軟硬不均地層及不同開挖順序下雙頂管隧道施工對(duì)管片及地層的影響*

劉明友 韋宏業(yè) 么曉輝 馬少坤 尉 強(qiáng) 劉草平 邵 羽

(1.中鐵上海工程局集團(tuán)第五工程有限公司,530100,南寧; 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,530004,南寧;3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,530029,南寧∥第一作者,高級(jí)工程師)

在實(shí)際工程施工中,地層往往因風(fēng)化程度的不同形成軟硬地層。當(dāng)隧道穿越風(fēng)化程度不同形成的軟硬地層時(shí),施加施工荷載造成圍巖受力不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致周圍土層變形過大,甚至導(dǎo)致管片因應(yīng)力過大發(fā)生破損的情況[1]。國內(nèi)外專家針對(duì)軟硬地層中隧道開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]采用室內(nèi)試驗(yàn)和離散元的手段,對(duì)比分析了單一土層和軟硬地層中盾構(gòu)隧道開挖所致地面沉降及深層土體沉降槽形態(tài)特征;文獻(xiàn)[3]采用有限元法,對(duì)雙護(hù)盾TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))穿越上軟下硬、上硬下軟等4種不同組合地層時(shí)TBM與圍巖間的相互作用機(jī)理進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)[4]對(duì)不同復(fù)合比地層中盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降差異進(jìn)行研究,提出了隧道穿越軟硬復(fù)合地層時(shí)的施工控制措施;文獻(xiàn)[5]采用離散元法,對(duì)硬巖面積占掌子面總面積不同比例時(shí)隧道掘進(jìn)對(duì)周圍地層的影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[6]以實(shí)際工程為背景,對(duì)上軟下硬地層中地鐵隧道設(shè)計(jì)、施工中的重難點(diǎn)進(jìn)行了討論。上述文獻(xiàn)均為單隧道穿越軟硬地層工況下的研究,而平行雙隧道穿越軟硬地層施工時(shí)對(duì)管片結(jié)構(gòu)和地層的影響鮮有研究。

本文以廣西壯族自治區(qū)南寧市的平花河上游段排水干渠頂管工程為背景,對(duì)雙頂管施工所致地層變形及管片應(yīng)力分布進(jìn)行研究,著重分析不同軟硬組合地層、不同施工順序下地層變形及管片應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 工程概況

平花河上游段排水干渠頂管工程為雙頂管施工,沿線地層復(fù)雜多樣,其中有長(zhǎng)度為126.1 m的區(qū)間段穿越上部為黏土、下部為中風(fēng)化石灰?guī)r的復(fù)合地層。該復(fù)合地層上、下部土體物理力學(xué)參數(shù)差異大,施工所致的地層變形較難預(yù)測(cè)。該工程頂管管片內(nèi)徑為4.0 m,外徑為5.0 m,每環(huán)管片長(zhǎng)度為2.5 m。隧道覆土厚度為9.0 ～13.5 m, 2個(gè)頂管隧道平行布置,隧道間凈距為5.0 m。

2 雙頂管掘進(jìn)的數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

隧道開挖的影響范圍一般為3～5倍隧道直徑范圍[7],因此,本文構(gòu)建的模型尺寸為100 m(長(zhǎng))×100 m(寬)×50 m(高),如圖1所示。其中:y=0為隧道始發(fā)井位置;y向以頂管開挖方向?yàn)檎颉?/p>

圖1 整體模型網(wǎng)格劃分

隧道注漿層厚度為0.02 m,左線隧道、右線隧道的中心到地面的距離為10.4 m,地下水位位于地面以下2.0 m處。模型的土體及注漿層采用三維實(shí)體單元,盾殼及管片采用板單元模擬,通過改變注漿層的材料屬性來實(shí)現(xiàn)注漿效果。左右線隧道均開挖10環(huán),每環(huán)長(zhǎng)度均為2.5 m。隧道開挖涉及到掘進(jìn)壓力、注漿壓力及千斤頂推力3個(gè)參數(shù)。

2.2 模型參數(shù)值的選取

文獻(xiàn)[8-9]提出了三軸試驗(yàn)割線模量、固結(jié)試驗(yàn)切線模量、卸載再加載試驗(yàn)的卸載再加載模量3個(gè)參數(shù)的設(shè)定方法。本文的土體本構(gòu)模型采用修正的摩爾-庫倫模型,基于文獻(xiàn)[8-9]提出的方法,設(shè)定模型各土層的物理力學(xué)參數(shù)值如表1所示,結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)值如表2所示。

表1 模型中各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值

表2 結(jié)構(gòu)材料屬性的參數(shù)取值

2.3 計(jì)算模擬方案

有限元模型模擬的頂管施工步驟與實(shí)際施工步驟相同,采用激活和鈍化單元模擬頂管的掘進(jìn)過程。以全斷面黏土層工況計(jì)算采用的掘進(jìn)參數(shù)值為例,根據(jù)文獻(xiàn)[10],掘進(jìn)壓力取隧道掌子面中心處的側(cè)向主動(dòng)土壓力,通過計(jì)算得到掘進(jìn)壓力為120 kPa,注漿壓力為150 kPa,千斤頂推壓力為120 kPa。設(shè)S1、S2分別為黏土、石灰?guī)r在橫截面上的面積,黏土面積占比r1=[S1/(S1+S2)]×100%。根據(jù)不同的r1,本文考慮雙頂管采用兩種不同的開挖順序,每個(gè)開挖順序下均設(shè)計(jì)了五種不同的復(fù)合地層工況,分析各工況下對(duì)周圍土層和管片結(jié)構(gòu)的影響。其模擬工況如表3所示。

表3 數(shù)值模擬工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 橫向地面沉降

圖2為斷面1各工況下的橫向地面沉降圖,橫軸取往右線隧道方向?yàn)樨?fù)。

圖2 斷面1各工況下的橫向地面沉降圖

1) 如圖2 a)所示,左右線同步開挖下,當(dāng)r1從0增至100%時(shí),斷面1的地面沉降最大值從1.24 mm增加到2.78 mm,其增幅隨r1的增加而增加,沉降槽寬度不變。全斷面黏土層(工況5)地面沉降最大值約為全斷面石灰?guī)r(工況1)的2.2倍。

2) 如圖2 b)所示,先左線后右線開挖下,地面沉降值隨r1的增大而增大,左線開挖完成后地面沉降最大值達(dá)到1.78 mm; 后續(xù)右線施工完成后地面沉降最大值增至2.92 mm。

3) 先左線后右線開挖引起的地面沉降最大值約為左右線同步開挖引起的地面沉降最大值的1.1倍。這主要是由于后行隧道施工造成了先行隧道周圍土體的二次擾動(dòng),打破了土體的穩(wěn)定狀態(tài),應(yīng)力重新分布。

3.2 縱向地面沉降

圖3為斷面2各工況下的縱向地面沉降圖。由圖3可知,橫軸=0處(即圖1中y=0處)為始發(fā)井,橫軸以頂管開挖方向?yàn)檎?。在隧道掌子?y=25 m處)前方5倍隧道直徑距離(y=50 m) 處,其地面沉降接近于0,隧道開挖的影響可以忽略不計(jì);先左線后右線開挖所致的縱向地面沉降較左右線同步開挖大;r1越大,雙隧道開挖所致的縱向地面沉降越大。

圖3 斷面2各工況下的縱向地面沉降圖

3.3 測(cè)點(diǎn)1的地面沉降

圖4為測(cè)點(diǎn)1的地面沉降變化曲線。由圖4可知:左右線同步開挖下,雙頂管通過測(cè)點(diǎn)1所在斷面(y=12 m)時(shí),測(cè)點(diǎn)1的地面沉降變化速率最大;通過測(cè)點(diǎn)1所在斷面后,地面沉降變化速率逐漸減小。先左線后右線開挖下,測(cè)點(diǎn)1的地面沉降變化速率可分為先增加后減小的兩個(gè)變化階段。在兩種開挖順序下,隨著開挖的進(jìn)行,測(cè)點(diǎn)1的地面沉降隨r1的增加逐漸增大;當(dāng)頂管機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)往前開挖2倍隧道直徑距離(y=22 m處)后,測(cè)點(diǎn)1上方土體已完成固結(jié)沉降。

圖4 測(cè)點(diǎn)1各工況下的地面沉降變化曲線

3.4 斷面1地面水平位移

圖5為斷面1各工況下的地面水平位移變化曲線,水平位移取向右線隧道移動(dòng)為正。由圖5可知:不同開挖順序下,隧道周圍土體主要呈現(xiàn)向雙隧道中間處的水平位移;隨著掌子面中r1的增大,地面水平位移也在增大;由于后開挖隧道對(duì)已施工隧道的擾動(dòng)作用,先左線后右線工況下的地面水平位移比左右線同步開挖工況要大。

圖5 斷面1各工況下的橫向地面水平位移變化曲線

3.5 管片應(yīng)力

圖6為各工況下左線管片的最大Mises應(yīng)力變化曲線圖。由圖6可知:掌子面處r1對(duì)管片應(yīng)力有顯著影響;軟硬地層工況下,管片最大應(yīng)力隨r1的增大而增大,其主要原因是受隧道施工所致的地層損失影響;與黏土相比,巖層承擔(dān)了更多因隧道施工所致的附加應(yīng)力,從而使管片承擔(dān)了相對(duì)較小的附加荷載;施工順序?qū)芷瑧?yīng)力的影響顯著,先左線后右線開挖所致的最大Mises應(yīng)力(1 278 kPa)約為左右線同步開挖所致的最大Mises應(yīng)力(1 148 kPa)的1.1倍。

圖6 各工況下左線管片的最大Mises應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

1) 不同軟硬組合地層對(duì)頂管施工所致地面沉降影響顯著,其地面沉降隨掌子面r1的增大而增大。

2) 雙隧道不同施工順序?qū)Φ孛娉两涤绊戯@著。在同一軟硬組合地層(即r1相同)時(shí),雙隧道先后開挖所致地面沉降值約為同步開挖的1.1倍。

3) 隨著隧道的開挖,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降受r1的影響逐漸變大。當(dāng)隧道頂管機(jī)在監(jiān)測(cè)斷面往前開挖兩倍隧道直徑距離后,監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降基本不再發(fā)生變化。

4) 地面土體產(chǎn)生向兩隧道中心線的水平位移,其位移隨r1的增大而增大,先后開挖所致的地面水平位移比同步開挖的大。

5) 軟弱地層組合、開挖順序均對(duì)管片應(yīng)力有顯著的影響,先后開挖所致的最大Mises應(yīng)力約為同步開挖的1.2倍,且隨r1的增加而增大。