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(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭, 411201; 2. 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)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(hào)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(dāng)土倉(cāng)壓力小于朗肯理論主動(dòng)土壓力時(shí), 土倉(cāng)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(dāng)前, 我國(guó)的綜合國(guó)力快速地發(fā)展, 城市化進(jìn)程不斷加大, 城市人口急劇增長(zhǎng), 給各大城市的地面交通的通暢性帶來(lái)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(shè)地鐵, 地鐵線路通常設(shè)計(jì)在地面以下, 這樣就可以與地面的交通相互錯(cuò)開(kāi), 不會(huì)占用太多地面場(chǎng)地資源。但是, 在建設(shè)地鐵的同時(shí), 由于地鐵隧道通常設(shè)計(jì)在城市道路的下方, 甚至地鐵隧道會(huì)緊密地靠近地面的既有構(gòu)筑物, 地層的不均勻沉降過(guò)大會(huì)嚴(yán)重威脅到鄰近建筑物的正常使用, 更嚴(yán)重的會(huì)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(shí)對(duì)地層的擾動(dòng)影響不能太大, 地層的變形控制要求變得極高。

目前, 國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者進(jìn)行了盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表變形影響研究, 如孫捷城等[1]和吳昌勝等[2]對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程引發(fā)的地表變形進(jìn)行了理論的計(jì)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(méi)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(guó)等[3]通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬對(duì)比分析的方法, 考慮地下水以及隧道尺寸對(duì)地層變形的影響, 分析了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的地表變形規(guī)律, 得出了地下水位波動(dòng)幅度對(duì)地表沉降影響較大的結(jié)論, 但是沒(méi)有探討雙線盾構(gòu)隧道存在時(shí)的地層變形規(guī)律。丁智等[4]和包小華等[5]采用經(jīng)驗(yàn)理論及數(shù)值分析的方法, 研究了雙向盾構(gòu)隧道施工過(guò)程注漿層以及地層損失對(duì)地表變形的影響, 但未討論雙線隧道施過(guò)程中地表變形對(duì)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(yù)測(cè)方法; 部分學(xué)者[8–15]通過(guò)理論分析結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)的方法, 探討了盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層變形的影響機(jī)理, 得出了盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形的精確計(jì)算方法, 但沒(méi)有討論雙線盾構(gòu)隧道存在時(shí)地層條件參數(shù)對(duì)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(chǎng)試驗(yàn)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(duì)地表變形的影響規(guī)律, 對(duì)后續(xù)類似工程施工及施工前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況及地質(zhì)環(huán)境

本文依托南寧地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間, 該區(qū)間隧道設(shè)計(jì)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(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)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(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

選取本區(qū)間地表監(jiān)控量測(cè)的1條典型測(cè)線進(jìn)行分析, 該測(cè)線處隧道埋深為15 m, 為了減小三維邊界影響, 在所選測(cè)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(chǎng)施工是左線先于右線, 故不考慮兩隧道間縱向錯(cuò)距進(jìn)尺的影響, 且開(kāi)挖順序?yàn)樽蠖簇炌ê笤匍_(kāi)挖右洞, 故取左右洞都貫通后的地表變形量進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 工程概況及地表監(jiān)測(cè)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(jìn)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?yàn)橄? 縱向?yàn)橄? 豎直方向?yàn)橄? 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(hù)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(qiáng)度等級(jí)為C50, 數(shù)值分析過(guò)程中采用彈性本構(gòu)模型來(lái)模擬支護(hù)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(guò)程中通過(guò)改變注漿層的材料參數(shù)進(jìn)行模擬隧道外側(cè)的壁后注漿, 采用彈性本構(gòu)模型來(lái)模擬。數(shù)值分析模型中土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型來(lái)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(guò)程模擬

(1) 建立好模型網(wǎng)格后, 對(duì)各個(gè)土層分組進(jìn)行參數(shù)的賦值, 在開(kāi)挖前隧道及注漿層的分組應(yīng)該賦值為對(duì)應(yīng)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(shè)置求解精度為1e-5, 對(duì)模型進(jìn)行初始平衡, 將初始平衡位移清零;

(2) 使用null命令進(jìn)行隧道開(kāi)挖0～6 m, 在隧道掌子面施加均布荷載(現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力為120 kPa)模擬盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力, 通過(guò)對(duì)模型的調(diào)試, 采用step為100來(lái)模擬隧道開(kāi)挖尚未進(jìn)行注漿及管片支護(hù)前的應(yīng)力釋放, 之后對(duì)壁后注漿層、襯砌管片進(jìn)行求解計(jì)算達(dá)到求解精度;

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

1.5 模型驗(yàn)證

圖3為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值分析地表沉降量對(duì)比圖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖的順序, 先開(kāi)挖左線隧道, 后開(kāi)挖右線隧道進(jìn)行數(shù)值模擬, 將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(gè)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)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(yīng)力釋放略大, 同時(shí)數(shù)值分析中掌子面的土倉(cāng)壓力與實(shí)際土層的掌子面?zhèn)葔毫Σ煌鸬? 但是模型計(jì)算結(jié)果整體變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值分析地表沉降量對(duì)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(cāng)壓力對(duì)地表變形的影響

盾構(gòu)施工過(guò)程中, 土倉(cāng)壓力的大小直接影響著隧道掌子面的穩(wěn)定性, 從而會(huì)影響隧道圍巖地層的穩(wěn)定。因?yàn)樵诰鶆虻貙又? 隧道埋深不變的情況下掌子面的側(cè)向主動(dòng)土壓力基本不變, 因此本節(jié)假定盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力與朗肯土壓力理論計(jì)算得到的掌子面?zhèn)认蛑鲃?dòng)土壓力之間的比值為R。通過(guò)選取R= 0.6、0.8、1、1.2、1.4進(jìn)行數(shù)值分析。圖4為不同R值地表變形圖, 由圖4可知, 當(dāng)土倉(cāng)壓力小于朗肯理論計(jì)算的主動(dòng)土壓力時(shí), 土倉(cāng)壓力對(duì)地表的變形影響較為明顯, 土倉(cāng)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(yuǎn)離隧道的兩側(cè)影響不明顯, 當(dāng)R值大于1以后, 增加土倉(cāng)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(duì)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(dāng)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(shí)的最大地表沉降量減小3.3 mm, 減小26.2%左右; 當(dāng)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(shí)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(yīng)逐漸發(fā)揮作用而引起的。在雙線盾構(gòu)隧道施工過(guò)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(kāi)挖后對(duì)土層的擾動(dòng)在先行洞的一側(cè)造成“群洞疊加效應(yīng)”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(duì)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(guò)程中, 橫向地表沉降呈現(xiàn)出一個(gè)“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(shí)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(dāng)土體的泊松比減小20%, 同時(shí)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(shí)泊松比減小后, 土體的強(qiáng)度變大而引起的。說(shuō)明雙線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中可以采取地面注漿加固土體的方法來(lái)提高土體的強(qiáng)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(duì)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(gè)“V型”的沉降槽形式。當(dāng)內(nèi)摩擦角從15°增加到25°, 與內(nèi)摩擦角15°時(shí)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(dāng)內(nèi)摩擦角從25°增加到35°, 與內(nèi)摩擦角25°時(shí)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(dāng)內(nèi)摩擦角超過(guò)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(jiàn)在內(nèi)摩擦角超過(guò)25°后, 內(nèi)摩擦角的變化對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(jī)推力對(duì)雙線盾構(gòu)隧道施工過(guò)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(guò)程中, 橫向地表沉降呈現(xiàn)出一個(gè)“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(dāng)土倉(cāng)壓力小于朗肯理論計(jì)算的主動(dòng)土壓力時(shí), 土倉(cāng)壓力的變化對(duì)地表的變形影響較為明顯, 土倉(cāng)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(guò)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(shí)減小泊松比, 地表變形量表現(xiàn)為非線性減小規(guī)律; 當(dāng)變形模量增加25%, 同時(shí)泊松比減小20%時(shí), 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(dāng)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(shí)的最大地表沉降量減小10.1%左右; 當(dāng)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(shí)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(guò)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(cāng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172275)。

(責(zé)任編校: 張紅)