盾構(gòu)快速穿越法超淺覆土及負(fù)覆土隧道施工預(yù)測分析

趙辛瑋, 馬永其,2, 滕 麗

(1.上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海 200072;2.上海大學(xué)理學(xué)院,上海 200444; 3.上海城建(集團(tuán))公司,上海 200122)

盾構(gòu)快速穿越法超淺覆土及負(fù)覆土隧道施工預(yù)測分析

趙辛瑋1, 馬永其1,2, 滕 麗3

(1.上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海 200072;2.上海大學(xué)理學(xué)院,上海 200444; 3.上海城建(集團(tuán))公司,上海 200122)

盾構(gòu)快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技術(shù)是一種盾構(gòu)機(jī)從地表直接始發(fā)掘進(jìn),最后在設(shè)定目標(biāo)地點(diǎn)直接掘進(jìn)到地表的新型施工方法.以南京機(jī)場城軌URUP法隧道示范工程為背景,利用三維非線性有限元方法( fi nit element method,FEM),對URUP法隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬.預(yù)測分析了隧道施工過程中超淺覆土和負(fù)覆土區(qū)間的地表變形規(guī)律、施工影響范圍以及最終沉降值.分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)比較吻合,說明了數(shù)值模擬的有效性和預(yù)測分析的可信性.

預(yù)測分析;盾構(gòu)快速穿越法;三維有限元模擬;地表沉降

傳統(tǒng)的地下盾構(gòu)隧道施工需要修建施工豎井、地下連續(xù)墻,開挖施工引道等.由于基坑和引道等需要大型設(shè)備進(jìn)行施工,施工影響區(qū)域和設(shè)備本身占地面積大,不僅影響地面交通,而且大型設(shè)備施工噪音大,影響周圍居民正常生活.為解決上述傳統(tǒng)盾構(gòu)施工方法帶來的諸多不便,新的盾構(gòu)快速穿越(ultra-rapid under pass,URUP)法隧道施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1].在該施工技術(shù)中,盾構(gòu)機(jī)從地表直接始發(fā)掘進(jìn),最后在設(shè)定目標(biāo)地點(diǎn)直接掘進(jìn)到地表(見圖1).由于將隧道和引道一起施工,無需施工豎井和大開挖施工引道,因此,該技術(shù)能夠有效減少征地、拆遷以及大型機(jī)械設(shè)備的使用.另外,由于僅在結(jié)構(gòu)段需要進(jìn)行土體開挖,在減小土體挖方量的同時(shí)也進(jìn)一步減小了對環(huán)境的影響,實(shí)現(xiàn)了對土體和能源的高效利用.因此,URUP法隧道施工技術(shù)是一種具有良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的新型盾構(gòu)隧道施工方法,有著廣闊的應(yīng)用前景.

URUP法隧道施工技術(shù)最早由日本株式會(huì)社大林組于2003年提出并開始研發(fā),2008年首次將其應(yīng)用于實(shí)際工程中[1-2].2010年荷蘭的Delft理工大學(xué)也開始進(jìn)行相關(guān)的理論研究[3]. Keizo等[2]基于對矩形土壓盾構(gòu)地面始發(fā)、到達(dá)試驗(yàn)段工程的施工研究,驗(yàn)證了URUP法隧道施工技術(shù)在矩形盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中的可行性.Hitonari等[4]介紹了URUP法隧道施工技術(shù)的首次實(shí)際工程應(yīng)用——中央環(huán)形品川線(東京都)大井區(qū)隧道施工項(xiàng)目.該項(xiàng)目地上道路與地下隧道道路之間的連接段采用了該施工技術(shù),其中圓形斷面形式的盾構(gòu)機(jī)首次應(yīng)用于該工法,并取得了預(yù)期效果.Toshiaki等[5]介紹了URUP法隧道施工全過程,列舉了該技術(shù)的若干關(guān)鍵問題.Yamauchi等[6]以兩項(xiàng)URUP法隧道實(shí)際工程應(yīng)用為背景,探討了盾構(gòu)機(jī)在保持開挖面穩(wěn)定的條件下,從地面始發(fā)大傾角掘進(jìn)至超淺覆土的施工控制技術(shù).上述文獻(xiàn)都是對URUP法隧道施工技術(shù)方面的介紹與論述.Brijer[3]將日本的URUP法隧道施工技術(shù)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)荷蘭地下水位埋深較淺的地層環(huán)境,分析了該技術(shù)與傳統(tǒng)盾構(gòu)法在施工長度不超過250m的地下通道中的應(yīng)用結(jié)果.通過對比研究發(fā)現(xiàn),該技術(shù)較常規(guī)盾構(gòu)施工法具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.張子新等[7]依托URUP法隧道施工技術(shù)在我國南京城際快速軌道秣將區(qū)間隧道示范工程中的首次應(yīng)用,探索分析了該方法在工程中主要施工參數(shù)的合理選擇和有效的控制技術(shù).

圖1 超淺覆土下URUP法隧道施工示意圖Fig.1 Construction of shield tunnel with URUP method

由于數(shù)值模擬方法具有能夠適應(yīng)復(fù)雜邊界條件,可以考慮土體與襯砌的相互作用及土體的非線性特性,分析結(jié)果全面詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn),更適合規(guī)律性研究與總結(jié),因此被廣泛運(yùn)用于盾構(gòu)法隧道施工研究中.為了模擬盾構(gòu)施工工序、后續(xù)地層位移、隧道開挖周圍及地表的應(yīng)力狀態(tài)等因素對地面沉陷的影響,Lee等[8-9]發(fā)展了一種三維彈塑性有限元方法( fi nit element method, FEM),給出了非線性問題的求解步驟和適用于三維隧道分析的彈塑性土體本構(gòu)模型.王敏強(qiáng)等[10]運(yùn)用剛度遷移法模擬盾構(gòu)推進(jìn),采用權(quán)剛度修正Goodman單元處理存在兩種材料的混合接觸剛度.張利民等[11]運(yùn)用三維有限差分軟件FLAC3D,考慮了盾構(gòu)機(jī)、注漿壓力、土倉壓力等因素,對盾構(gòu)掘進(jìn)施工進(jìn)行了數(shù)值仿真,得到了一定條件下地表沉降槽和縱向地表變形規(guī)律.張海波等[12]在全面分析土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中影響周圍土體變形各主要因素的基礎(chǔ)上,提出了一種能夠綜合考慮各種因素的盾構(gòu)施工三維非線性有限元模擬方法.李曙光等[13]使用有限差分軟件FLAC3D 模擬分析了地鐵盾構(gòu)法隧道施工誘發(fā)的地面沉降.朱合華等[14-15]在有限元分析中考慮了盾構(gòu)襯砌接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)和盾尾注漿材料在施工中由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的凝固過程,采用注漿材料的變剛度等效法來模擬其力學(xué)變化,并對在均布和非均布注漿壓力下,土壓力及襯砌內(nèi)力的計(jì)算值與實(shí)測值作了比較分析,發(fā)現(xiàn)非均布條件下的計(jì)算值較均布條件更接近實(shí)測值.尚國慶等[16]采用非線性有限元分析軟件Abaqus,對超大型泥水平衡盾構(gòu)在淺覆土工況下的施工過程進(jìn)行了非線性有限元三維仿真模擬.模型較全面地考慮了盾構(gòu)施工過程中土體、盾構(gòu)、管片和漿體之間的相互作用,較好地反映了泥水平衡盾構(gòu)的實(shí)際施工過程.寧寅等[17]運(yùn)用有限元分析軟件Abaqus模擬了泥水盾構(gòu)沿弧線下穿已有隧道的施工過程,分析并預(yù)測了盾構(gòu)施工對已建隧道和地表的影響.上述文獻(xiàn)都是針對盾構(gòu)在深埋掘進(jìn)工況下施工過程的數(shù)值模擬.

然而,從圖1可以看出,在URUP法隧道施工過程中盾構(gòu)的上覆土厚度是變化的,其整個(gè)施工過程將經(jīng)歷負(fù)覆土(盾構(gòu)機(jī)部分掘出地表)、超淺覆土(上覆土厚度小于0.5D,其中D表示隧道直徑diameter)、淺覆土等施工區(qū)段,其中超淺覆土和負(fù)覆土施工階段是傳統(tǒng)盾構(gòu)施工中不曾遇到的問題.由于覆土極淺,土體擾動(dòng)較深埋施工明顯,因此極易造成土體破壞,給施工帶來很大困難.朱合華等[18]運(yùn)用MARC分析系統(tǒng)對某污水管道超淺埋盾構(gòu)法隧道施工過程進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬,重點(diǎn)分析了盾構(gòu)襯砌變形及錨桿受力.張所明等[19]使用有限元數(shù)值分析,計(jì)算了外灘通道工程淺覆土大盾構(gòu)施工產(chǎn)生的豎直沉降和水平位移,分析了對鄰近已建建筑物的影響.吳惠明等[20]基于上海軌道交通9號線某區(qū)間隧道超淺覆土條件下的典型工況,通過對其工程監(jiān)測試驗(yàn)、施工參數(shù)以及控制技術(shù)措施的有效性進(jìn)行分析,得出了對超淺覆土施工有效的控制技術(shù)措施.陳林[21]對某地鐵出入段線盾構(gòu)法隧道施工過程的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,探討了盾構(gòu)施工小半徑、淺覆土始發(fā)引起的地表沉降規(guī)律、沉降槽分布形式及其影響范圍、沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律、沉降量概率分布的統(tǒng)計(jì)分析等.上述關(guān)于淺埋隧道施工問題的研究工作大多是對施工參數(shù)以及監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析為主.

本研究以國內(nèi)首次應(yīng)用URUP法隧道施工方法的南京機(jī)場城軌隧道示范工程為背景,對URUP法隧道施工過程進(jìn)行了三維非線性數(shù)值模擬,主要針對超淺覆土和負(fù)覆土區(qū)間隧道施工過程的地表變形規(guī)律以及施工影響范圍進(jìn)行相關(guān)預(yù)測,分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中超淺覆土和負(fù)覆土區(qū)間地表變形的特點(diǎn),以期對工程實(shí)施起到一定的指導(dǎo)作用.

1 工程概況

1.1 工程背景

如圖2所示,南京機(jī)場城際快速軌道位于將軍路站至秣陵站之間的隧道,由地下段和地上段組成,符合URUP法隧道新技術(shù)實(shí)施的需要.因此,將該區(qū)段作為URUP法隧道示范工程.本研究即是對該示范工程自地下段至地上段區(qū)間施工過程的地表沉降及其影響范圍進(jìn)行預(yù)測分析.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘測資料,本工程沿線地層分布從上到下的次序如下:①-2層壓實(shí)填土,厚度一般在1.2～5.2m,工程地質(zhì)性能一般;下伏④-1b1粉質(zhì)粘土,硬塑,中壓縮性,工程地質(zhì)性能較好;坳溝段上部分布②-1b2層粉質(zhì)粘土,可塑為主,局部硬塑狀態(tài),強(qiáng)度中等,工程地質(zhì)性能較好;②-3c1-2層粉土,濕,密實(shí)狀態(tài),局部中密,強(qiáng)度中等,工程地質(zhì)性能一般;下部分布④-1b1.基底主要為侏羅系龍王山組安山巖:J3l-1全風(fēng)化安山巖,風(fēng)化強(qiáng)烈,砂土狀?yuàn)A碎塊狀,局部粘土化,工程地質(zhì)性能變化較大,土質(zhì)一般;J3l-2強(qiáng)風(fēng)化安山巖,巖芯呈塊狀,工程地質(zhì)性能較好;J3l-3中風(fēng)化安山巖,巖芯呈柱狀,工程地質(zhì)性能好.圖3為本工程隧道縱斷地質(zhì)剖面圖.各巖土層具體的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示.

圖2 示范工程地理位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the geographical position of the demonstration project

圖3 隧道縱斷地質(zhì)剖面圖Fig.3 Longitudinal geologic section of tunnel

表1 巖土層的基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

2 有限元模型及模擬方法

2.1 模型建立及參數(shù)擬定

示范工程采用自主研發(fā)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī).盾構(gòu)機(jī)長為7.92m,盾殼外徑為6.34 m,盾殼厚為7 cm,刀盤外徑(切削直徑)為6.38 m.襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片,混凝土強(qiáng)度等級為C50,管片環(huán)外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,管片寬為1.2 m,厚為0.35 m.模型中盾殼、襯砌單元均采用線彈性材料本構(gòu),相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)如表2所示.

由圖3所示的隧道縱斷地質(zhì)剖面圖可見,示范工程沿線所處的巖土層豎向分布不均勻,因此,本研究建立了接近真實(shí)巖土層分布環(huán)境的三維有限元模型,使數(shù)值模擬過程更接近真實(shí)工況.圖4為用Abaqus軟件建立的有限元模型.

表2 盾殼、襯砌模型的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of shield and lining

圖4 地層分布及三維有限元網(wǎng)格圖Fig.4 Strata distribution and 3D FEM mesh

該模型尺寸沿隧道縱軸向(x軸方向)長為150 m,隧道橫軸向(z軸方向)為60 m,豎向(y軸方向)為30m.模型共有230687個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為249392,其中線性六面體非協(xié)調(diào)模式單元(C3D8I)228 542個(gè),放坡面局部采用二次四面體修正單元(C3D10M)2 145個(gè).

計(jì)算模型的邊界條件如下:上表面取為自由邊界,側(cè)面限制水平方向移動(dòng),放坡面無位移約束條件;底部固定;根據(jù)實(shí)際工況,盾構(gòu)在出洞段部分,在盾殼單元底部限制其豎向位移.

模型中巖土體的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示.與盾殼、襯砌單元不同的是,巖土體是典型的“摩阻”型材料,其強(qiáng)度與所處的壓力狀態(tài)具有非常密切的關(guān)系.因此,在盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)的數(shù)值模型中,土體采用彈塑性材料本構(gòu),其屈服準(zhǔn)則服從Drucker-Prager準(zhǔn)則.

在數(shù)值模擬過程中,將一些與施工過程密切相關(guān)但又不易量化的變量(如盾尾空隙大小、注漿充填程度、隧道壁面土體受擾動(dòng)的程度和范圍等)概化為均質(zhì)、等厚的等代層.用等代層替換襯砌周圍實(shí)際的土層能較客觀地反映這些不易量化的因素對地表位移的綜合影響.具體方法如下:在襯砌結(jié)構(gòu)周邊采用均質(zhì)、等厚、彈性的等代層替換襯砌周圍實(shí)際的土層,讓其產(chǎn)生的地表沉降等效于考慮盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填和隧道壁面受擾動(dòng)等多種施工因素造成的地表沉降,從而使一些不易量化的因素在計(jì)算模型中得以實(shí)現(xiàn).等代層按線彈性材料計(jì)算,其參數(shù)根據(jù)張?jiān)频萚22]的反分析結(jié)果,結(jié)合地層特性、隧道管徑和注漿情況等因素綜合確定.模型中等代層的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示.

表3 等代層的物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of equivalent layer

2.2 URUP法隧道施工過程的三維有限元模擬方法

考慮到超淺覆土、負(fù)覆土下盾構(gòu)掘進(jìn)施工對土體擾動(dòng)效應(yīng)增大,URUP法隧道施工過程的數(shù)值模擬共采用如下6個(gè)步驟.

(1)初始地應(yīng)力的計(jì)算與平衡.首先,“殺死”盾構(gòu)、管片、等代層單元,僅就土體單獨(dú)施加重力,計(jì)算初始地應(yīng)力場.然后,將初始地應(yīng)力場施加于模型,進(jìn)行地應(yīng)力平衡.由于本工程有限元模型較復(fù)雜,土層分布不規(guī)則,初始地應(yīng)力平衡采用導(dǎo)入地應(yīng)力場文件的方法進(jìn)行.

(2)施加開挖面壓力,對欲開挖土體進(jìn)行應(yīng)力釋放.刀盤前方欲開挖土體由于受到刀盤的推力和扭矩作用,土體受擾動(dòng)后應(yīng)力釋放.考慮到盾構(gòu)在超淺覆土、負(fù)覆土工況下掘進(jìn)施工對土體擾動(dòng)效應(yīng)增大的特點(diǎn),模擬過程在對欲開挖土體單元進(jìn)行剛度折減的同時(shí)再進(jìn)行一定的密度折減.

(3)土體開挖,“殺死”開挖土體,同時(shí)激活盾構(gòu)單元.“殺死”刀盤前方欲開挖土體,同時(shí)激活相應(yīng)盾構(gòu)單元,施加開挖面土倉壓力和盾殼與土體的相互作用.盾殼與土體的相互作用采用硬接觸模擬.

(4)管片安裝,“殺死”盾尾盾構(gòu)單元,同時(shí)激活襯砌(管片)單元和初始等代層,施加盾尾注漿壓力.模擬注漿效果對盾尾空隙的填充作用.

(5)等代層硬化.改變初始等代層的單元材料屬性為凝結(jié)硬化,同時(shí)卸載盾尾注漿壓力.

(6)循環(huán)步驟(2)～步驟(5).

計(jì)算步長采取每步長向前掘進(jìn)一個(gè)襯砌(管片)單元的寬度(1.2 m),模擬過程為盾構(gòu)從始發(fā)位置(第1環(huán))掘進(jìn)至到達(dá)地表(盾構(gòu)推進(jìn)至第90環(huán))再到第90環(huán)等代層凝結(jié)硬化(盾構(gòu)推進(jìn)至第99環(huán),盾尾共92環(huán)管片),共計(jì)計(jì)算載荷步191步.由于在盾構(gòu)實(shí)際施工時(shí),盾尾注漿硬化需要一定的時(shí)間,因此本工程在數(shù)值模擬時(shí)假定管片脫出盾尾2環(huán)以后,注漿硬化完成,開挖面壓力及盾尾注漿壓力采用面荷載施加到相應(yīng)的單元面上.整個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算過程利用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行.

2.3 非線性計(jì)算

為了預(yù)測URUP法示范工程安全穩(wěn)定的施工過程,本研究模擬計(jì)算了采用穩(wěn)定平衡的開挖面土壓力進(jìn)行整個(gè)施工過程的開挖,計(jì)算中同時(shí)施加重力、盾殼與土體的摩擦力及盾尾注漿壓力.

在每一個(gè)計(jì)算載荷步中建立如下的非線性有限元求解方程:

式中,Kep(a)為彈塑性剛度矩陣,a為位移向量,Δa為位移增量向量,ΔQ為載荷增量向量.

采用Newton-Raphson迭代方法求解方程(1).計(jì)算時(shí)將載荷向量P分為若干個(gè)微小增量ΔP,對于結(jié)構(gòu)每次受到的一個(gè)微小載荷增量ΔP,已知初始結(jié)構(gòu)位移為a0,初始結(jié)構(gòu)載荷為P0,結(jié)構(gòu)載荷P1=P0+ΔP.令a=a0,ΔQ=ΔP,代入方程(1)可計(jì)算出關(guān)于結(jié)構(gòu)在這一步增量后的位移修正值Δa0:

于是得到第一次近似解a1=a0+Δa0,定義殘差值為

令a=a1,ΔQ=R1,代入方程(1)～(3)即可得到修正值Δa1、第二次近似解a2及殘差值R2.重復(fù)上述迭代,可得到第n次近似解an及殘差值Rn:

3 模型可靠性驗(yàn)證

考慮到地表沉降不會(huì)在盾構(gòu)開挖后立即穩(wěn)定,以盾構(gòu)掘進(jìn)40環(huán)以內(nèi)的地表沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證,將模擬計(jì)算結(jié)果與施工中布設(shè)的相應(yīng)沉降監(jiān)測點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.施工中的縱向沉降監(jiān)測點(diǎn)由始發(fā)端每3環(huán)(間距3.6 m)位置布設(shè)一個(gè).相應(yīng)地,在若干縱向監(jiān)測點(diǎn)位置處垂直于隧道軸線方向布置橫向監(jiān)測點(diǎn),橫向監(jiān)測點(diǎn)大致對稱地布置在軸線兩側(cè),每隔2～3 m布設(shè)一個(gè).

盾構(gòu)掘進(jìn)完成40環(huán)(48 m)后,隧道縱斷面的沉降分布云圖如圖5所示,模型模擬計(jì)算的地表沉降數(shù)據(jù)與實(shí)測值的比較如圖6所示.

圖5 掘進(jìn)至第40環(huán)(48m)時(shí),距離地層豎向的位移分布云圖Fig.5 Vertical ground contour displacement when excavated to the 40th ring(48m)

圖6 掘進(jìn)至第40環(huán)(48 m)時(shí),隧道軸線縱向地表沉降曲線與已有監(jiān)測值的比較Fig.6 Comparison between simulated longitudinal subsidence curve and monitoring data of the ground surface when excavated to the 40th ring(48 m)

由于距工作面后方25 m位置處的地表沉降基本趨于穩(wěn)定,圖6中自始發(fā)位置(坐標(biāo)原點(diǎn))至隧道軸線距離23 m之間的曲線分布可視為隧道縱軸線穩(wěn)定的地表沉降曲線.可以看出,盾構(gòu)機(jī)在該區(qū)段正常掘進(jìn)時(shí),模型模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近,計(jì)算所得的地表穩(wěn)定沉降值與實(shí)測數(shù)據(jù)也基本相吻合.

圖7分別給出了第15和33環(huán)橫斷面地表沉降分布數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果.可以看出,橫斷面中心處地表累計(jì)沉降值最大,切口上方兩側(cè)有輕微隆起,沉降量、隆起量沿隧道中心線呈對稱分布,沉降主要分布在距軸線兩側(cè)各10 m范圍內(nèi),距軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.模型模擬計(jì)算所得橫向沉降區(qū)域與實(shí)測沉降范圍比較接近,累計(jì)沉降最大值的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果也吻合得較好.

圖7 橫向沉降計(jì)算值與監(jiān)測值的比較Fig.7 Comparison between simulated transverse settlements and monitoring data of the ground surface

綜上,通過比較模型模擬計(jì)算得到的隧道縱、橫斷面地表沉降曲線與實(shí)測的沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),計(jì)算結(jié)果較好地吻合了盾構(gòu)隧道施工所造成的實(shí)測地表沉降.這表明本研究所建立的針對URUP法隧道施工的三維非線性有限元模型及模擬計(jì)算方法是有效可行的,由此所得出的預(yù)測計(jì)算結(jié)果也是合理可信的.

4 預(yù)測分析

4.1 地表沉降預(yù)測分析

圖8 掘進(jìn)至第60環(huán)(72 m)位置時(shí)的地層位移云圖Fig.8 Ground contour displacement when excavated to the 60th ring(72 m)

圖9 掘進(jìn)至第60環(huán)(72 m)位置時(shí),隧道軸線上方縱向地表沉降位移曲線Fig.9 Simulated longitudinal subsidence curve of the ground surface when excavated to the 60th ring(72 m)

圖8為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至第60環(huán)(72 m)位置處,隧道縱斷面地層位移云圖.圖9為模擬計(jì)算開挖至第60環(huán)(72 m)位置處,隧道軸線上方縱向地表沉降計(jì)算結(jié)果.此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)至隧道覆土厚度約0.5D處.總體來看,地表沉降不明顯.此后,盾構(gòu)掘進(jìn)將進(jìn)入超淺覆土區(qū)間.

圖9所示為盾構(gòu)出洞后地層沉降穩(wěn)定(最后一環(huán)等代層單元硬化)時(shí),隧道軸線上方縱向地表沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果.由于盾構(gòu)機(jī)于90 m附近位置處已掘出地表,故后續(xù)負(fù)覆土掘進(jìn)區(qū)間無地表沉降的計(jì)算結(jié)果.

從圖9和10中隧道軸線上方地表沉降計(jì)算結(jié)果可以看出,盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)過程和隧道整體施工完畢后所引起的地表沉降量基本控制在2～6 mm之間,沉降值較小主要與盾構(gòu)掘進(jìn)過程所經(jīng)歷的巖土層(粉質(zhì)粘土、粉土和全風(fēng)化安山巖等)工程地質(zhì)性能較好有關(guān).距盾構(gòu)始發(fā)端15～40 m位置區(qū)間范圍內(nèi)的地表沉降值比較小(見圖9,該段曲線呈輕微隆起狀),其原因主要是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)于該區(qū)間掘進(jìn)所經(jīng)歷的土層主要為工程地質(zhì)性能較好的粉質(zhì)粘土和安山巖(見圖3),因此其沉降值較其他位置小.盾構(gòu)始發(fā)階段15 m范圍內(nèi)的地表沉降量較大,最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)位置處,約為5.5 mm.

圖10 隧道軸線上方縱向地表最終穩(wěn)定沉降位移曲線Fig.10 Simulated longitudinal subsidence curve of the ground surface when eventually stabilized

4.2 超淺覆土區(qū)間沉降變化規(guī)律預(yù)測分析

本研究將超淺覆土掘進(jìn)區(qū)段模擬過程第79環(huán)(覆土厚度約為0.1D)位置處的斷面作為預(yù)測基準(zhǔn)面,分析了該超淺覆土區(qū)段數(shù)值模擬的沉降結(jié)果隨時(shí)間發(fā)展的差異.將示范工程的深埋掘進(jìn)區(qū)段第15環(huán)(覆土厚度約為0.75D)位置處的斷面作為參考斷面,分析對比了超淺覆土(見圖11(a))與深埋覆土(見圖11(b))隧道施工沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律的異同.

圖11中的橫坐標(biāo)代表計(jì)算點(diǎn)到開挖面的距離.當(dāng)基準(zhǔn)面為開挖面時(shí)位于圖中橫坐標(biāo)0處.圖中自右向左從正值減少到0表示盾構(gòu)機(jī)開挖面與基準(zhǔn)面距離逐漸接近;從0減少到負(fù)值則表示盾構(gòu)通過并逐漸遠(yuǎn)離基準(zhǔn)面.

圖11 隧道開挖過程中不同位置處的地表沉降計(jì)算結(jié)果Fig.11 Simulated subsidence curves of the ground surface during tunnel excavation

從圖11(a)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出:超淺覆土下掘進(jìn)對縱向地表的顯著影響區(qū)域?yàn)榈侗P前方10 m至盾構(gòu)刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上;刀盤后方20 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定,最大累計(jì)沉降值在3 mm以內(nèi).參考圖11(a)中斷面沉降量計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間的發(fā)展過程可以看出,變化過程可大體分為如下3個(gè)階段.

(1)輕微隆起,可由圖中盾構(gòu)機(jī)開挖面前方約4～10 m之間地表所產(chǎn)生的輕微隆起得到.該階段的隆起發(fā)展趨勢總體表現(xiàn)為由距基準(zhǔn)面較遠(yuǎn)處的變化緩慢到臨近5m處的快速發(fā)展,其中開挖面前方隆起約0.1 mm.該階段所產(chǎn)生的隆起主要是由盾構(gòu)掘進(jìn)推力與開挖面前方土壓力失衡所致.

(2)盾構(gòu)通過沉降,可由圖中盾構(gòu)機(jī)刀盤至盾尾整體通過基準(zhǔn)斷面前后沉降差值約為2.5 mm的結(jié)果得到.該階段的沉降發(fā)展趨勢總體表現(xiàn)為快速增長.該階段所產(chǎn)生的沉降主要是盾構(gòu)掘進(jìn)過程對土體的擾動(dòng),以及由于盾構(gòu)的刀盤外徑(切削直徑)往往稍大于盾殼直徑所引起的地層損失使土體應(yīng)力釋放所致.

(3)盾尾空隙沉降,可由圖中盾尾通過基準(zhǔn)斷面之后所引起的約0.5 mm的沉降量結(jié)果得到.該階段的沉降發(fā)展趨勢總體表現(xiàn)為由盾尾后方附近沉降值的快速增長到距盾尾后方約10 m處的沉降發(fā)展變化減緩,并逐漸趨于穩(wěn)定.該階段所產(chǎn)生的沉降主要是盾構(gòu)尾部的建筑空隙致使其周圍土體應(yīng)力釋放引起土體產(chǎn)生彈塑性變形所致.

從以上隧道沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律的有限元計(jì)算結(jié)果可以看出,超淺覆土區(qū)間由盾構(gòu)掘進(jìn)引起前方土體卸荷導(dǎo)致的地面沉降量占地表最大沉降量的30%左右,大部分地面沉降是由盾構(gòu)通過以及盾尾后的建筑空隙引起的.開挖面后方地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)開挖面距離的增加逐漸趨于穩(wěn)定,在盾構(gòu)開挖面后方約20 m的位置,地層沉降基本趨于穩(wěn)定.

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,在總結(jié)和分析超淺覆土隧道施工引發(fā)地面沉降規(guī)律的基礎(chǔ)上,對比了示范工程的深埋覆土隧道施工情況,分析了二者沉降規(guī)律的異同.

從圖11(b)中的計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,示范工程的深埋覆土下盾構(gòu)掘進(jìn)的縱向主要影響區(qū)域?yàn)榈侗P前方15 m至盾構(gòu)刀盤后方30 m,其中顯著影響區(qū)域?yàn)榈侗P前方10 m左右至盾構(gòu)刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上.刀盤后方25 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定,最大累計(jì)沉降量在5 mm以內(nèi).從參考斷面沉降量計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間的發(fā)展過程可以看出,盾構(gòu)于深埋覆土區(qū)段掘進(jìn)其縱向地表沉降過程(見圖11(b),覆土厚度約為0.75D)與盾構(gòu)于超淺覆土(見圖11(a),覆土厚度約為0.1D)的發(fā)展趨勢及速率大體一致,整個(gè)過程亦可分為3個(gè)階段,分別為開挖面前方沉降(或隆起)階段、盾構(gòu)通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.

綜上可以得到,除地表沉降量、縱向地表的顯著影響區(qū)域以及盾尾后方的沉降穩(wěn)定距離不同外,盾構(gòu)超淺覆土掘進(jìn)與盾構(gòu)深埋覆土掘進(jìn)地表縱向沉降發(fā)展趨勢及速率基本一致,整個(gè)過程均可分為3個(gè)階段:開挖面前方沉降(或隆起)階段、盾構(gòu)通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.

4.3 負(fù)覆土區(qū)間影響范圍預(yù)測分析

將負(fù)覆土掘進(jìn)區(qū)段模擬過程第85和87環(huán)(覆土厚度約為—0.3D)斷面位置作為預(yù)測基準(zhǔn)面.由于在負(fù)覆土工況下,盾構(gòu)機(jī)與襯砌結(jié)構(gòu)部分已掘出地表,故在負(fù)覆土區(qū)間以沉降穩(wěn)定時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算得到的地表橫斷面沉降曲線分布結(jié)果進(jìn)行施工影響范圍的預(yù)測分析(見圖12).

圖12 橫斷面地層豎向位移分布云圖Fig.12 Vertical ground contour displacement

圖13分別為第85和87環(huán)(覆土厚度約為—0.3D)斷面位置處變形穩(wěn)定后的橫斷面地表隆沉有限元計(jì)算結(jié)果.可以看出,橫斷面隆沉曲線在臨近襯砌位置處的地表輕微隆起,隆起量在1.2 mm左右;在襯砌位置與距隧道軸線約10 m范圍內(nèi)沉降值急劇減小而后曲線趨于平緩;在遠(yuǎn)離隧道軸線,距隧道軸線約15 m以外地表基本無隆沉.因此,負(fù)覆土區(qū)間盾構(gòu)施工引起的土體變形規(guī)律為臨近襯砌位置處地表出現(xiàn)輕微隆起,隆起量沿著隧道中心線呈對稱分布,隆起范圍主要分布在距隧道軸線兩側(cè)各15 m范圍內(nèi),距隧道軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.

圖13 橫向隆沉計(jì)算值Fig.13 Simulated transverse settlements of the ground surface

5 結(jié)論

(1)本研究以國內(nèi)首個(gè)URUP法隧道施工技術(shù)的實(shí)際工程為背景,對URUP法隧道施工過程進(jìn)行了有限元建模與數(shù)值模擬,預(yù)測了超淺覆土和負(fù)覆土區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工過程的地表變形規(guī)律以及施工影響范圍.

(2)基于三維非線性有限元數(shù)值計(jì)算,預(yù)測了示范工程的地表沉降結(jié)果.由于盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間的巖土層工程地質(zhì)性能較好,最終的地表沉降量并不大,最大沉降出現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)段.

(3)預(yù)測分析了超淺覆土區(qū)段掘進(jìn)其縱向地表沉降隨時(shí)間的發(fā)展過程,可分為3個(gè)階段:開挖面前方隆起階段、盾構(gòu)通過沉降階段和盾尾空隙沉降階段.超淺覆土區(qū)段以穩(wěn)定平衡土壓掘進(jìn)的縱向顯著影響區(qū)域?yàn)榈侗P前方10 m左右至盾構(gòu)刀盤后方20 m左右位置區(qū)間,其間沉降量約占總沉降量的90%以上,刀盤后方20 m位置處沉降基本趨于穩(wěn)定.

(4)預(yù)測了負(fù)覆土區(qū)段以穩(wěn)定平衡土壓掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)施工的影響范圍分布在距軸線兩側(cè)各15 m范圍內(nèi),距軸線15 m以外區(qū)域幾乎不受影響.

(5)比較了地表沉降的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果較好地吻合了盾構(gòu)隧道施工實(shí)測結(jié)果.這說明本研究所采用的三維有限元模型及模擬方法能夠很好地模擬URUP法隧道掘進(jìn)施工對土體變形的影響,驗(yàn)證了示范工程預(yù)測分析結(jié)果的有效性和可信性.

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Predictive analysis on shield tunnel using ultra-rapid under pass method

ZHAO Xin-wei1,MA Yong-qi1,2,TENG Li3
(1.Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University, Shanghai 200072,China; 2.College of Sciences,Shanghai University,Shanghai 200444,China; 3.Shanghai Urban Construction Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)

Ultra-rapid under pass(URUP)is a new shield construction method.The shield machine directly excavate from surface of the beginning section to the surface of the target location.Based on the demonstration project of Nanjing shield tunnel using the URUP method,the whole shield construction process is simulated with a three dimensional nonlinear fi nite element method(FEM).The ground surface subsidence,the a ff ected area, and the fi nal settlement of ultra-thin ground coverage and partially out of the ground in the shield process are predicted and analyzed.Comparison with the measured data shows that the calculation is reliable.The results provide useful guidance to the project,and may be used as a reference for analysis of similar projects.

predictive analysis;ultra-rapid under pass(URUP)method;3D fi nit element method(FEM)simulation;ground surface settlements

TU 447

A

1007-2861(2015)04-0454-13

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.040

2014-02-26

上海市科委基金資助項(xiàng)目(11231202700)

馬永其(1966—),男,博士,副教授,研究方向?yàn)榈叵鹿こ碳跋嚓P(guān)力學(xué).E-mail:mayq@sta ff.shu.edu.cn