雙隧道開(kāi)挖問(wèn)題研究

李二艷

摘要：文章根據(jù)隧道開(kāi)挖研究現(xiàn)狀，介紹了隧道開(kāi)挖的不同方法，研究了地表沉降的機(jī)理，并采用有限元軟件模擬分析雙隧道開(kāi)挖所引起的地表沉降問(wèn)題，提出可控措施。

關(guān)鍵詞：雙隧道;開(kāi)挖;沉降;土艙壓力

中國(guó)分類號(hào)：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

地鐵的建設(shè)給城市的交通帶來(lái)了極大的交通減壓作用，更方便了人們的出行，但由于隧道的開(kāi)挖時(shí)常會(huì)造成地表下沉，對(duì)城市周圍的建筑物及地下管線帶來(lái)極大的威脅。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)大量的理論及實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)在雙線隧道開(kāi)挖過(guò)程中，兩條隧道會(huì)互相影響。根據(jù)單線隧道開(kāi)挖的地表沉降對(duì)雙線隧道進(jìn)行推測(cè)和類比，1969年P(guān)eck提出Peck公式[1]，該公式通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析并運(yùn)用正態(tài)分布曲線的思想提出在軟弱地層中隧道開(kāi)挖的橫向沉降規(guī)律，如圖1所示。

1981年Attewell[2]通過(guò)正態(tài)分布曲線發(fā)現(xiàn)隧道的埋置深度、斷面的大小以及土層的特性都將影響橫向沉降;邱明明等[3]人通過(guò)將理論與數(shù)值模擬結(jié)合起來(lái)，分析當(dāng)雙孔平行隧道采用盾工法施工時(shí)所引起的地表沉降分布特征及影響因素，結(jié)果表明，隨著隧道間距的增加，沉降特征越明顯;Cuttler和Stoffers對(duì)圓形隧洞變形和破壞的形態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著離心機(jī)加速度的增加，可以讓襯砌呈橢圓狀變形，當(dāng)加速度增加到一定程度時(shí)，隧道上部分土體會(huì)塌落，剪切面向上部覆蓋層內(nèi)擴(kuò)展發(fā)生失效，最終引起地基表面的大幅沉降。

本文根據(jù)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀，首先分析各種隧道開(kāi)挖的方法，再分析地表沉降的機(jī)理，最后采用有限元軟件模擬分析雙隧道開(kāi)挖所引起的地表沉降問(wèn)題，并提出可控措施。

1 隧道開(kāi)挖方法

1.1 明挖法

明挖法主要是被運(yùn)用在淺埋的隧道當(dāng)中，因?yàn)槊魍诜ㄊ侵冈谒淼朗┕r(shí)，將隧道上方的土體全部開(kāi)挖，待開(kāi)挖完成后再修筑隧道襯砌的一種方法，所以當(dāng)隧道所處的地層地下水位較淺時(shí)，在開(kāi)挖的過(guò)程中還需鋪設(shè)防水層，最后把開(kāi)挖的土體進(jìn)行回填。

1.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)技術(shù)最早是由布魯諾爾提出的，它是指在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中采用盾構(gòu)機(jī)具進(jìn)行開(kāi)挖，該項(xiàng)技術(shù)存在開(kāi)挖時(shí)對(duì)地面影響小、施工快、安全及自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。該方法首先必須先進(jìn)行盾構(gòu)的安裝，待盾構(gòu)安裝就位時(shí)，在隧道的一端建造豎井或基坑，接著在豎井或基坑的墻壁上開(kāi)出一個(gè)與盾構(gòu)機(jī)大小相近的孔，盾構(gòu)機(jī)從這個(gè)孔出發(fā)，順著隧道的軸向進(jìn)行挖掘，直到下一個(gè)豎井，因此該項(xiàng)技術(shù)在地鐵隧道開(kāi)挖中是常用的一項(xiàng)技術(shù)，也將成為一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。如圖2表示盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的兩種狀態(tài)。

1.3 掘進(jìn)法

在20世紀(jì)五六十年代，逐漸開(kāi)始使用全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道開(kāi)挖，直到21世紀(jì)，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)都得到不斷地發(fā)展，在北美最早研發(fā)出了第二代全斷面掘進(jìn)機(jī)。使用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道的開(kāi)挖具有施工安全優(yōu)質(zhì)、節(jié)約人力、環(huán)保等特點(diǎn)。但掘進(jìn)機(jī)同時(shí)也存在挖掘時(shí)能耗高、形式單一、造價(jià)高的特點(diǎn)。

2 地表沉降機(jī)理

本文通過(guò)實(shí)際工程及大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)雙孔隧道開(kāi)挖地表沉降做地表沉降曲線分析，結(jié)果如圖3所示。

上圖中，Z值代表地表到隧道中心的距離，R代表隧道的半徑，d代表兩隧道的中心距離。從圖中可以看出，雙孔隧道的開(kāi)挖所引起的地表沉降曲線更為復(fù)雜，一般單孔隧道開(kāi)挖所引起的地表沉降形狀為“單峰”，而對(duì)于雙孔隧道而言，其開(kāi)挖過(guò)程中可能引起地表沉降呈現(xiàn)“單峰”形狀也可能形成“雙峰”形狀。另外，雙孔隧道的沉降曲線有的是關(guān)于隧道中心線對(duì)稱分布，有些不是，出現(xiàn)這種情況主要是與隧道的開(kāi)挖方法及隧道附近的地質(zhì)情況有關(guān)。對(duì)比（a）圖與（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著地表到隧道中心距離的增加，地表的沉降將隨之增大;對(duì)比（c）圖與（d）圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到最大時(shí)，隧道半徑大的所需的天數(shù)更多;對(duì)比（e）圖與（f）圖可以發(fā)現(xiàn)，地表到隧道中心的距離與隧道的半徑一定時(shí)，兩隧道的中心距離越大，對(duì)其地表最終沉降量差值影響不大。

3 有限元模擬

3.1 模擬模型的建立

本文采用有限元軟件ABAQUS建立與實(shí)際相似的模型并進(jìn)行模擬，主要模擬采用盾構(gòu)法開(kāi)挖對(duì)隧道沉降的影響，模擬過(guò)程中為減小隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)土體的影響，同時(shí)為減小邊界對(duì)效應(yīng)的影響，將擾動(dòng)影響范圍擴(kuò)大3～5倍，模型的邊界尺寸為長(zhǎng)100 m、寬60 m、高80 m，隧道的外徑為6 m，兩隧道的中心距離為11.5 m，隧道的深度為15 m，管片厚度為0.4 m，幅寬為1.5 m，具體模型見(jiàn)圖4。

模型中采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來(lái)模擬土體，模型中的襯砌管片采用彈性模型，對(duì)于土層的參數(shù)均進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算后，將其應(yīng)用于模型中去，模型的具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。將模型的邊界條件設(shè)置為底部固結(jié)，前后及左右均設(shè)置法向約束，土層壓力系數(shù)設(shè)置為0.6 MPa，土體的損失率為3%。

3.2 地表沉降模擬計(jì)算動(dòng)態(tài)特性分析

在雙孔隧道開(kāi)挖過(guò)程中，其沉降的本質(zhì)實(shí)際上是土體損失累積所造成的，本次模擬取模型中右邊隧道孔的S2斷面為研究對(duì)象，分析地表沉降與開(kāi)挖面推進(jìn)過(guò)程中的關(guān)系，具體見(jiàn)圖5。

從圖5中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算的值變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)開(kāi)挖面還未到達(dá)目標(biāo)面前的一定距離內(nèi)，在目標(biāo)面處地表已經(jīng)發(fā)生沉降;當(dāng)開(kāi)挖面由接近到通過(guò)，再到遠(yuǎn)離目標(biāo)面時(shí)，地表沉降急劇增大。在開(kāi)挖面還未通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面S2前，實(shí)測(cè)地表沉降最大值為13.8 mm，而數(shù)值計(jì)算值大約為13.5 mm，實(shí)測(cè)值占最終沉降變形的45%左右;數(shù)值計(jì)算值占最終沉降變形的46%左右，在開(kāi)挖面通過(guò)檢測(cè)斷面S2后，直到最后的沉降穩(wěn)定時(shí)，實(shí)測(cè)值最大沉降約為30 mm，而數(shù)值計(jì)算值約為27 mm，兩者相差10%，也說(shuō)明了模擬的數(shù)據(jù)具有一定的正確性。

4 地表沉降的控制措施

4.1 同步注漿

從上述研究可以看出，當(dāng)采用盾構(gòu)機(jī)方法開(kāi)挖隧道時(shí)，可以在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)，在盾尾注漿管內(nèi)進(jìn)行注漿，以此來(lái)控制地表的沉降，但對(duì)于同步注漿法而言，為控制地表沉降就必須根據(jù)地表沉降量的不同在不同的區(qū)段增加注漿量，因此為確定最佳注漿量，本文采用有限元分析軟件對(duì)注漿量的多少進(jìn)行模擬。首先假定盾構(gòu)開(kāi)挖所引起的土體損失量一致，都為3%的損失率，接著將注漿量分別設(shè)置為2.4 m3、2.6 m3、2.8 m3及3.0 m3，最后進(jìn)行模擬。具體的結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6中可以看出，隨著注漿量的增加，地表的沉降逐漸減小。其中在注漿量由2.4 m3增加至2.6 m3時(shí)，變化得最為明顯，其地表沉降由27.8 mm減少至26.8 mm，減少約為1 mm;當(dāng)注漿量由2.6 m3增加至2.8 m3時(shí)，變化得較少，其地表沉降由26.8 m減少至26 mm，減少約為0.8 mm;當(dāng)注漿量由2.8 m3增加至3 m3時(shí)，變化得最少，其地表沉降由26 m減少至25.7 mm，減少約為0.3 mm?？偟膩?lái)看，當(dāng)注漿量由2.8 m3增加至3 m3時(shí)，其地表沉降約為2.1 mm，可見(jiàn)改變注漿量對(duì)于控制地表的沉降會(huì)起到很大的作用，通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)當(dāng)注漿量為2.4～2.8 m3時(shí)，對(duì)地表沉降的作用最為明顯，因此建議在隧道開(kāi)挖時(shí)，可將注漿量控制在這一范圍之內(nèi)。

4.2 土艙壓力的設(shè)定

對(duì)于采用盾構(gòu)法開(kāi)挖的隧道，其盾構(gòu)機(jī)的土艙壓力不僅對(duì)盾構(gòu)施工的效率及安全起關(guān)鍵作用，還對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中地表的沉降起著關(guān)鍵作用，為研究土艙壓力的大小對(duì)地表沉降的作用影響，本次模擬土艙壓力分別為0.21 MPa、0.18 MPa、0.15 MPa及0.12 MPa。四種壓力下的地表沉降情況具體結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，四種土艙壓力下地表的沉降變化趨勢(shì)大致相同，其曲線都表明了在開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)掘進(jìn)還未到達(dá)目標(biāo)面時(shí)，地表均已開(kāi)始沉降。其中，當(dāng)土艙壓力為0.12 MPa時(shí)，地表沉降值最大;土艙壓力為0.21 MPa時(shí)，地表沉降得最慢，沉降值也最小。當(dāng)過(guò)了目標(biāo)面后，不論哪種土艙壓力下的地表沉降均大大增加，其中土艙壓力為0.12 MPa的沉降值最大，土艙壓力為0.21 MPa的沉降變化依舊較小?？梢?jiàn)，為控制地表的沉降可適當(dāng)?shù)靥岣咄僚搲毫χ?，綜合考慮建議在隧道開(kāi)挖時(shí)，可將土艙壓力值控制在0.15～0.18 MPa范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析前人的研究，對(duì)隧道開(kāi)挖及地表沉降機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合模擬分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)地表沉降本質(zhì)上是因施工引起的土體損失累積造成的，因此在進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道壁同步進(jìn)行注漿，并且應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況嚴(yán)格控制注漿量，同時(shí)對(duì)采用盾構(gòu)掘進(jìn)法開(kāi)挖的隧道，應(yīng)嚴(yán)格控制土艙壓力的壓力值。由于隧道工程屬于較復(fù)雜工程，本文僅是基于模型模擬分析部分問(wèn)題，相關(guān)研究還應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。

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