天津地區(qū)盾構(gòu)施工對(duì)地層沉降的影響

智 鵬，張建新 ，孫益歡，張 明，姬奎香

(天津城建大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

近年來，盾構(gòu)工法因其施工速度快、對(duì)周圍環(huán)境影響小、機(jī)械化程度高等優(yōu)勢(shì)在軟土地區(qū)修建地鐵隧道中得到了廣泛應(yīng)用.但限于盾構(gòu)工法自身的特點(diǎn)和各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，即使在盾構(gòu)技術(shù)已相當(dāng)成熟的今天，盾構(gòu)施工仍不可避免地要對(duì)周圍土體造成擾動(dòng)[1-3].如何預(yù)測(cè)這種對(duì)周圍環(huán)境不利的土層位移成為了亟待解決的問題.目前，國內(nèi)外預(yù)測(cè)地層變形的方法主要有半理論半經(jīng)驗(yàn)估算法、基于監(jiān)測(cè)成果分析的預(yù)測(cè)法和數(shù)值模擬分析法.數(shù)值分析法能較為全面地考慮影響土層變形的各種因素，且能同時(shí)反映地表及深層土體位移的變化情況，因此對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行模擬可較好地分析其對(duì)周圍環(huán)境的影響規(guī)律[4-7].本文以天津地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工區(qū)間為背景，通過數(shù)值分析方法，研究盾構(gòu)施工引起地表和深層土體變形的規(guī)律，以期能為天津地區(qū)日后盾構(gòu)施工提供有益借鑒.

1 工程實(shí)例

天津地鐵2號(hào)線某隧道盾構(gòu)段全長4485 m，盾構(gòu)外徑 6.34 m，隧道直徑 6.2 m，埋深在 11.0～28.8 m，管片寬度為 1.2 m.隧道施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，同時(shí)采用同步壁后注漿技術(shù).根據(jù)勘察報(bào)告可知，盾構(gòu)施工主要涉及的土層有：①填土；④黏土；⑥4粉質(zhì)黏土；⑧1粉質(zhì)黏土；⑧2含黏性土粉砂；⑨1粉質(zhì)黏土；4粉砂.各土層主要土性參數(shù)見表1.

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元模型的建立

數(shù)值模擬分析采用ABAQUS軟件.考慮研究問題的對(duì)稱性，模型取一半進(jìn)行計(jì)算[1].模型的幾何尺寸定為橫向30.0 m、縱向60.0 m、豎向50.0 m.邊界條件取以X軸為法線的模型左右面施加X方向的位移約束，以Z軸為法線的模型前后面施加 Z方向的位移約束，模型的底面取為固定邊界.考慮到襯砌接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度的降低，管片剛度取 0.15的折減系數(shù).根據(jù)實(shí)際管片環(huán)寬，各開挖步土體寬度均取為1.2 m，共設(shè)立40個(gè)開挖步.土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型.模擬時(shí)首先計(jì)算土體在重力作用下的初始應(yīng)力場，并實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力平衡，然后進(jìn)行隧道開挖和管片拼裝等步驟.模型網(wǎng)格劃分情況見圖1.

圖1 模型網(wǎng)格劃分

基于該工程實(shí)際施工情況，初步進(jìn)行模擬計(jì)算，并將其結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.圖2為現(xiàn)場實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖，圖3為本工程在開挖至21.6 m時(shí)地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比曲線.由圖3可知，兩條曲線的沉降趨勢(shì)相同，數(shù)值基本吻合，該模型滿足問題分析的精度要求.

圖2 現(xiàn)場沉降測(cè)點(diǎn)布置

圖3 掘進(jìn)至21.6 m時(shí)各測(cè)點(diǎn)沉降量對(duì)比曲線

3 盾構(gòu)施工引起地層變形規(guī)律分析

3.1 盾構(gòu)施工對(duì)地表隆沉的影響

圖4為第10環(huán)斷面經(jīng)歷不同掘進(jìn)過程時(shí)各測(cè)點(diǎn)的隆沉變化情況.土體在縱斷面上的位移變化情況列于表2.

圖4 不同掘進(jìn)狀態(tài)下第10環(huán)斷面豎向位移

表2 土體在縱斷面上的位移

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至2環(huán)，即開挖面距離10環(huán)斷面為10 m時(shí)，被考察面出現(xiàn)位于隧道軸線上方的最大隆起值為6.3 mm；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至6環(huán)，地表豎向位移由隆起變?yōu)槌两?，但沉降值很小，最大沉降?.5 mm；盾構(gòu)掘進(jìn)至考察斷面后，地表沉降開始增大，并且隨著盾構(gòu)的不斷掘進(jìn)，被考察面上各測(cè)點(diǎn)的沉降量都隨之增大；當(dāng)掘進(jìn)至35環(huán)時(shí)，斷面上的最大沉降量為14.5 mm，位于隧道軸線上方；盾構(gòu)掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)，斷面沉降曲線與35環(huán)時(shí)基本重合，表明盾構(gòu)掘進(jìn)至35環(huán)時(shí)，被考察面上各測(cè)點(diǎn)位移已經(jīng)趨于穩(wěn)定.從整個(gè)過程來看，一個(gè)斷面在盾構(gòu)施工過程中要經(jīng)歷先隆起后變?yōu)槌两?，沉降量逐漸增大直至穩(wěn)定的過程.

表 3為沉降穩(wěn)定時(shí)土體位移在橫斷面上的變化情況.最大沉降位于隧道軸線處；隨著測(cè)點(diǎn)距軸線距離的增加，其沉降量逐漸減小；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距軸線 13 m左右時(shí)，即2～2.5倍隧道直徑時(shí)，測(cè)點(diǎn)沉降量極小，表明此時(shí)土體基本不受盾構(gòu)施工的影響.

表3 土體在橫斷面上的位移

圖5為開挖至40環(huán)時(shí)C2、C4、C6斷面上各測(cè)點(diǎn)的沉降情況.由圖 5可知，沉降曲線都呈正態(tài)分布，與Peck經(jīng)驗(yàn)公式[8]所描述的沉降槽形狀吻合.在盾構(gòu)掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)，隨著C6、C4、C2斷面距離40環(huán)位置的不斷增大，其最大沉降量和沉降槽寬度都有所增加，表明盾構(gòu)施工對(duì)地層的影響具有明顯的空間效應(yīng)，即同一時(shí)刻盾構(gòu)對(duì)不同位置土體產(chǎn)生的影響不同.

圖5 掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)各斷面沉降量對(duì)比曲線

3.2 盾構(gòu)施工對(duì)深層土體隆沉的影響

圖6和圖7分別為盾構(gòu)掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)地下11 m和19 m處各斷面土體的豎向位移曲線.由圖6和圖7可見，盾構(gòu)施工對(duì)深層土體的影響同樣存在著空間效應(yīng)，隨著考察斷面至開挖面距離的增加，深層土體的最大沉降量和最大隆起量都有所增大.據(jù)前述規(guī)律，C2斷面距開挖面距離已經(jīng)超過5倍隧道直徑，可認(rèn)為該斷面土體的隆沉已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).觀察 C2斷面土體隆沉情況，看出深層土體的最大沉降發(fā)生在隧道的頂部，最大值為28.4 mm大于同斷面地表的沉降值.最大隆起發(fā)生在隧道的底部，其值為41 mm，隨著測(cè)點(diǎn)距隧道軸線距離的增大，其隆起量逐漸減小，距軸線6 m以外土體幾乎不受影響.

圖6 地下11 m處各斷面土體豎向位移曲線

圖7 地下19 m處各斷面土體豎向位移曲線

3.3 盾構(gòu)施工對(duì)不同地層沉降的影響

圖8為盾構(gòu)掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)土體豎向位移云圖.從圖8可看出，不同位置、不同深度處土體豎向位移的量級(jí).

圖9為盾構(gòu)掘進(jìn)至40環(huán)時(shí)C2斷面在地表、地下5 m和地下11 m處的沉降曲線.由圖9可知，曲線分布形狀都與Peck公式所描述的沉降槽相似.由3條曲線的對(duì)比可知，最大沉降發(fā)生的位置都在隧道軸線處；隨著土體深度的增加，隧道軸線上方土體的沉降量隨之增大，但沉降影響范圍逐漸減小.從整體來看，越靠近隧道頂，沉降曲線峰值越大，曲線槽幅寬度越窄；越靠近地表，曲線峰值越小，但槽幅寬度越大.

圖9 不同深度處的土體豎向位移曲線

正常情況下，淺表層與深層土體的沉降趨勢(shì)應(yīng)該是一致的，但深層土體對(duì)施工的擾動(dòng)更為敏感，沉降量更大.所以在地下結(jié)構(gòu)日趨增多的今天，不能把施工的控制標(biāo)準(zhǔn)僅局限于對(duì)地表沉降的觀測(cè)，深層土體位移對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該受到更多的關(guān)注.而且，在城市地鐵的修建過程中，城市地表往往存在比下覆土層更為堅(jiān)硬的路面等設(shè)施[9]，所以常常給施工監(jiān)測(cè)造成假象，從而帶來潛伏的隱患.作者認(rèn)為這也許就是造成很多現(xiàn)實(shí)工程中地面的監(jiān)測(cè)結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，但周圍路面、建筑物卻已出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的原因所在.

4 結(jié) 論

(1)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地表任一斷面土體豎向位移都是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程.在開挖面距離考察斷面大致1.5倍隧道直徑時(shí)隆起量最大；進(jìn)入1倍隧道直徑后，由隆起變?yōu)槌两禒顟B(tài)；隨著盾構(gòu)的不斷掘進(jìn)，沉降量逐漸增大，在開挖面超出5倍隧道直徑后沉降趨于穩(wěn)定.

(2)深層土體對(duì)盾構(gòu)施工的擾動(dòng)響應(yīng)更為敏感.整個(gè)盾構(gòu)施工過程中，土體的最大沉降發(fā)生在隧道頂部位置，最大隆起發(fā)生在隧道底部位置.

(3)同一斷面不同深度土層的沉降量隨深度的增加而增大，最大值都位于隧道軸線位置，但沉降影響范圍隨深度增加而呈減小趨勢(shì).

(4)實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)充分考慮城市地表硬殼對(duì)監(jiān)測(cè)造成的影響，應(yīng)采取必要措施監(jiān)測(cè)深層土體的位移情況，以減小其對(duì)地下建、構(gòu)筑物的影響.

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