小間距TBM隧道施工力學(xué)特征及地層變形研究

張書(shū)香，劉拴錠，鄔葉飛，陳 明

(中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

小間距TBM隧道施工力學(xué)特征及地層變形研究

張書(shū)香，劉拴錠，鄔葉飛，陳 明

(中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

以小間距TBM隧道的受力變形及地層沉降為研究目標(biāo)，基于重慶交通軌道環(huán)線的TBM區(qū)間隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和有限元數(shù)值分析的方法，研究了不同間距下管片的內(nèi)力分布規(guī)律及地層變形規(guī)律。結(jié)果表明，小間距TBM施工下，隧道間距越小，管片受力越大；由于先行隧道提供了有效的反力支撐，右線隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的內(nèi)力較左線隧道小。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，小間距TBM施工下地表沉降曲線呈單凹槽狀，研究結(jié)論可為類(lèi)似工程提供借鑒。

小間距隧道施工；TBM；管片內(nèi)力；數(shù)值分析

0 引 言

我國(guó)的城市化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)入到城市加速發(fā)展階段，地鐵建設(shè)已成為城市交通體系不可缺少的組成部分[1]。由此出現(xiàn)越來(lái)越多的小間距隧道，它們的建設(shè)與發(fā)展成為了交通運(yùn)輸界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸及施工方法設(shè)定了不同的最小凈距。對(duì)于小間距隧道，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究：周罡對(duì)超小間距隧道施工中的地表沉降進(jìn)行了研究，提出了控制地表沉降的設(shè)計(jì)和施工方法[4]；譚忠盛采用隧道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)方法，研究了不同支護(hù)體系下小間距隧道的拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力規(guī)律[5]；何歷超采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，研究了格柵和型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)淺埋大跨小間距黃土隧道的影響規(guī)律[6]。由于平行隧道常錯(cuò)位施工，因此需要考慮后行隧道施工對(duì)先行隧道管片造成的力學(xué)性質(zhì)方面的影響，李曉霖通過(guò)對(duì)北京地鐵十號(hào)線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，后行盾構(gòu)隧道會(huì)對(duì)先行隧道造成先擠壓、后卸載的情況[7]；鐘祖良考慮小凈距隧道左右洞先后施工的相互作用，對(duì)淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道的圍巖壓力計(jì)算理論進(jìn)行了研究分析[8]。

由于TBM在城市地鐵隧道中應(yīng)用較少，小間距下的管片內(nèi)力特性及地層變形特征也尤為復(fù)雜，因此本文以重慶軌道交通環(huán)線TBM區(qū)間隧道工程為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，討論了小間距TBM隧道的受力變形及地層沉降變化規(guī)律，以為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

重慶地鐵環(huán)線一期鳳天路-重慶西站區(qū)間原始地貌為丘陵地貌，地質(zhì)條件以砂巖和泥質(zhì)砂巖為主。經(jīng)設(shè)計(jì)勘察后綜合考慮采用2臺(tái)單護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)。隧道左右線掘進(jìn)順序視工程地質(zhì)情況及實(shí)際需要確定，左右線隧道間距為0.3D～1.5D不等，屬于小間距隧道。盾構(gòu)刀盤(pán)直徑為6.88 m，采用高強(qiáng)混凝土管片錯(cuò)縫拼接，管片厚35 mm，每環(huán)掘進(jìn)1.5 m。區(qū)間線路基本沿城市繁華街道及主干道下通行，道路交通繁忙，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工時(shí)，穿越臨近建(構(gòu))筑物，需對(duì)地層變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。同時(shí)沿線穿越范圍道路下均有密集的地下管線，縱橫交錯(cuò)，錯(cuò)綜復(fù)雜，保護(hù)地下管線也是單護(hù)盾TBM掘進(jìn)的重要部分。

2 TBM隧道掘進(jìn)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，模型空間尺寸為x方向120.0 m、y方向120.0 m、z方向60.0 m，隧道開(kāi)挖方向?yàn)閦軸負(fù)向。模型4個(gè)側(cè)面邊界條件為法向約束，底部為全約束，上表面為自由面；周?chē)鷩鷰r采用實(shí)體單元solid45，管片采用殼單元shell181。參考實(shí)際工程隧道間距，本文模擬設(shè)置0.5D和1D兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析(如圖1所示)。采用生死單元和改變材料參數(shù)實(shí)現(xiàn)TBM施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，土層和材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 雙線隧道計(jì)算模型

名稱彈性模量E/(kPa)泊松比u密度/(kg/m3)內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/(kPa)砂巖3．4e60．202500--砂質(zhì)泥巖1．6e60．362570381960混凝土管片3e70．202500--

2.2 管片受力分析

本文根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定左線隧道先行開(kāi)挖。管片采用二維梁?jiǎn)卧M，全局布置土彈簧單元。不同間距下隧道掘進(jìn)計(jì)算得到的管片內(nèi)力如圖2和圖3所示。由圖可見(jiàn)，不同間距下掘進(jìn)產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)均出現(xiàn)在隧道側(cè)墻，0.5D隧道間距下掘進(jìn)時(shí)彎矩最大達(dá)168 kPa，而1D隧道間距下掘進(jìn)時(shí)彎矩最大值為154 kPa，由此推測(cè)隧道間距越小，管片受力越大。同時(shí)，由于先行隧道施工后進(jìn)行了管片支護(hù)，為后行隧道有效的提供反力支持，故右線掘進(jìn)產(chǎn)生的內(nèi)力較左線隧道內(nèi)力小。計(jì)算結(jié)果顯示在右線隧道通過(guò)時(shí)左線隧道會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力增大情況，這主要表現(xiàn)為后行隧道對(duì)先行隧道產(chǎn)生了擠壓作用。

圖2 0.5D間距下隧道掘進(jìn)內(nèi)力圖

圖3 1D間距下隧道掘進(jìn)內(nèi)力圖

2.3 地層沉降分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變形，繪出不同隧道間距下橫斷面地表沉降曲線，如圖4所示。由圖4可知，在小間距下TBM施工隧道軸線上方地表變形較大，兩側(cè)出現(xiàn)輕微隆起狀態(tài)，與較標(biāo)準(zhǔn)沉降槽曲線較為一致。同時(shí)由不同間距下的沉降曲線可知，1D隧道間距下TBM施工產(chǎn)生的沉降變形較0.5D間距小，這與隧道縱向沉降曲線的結(jié)論一致(見(jiàn)圖5)。

圖4 左線隧道橫向沉降

圖5 左線隧道縱向沉降曲線

3 監(jiān)控量測(cè)

對(duì)沿線K3+515斷面(間距0.53D)和K3+596斷面(隧道間距1.12D)的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求沿開(kāi)挖方向每5 m布測(cè)一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5～10 m，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 地表監(jiān)測(cè)

由圖6可知，小間距隧道地表沉降呈單凹槽狀，K3+515斷面最大地表沉降值為5.68，K3+596斷面最大地表沉降值為7.25 mm。監(jiān)測(cè)分析顯示，1D左右間距下的沉降變形較0.5D間距下的變形大，這與數(shù)值分析結(jié)果相反，這可能是由于實(shí)際工程中各土體參數(shù)變化不一，同時(shí)實(shí)際工程中外界因素較多，如車(chē)輛通行原因、注漿原因、雨水天氣等原因，這都將使沉降變形產(chǎn)生差異。

4 結(jié) 論

針對(duì)重慶軌道交通環(huán)線小間距TBM隧道施工，通過(guò)ANSYS有限元數(shù)值模擬雙線隧道的開(kāi)挖過(guò)程，設(shè)置改變不同隧道間距，分析了不同間距下的隧道內(nèi)力變形及地層變形規(guī)律，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析了地表變形規(guī)律得出如下結(jié)論：

(1) 小間距TBM施工下，隧道間距越小，管片受力越大；由于先行隧道提供了有效的反力支撐，右線隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的內(nèi)力較左線隧道小。

(2) 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，小間距TBM施工下地表沉降曲線呈單凹槽狀，1D左右間距施工下產(chǎn)生的沉降變形較0.5D間距下的變形大。

[1]霍 明,趙永國(guó),韓常領(lǐng).小間距隧道的工程特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新[J].公路,2009(05):259-263.

[2]李云鵬,王芝銀,韓常領(lǐng),等.不同圍巖類(lèi)別小間距隧道施工過(guò)程模擬研究[J].巖土力學(xué),2006(01):11-16，28.

[3]TB-10003-2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]周 罡,楊新安,孔少波,等.超小間距隧道施工中的地表沉降研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(05):717-719.

[5]譚忠盛,孟德鑫,石新棟,等.大跨小間距黃土隧道支護(hù)體系及施工方法研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2015(11):82-89，97.

[6]何歷超,王夢(mèng)恕,李宇杰.淺埋大跨小間距黃土隧道支護(hù)技術(shù)研究[J].巖土力學(xué),2013(S2):306-310.

[7]李曉霖，郭 婷，惠麗萍.小間距平行盾構(gòu)隧道施工的反分析研究[J].地下間與工程學(xué)報(bào)，2014，10(3)：641-649.

[8]鐘祖良，劉新榮，劉元雪，等.淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算與監(jiān)測(cè)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2013(02):63-68.(收稿日期：2016-09-27)

張書(shū)香(1987-)，男，內(nèi)蒙古集寧人，助理工程師， 主要從事橋梁隧道工程方面的研究，Email：Cyrene-ZSX@163.com。