隧道埋深等設(shè)計參數(shù),最終確定ABAQUS模型尺寸為60m×12m×70m(見圖2)。在對6個截面進行建模時,將模型頂面設(shè)為自由面,而對其他表面均進行對應(yīng)的位移約束。

圖2 ABAQUS模型(單位:m)

采用 ABAQUS中的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對土壤進行仿真,襯砌管片和盾構(gòu)機殼采用殼體構(gòu)造元素,并將材質(zhì)設(shè)定為彈性體。整體有限元分析采用線性六面體單元,共劃分為34 463個結(jié)點、29 030個單元,單元類型為C3D8RP。隧道埋深所處土層土質(zhì)參數(shù)能真實反映施工情況。各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬盾構(gòu)施工過程

根據(jù)盾構(gòu)施工原理,模擬施工步驟如下。

1)建立盾構(gòu)建筑中土層、盾構(gòu)機、等待層和管片模型,對這些材料進行分類,并給出對應(yīng)材料參數(shù),在組裝板上組裝各類物質(zhì)模型;對于初應(yīng)力區(qū),僅考慮自重效應(yīng),并做變形修正。

2)擬以“生”“死”單元法為基礎(chǔ),構(gòu)建解析步,在開挖1層土體的同時,激活等待層、管片及注漿層,在開挖時,以正壓法模擬刀片對后部土體的支承作用。并根據(jù)施工過程中所承受的靜態(tài)壓力,確定其數(shù)值。

3)在每個掘進機運行1周后,移除上一周的支護,重新生成新的支護,并調(diào)節(jié)盾構(gòu)支護材料剛度和其他參數(shù)。利用同步注漿法,對隧道周圍巖石實施注漿,施加注漿力,并設(shè)定相應(yīng)作業(yè)程序。同時,在保持注漿壓力恒定的情況下,對注漿材料進行分層建模,并對其進行數(shù)值模擬。

4)根據(jù)數(shù)值模型,將整體開挖設(shè)置為10個開挖步,開挖過程中,盾殼對圍巖起到支承作用。施工完成后隧道完全貫通。

2.4 數(shù)值模擬驗證

當(dāng)前,在地鐵工程中,對沉降進行預(yù)測的方法主要有Peck公式、有限元和邊界元的數(shù)值方法等。本文采用實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比分析(見圖3)。

圖3 實際沉降曲線與數(shù)值模擬沉降曲線對比

如圖3所示,沿隧道開挖方向,其地表沉降與實際地表沉降擬合效果良好,左側(cè)隧道數(shù)值模擬結(jié)果與實際沉降最大擬合誤差為5.26%;右側(cè)隧道數(shù)值模擬結(jié)果與實際沉降最大擬合誤差為3.41%。該結(jié)果驗證了本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,說明運用ABAQUS有限元軟件模擬盾構(gòu)施工可為實際工程提供一定的指導(dǎo)作用。

3 盾構(gòu)施工參數(shù)對地表沉降的影響分析

3.1 方案設(shè)計

選取隧道注漿層厚度r、埋深比H/D(其中H為隧道頂部距離地表的豎直距離,D為隧道開挖直徑)和雙隧道間距L作為研究對象,通過觀察地表橫向沉降,進而深入研究各參數(shù)對盾構(gòu)施工時地表沉降的影響規(guī)律。方案設(shè)置如表2所示。

表2 盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置方案

3.2 不同注漿層厚度對地表沉降的影響

為研究不同注漿層厚度在隧道施工時對地表沉降的影響,設(shè)置隧道注漿層厚度分別為0,0.1,0.2,0.3m,雙隧道間距為12m,隧道拱頂至地表距離為12.8m(即埋深比H/D=2),不同注漿層厚度下盾構(gòu)掘進模型位移如圖4所示。地表沉降隨著注漿層厚度的增大而減小,最大位移沉降出現(xiàn)在隧道拱頂正上方。取隧道完全貫通后各注漿層厚度下的橫向地表沉降量生成位移曲線,從而得出不同注漿層厚度下盾構(gòu)掘進對應(yīng)的地表橫向沉降曲線如圖5所示。

圖4 不同注漿層厚度下盾構(gòu)掘進模型位移云圖

圖5 不同注漿層厚度下盾構(gòu)掘進對應(yīng)的地表橫向沉降曲線

如圖5所示,地表沉降峰值一般在隧道正上方。在其他施工參數(shù)不變的前提下,通過增加注漿層厚度可有效減小表層土體變形,地表沉降峰值隨著注漿層厚度的增大而減小。在不注漿時,數(shù)值模擬得出地表沉降峰值為48.82mm,峰值處于兩隧道中間位置;當(dāng)注漿層厚度為0.1m時,左、右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為10.82,10.87mm;當(dāng)注漿層厚度為0.2m時,左、右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為8.94,9.02mm;當(dāng)注漿層厚度為0.3m時,左右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為8.61,8.74mm。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),注漿層厚度越大,其對于盾構(gòu)機盾尾間隙的填充效果越好,從而導(dǎo)致盾構(gòu)機開挖時對地表沉降的影響越小。但根據(jù)實際工程經(jīng)驗,注漿層厚度并非越大越有利于圍巖穩(wěn)定,過厚的注漿層會對周圍土體受力產(chǎn)生一定影響,造成土體擾動不利于控制地表沉降。同時,根據(jù)數(shù)值模擬可以看出注漿層厚度在0.1～0.3m過程中,其地表沉降峰值明顯減小。

3.3 不同埋深比對地表沉降的影響

為研究不同埋深比在隧道施工時對地表沉降的影響,設(shè)置隧道埋深比分別為2,3,4,5(即拱頂埋深分別為12.8,19.2,25.6,32m),對其進行數(shù)值模擬計算分析。盾構(gòu)施工數(shù)值模擬參數(shù)中,注漿層厚度取0.31m,隧道開挖步長1.2m,共開挖12m,得出不同埋深比下盾構(gòu)掘進模型位移如圖6所示。隧道完全貫穿后,各埋深比下地表橫向沉降曲線如圖7所示。

圖6 不同埋深比下盾構(gòu)掘進模型位移云圖

圖7 不同埋深比下盾構(gòu)掘進對應(yīng)的地表橫向沉降曲線

由圖6可知,盾構(gòu)隧道隨著埋深比的增加,其地表沉降呈先增大后減小趨勢。由圖7可知,當(dāng)埋深比H/D由2增加到3時,地表沉降峰值由7.96mm上升至12.39mm;當(dāng)埋深比H/D由3增加至4時,地表沉降峰值由12.39mm上升至17.49mm;當(dāng)埋深比H/D由4增加至5時,地表沉降峰值由17.49mm下降至7.98mm。淺埋隧道地表沉降呈由先增大后減小,然后增大,最后減小的趨勢。由深埋隧道地表沉降數(shù)值模擬得出,地表沉降峰值呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于埋深比較小的隧道(H/D=2)在開挖過程中對周圍土體的擾動程度較小,并且在開挖過程中會使土體上拱,影響到地表沉降,所以埋深比較小的盾構(gòu)挖掘沉降較小;而隨著埋深比的增加(H/D由2增加至4時),隧道上方土拱影響范圍有限,并隨著隧道埋深的增加,土層會給予開挖隧道更大壓力,但此時拱頂上方土體自重應(yīng)力增加而平衡拱仍不能起到支承作用,所以導(dǎo)致地表沉降增加;當(dāng)埋深比繼續(xù)增大時(H/D由4增加至5時),土拱形成,圍巖自身承載力大于土體自重應(yīng)力,土層變形減小。

3.4 雙隧道間距對地表沉降的影響

為研究雙隧道間距對地表沉降的影響,雙隧道間距分別取4,6,9,12,15m,對其進行數(shù)值模擬計算分析。盾構(gòu)施工數(shù)值模擬參數(shù)中注漿層厚度選取0.31m,隧道開挖步長1.2m,共開挖12m,埋深比H/D取2(即拱頂埋深12m),得出不同雙隧道間距下盾構(gòu)掘進模型位移如圖8所示。隧道完全貫通后,不同隧道間距下地表橫向沉降曲線如圖9所示。

圖9 不同雙隧道間距下盾構(gòu)掘進對應(yīng)的地表橫向沉降曲線

由圖8可知,隨著雙隧道間距增大,左右隧道地表沉降逐漸增加。由圖9可知,隨著雙隧道間距增加,地表沉降曲線向外遷移,同時沉降范圍也擴展。原本呈倒V形的沉降凹槽逐漸演變?yōu)閃形,這種凹槽變淺且變寬的趨勢逐漸顯現(xiàn)。在距離兩隧道軸線6～9m范圍,地表沉降曲線變化在間距的影響下呈現(xiàn)出顯著特征。當(dāng)間距約為9m時,沉降分布曲線的變化從最初的倒V形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閃形。這一變化主要歸因于,雙隧道間距較小時,兩隧道間的相互干擾作用逐漸加強,導(dǎo)致在共同擾動區(qū)域內(nèi)的沉降變形加劇,進而形成了倒V形沉降凹槽;相反,雙隧道間距較大時,施工所帶來的相互干擾影響減弱,地表沉降被視為2條獨立隧道沉降變形效應(yīng)的疊加,從而呈現(xiàn)出W形沉降凹槽。

4 地表沉降變形優(yōu)化分析

根據(jù)實際地表沉降,驗證了ABAQUS數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。通過選取不同參數(shù),得出不同注漿層厚度、埋深比及雙隧道間距對地表沉降的影響,進而對地表沉降變形進行優(yōu)化分析。

1)在一定范圍內(nèi),注漿層厚度越大,對盾構(gòu)機盾尾間隙填充效果越好,導(dǎo)致盾構(gòu)機開挖時地層沉降越小。但根據(jù)實際工程經(jīng)驗,注漿層厚度過大會對周圍土體受力產(chǎn)生影響,不利于控制地表沉降。數(shù)值模擬顯示,不注漿至0.3m厚注漿層范圍時,地表沉降峰值明顯減小。注漿層厚度為0.2,0.3m時,右隧道地表沉降峰值分別為9.02,8.74mm,沉降峰值差距很小。綜合考慮,最佳注漿層厚度為0.2m,實際施工選擇0.31m,符合施工要求,但對注漿材料造成了一定損耗。

2)盾構(gòu)隧道開挖最大沉降在拱頂處,施工導(dǎo)致地層擾動影響地表,地表土壤位移和變形隨深度增加而減小。實際施工埋深比H/D取2,對地表沉降影響較小。若增大埋深,建議埋深比>5,隨著深度增加時,有利于土拱形成,對地表沉降影響很小。

3)當(dāng)雙隧道間距較小時,相互干擾作用逐漸增強,導(dǎo)致在其共同擾動區(qū)域內(nèi)的沉降和變形進一步加劇;相反,當(dāng)雙隧道間距較大時,施工引起的相互干擾影響減弱,地表沉降被視為2條獨立隧道沉降變形效應(yīng)的疊加。實際工程中,2條隧道間距為12.4m,地表沉降很小,符合實際要求。

5 結(jié)語

本文運用ABAQUS有限元軟件,建立了廣州城市軌道交通12號線雙線隧道施工有限元計算模型。通過分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實際觀測結(jié)果中的縱向地表沉降曲線具有相似性,左、右隧道縱向地表沉降最大誤差分別為5.26%,3.41%,經(jīng)驗證,本研究的數(shù)值模擬具備可靠性。在實際工程背景下,探究了注漿層厚度、埋深比及雙隧道間距對地表沉降的影響,并得出如下結(jié)論。

1)通過對注漿層厚度、掘進壓力和埋深比進行分析,得到水平下沉曲線與實際工程下沉曲線相吻合,最大沉降均位于隧道拱頂上方土體表面。

2)適當(dāng)增大注漿層厚度,可使盾構(gòu)法施工對地面產(chǎn)生的影響減小,進而使地面沉降減小。但注漿層厚度并不是越大越好,因為注漿層厚度太大會影響土體強度,并且導(dǎo)致資源浪費。

3)盾構(gòu)隧道開挖引起的最大沉降發(fā)生在拱頂,盾構(gòu)機施工會導(dǎo)致地層擾動延伸至地表,并且隧道上方土壤位移和變形會隨土體深度減小而減小。當(dāng)埋深增加時,隧道上方土體厚度足夠形成穩(wěn)定土拱時,地表沉降峰值減小。

4)隨著雙隧道間距增大,左、右隧道地表沉降也會增加。當(dāng)雙隧道間距較小時,相互干擾作用會增強,導(dǎo)致在共同受到擾動的區(qū)域內(nèi)沉降變形加劇,呈現(xiàn)類似V形沉降凹槽。而當(dāng)雙隧道間距較大時,施工相互干擾影響程度會減弱,此時地表沉降變形可被視為2條單獨隧道沉降變形的疊加效應(yīng),呈現(xiàn)類似W形沉降凹槽。