青島地區(qū)盾構(gòu)隧道曲線掘進(jìn)沉降規(guī)律研究

孟成龍,王旭春,朱既賢,周光宏,洪 勇

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

0 引言

在曲線隧道的掘進(jìn)過程中,盾構(gòu)施工不當(dāng)會(huì)造成地表沉降,沉降過大不僅影響周邊建筑、地下管線,而且會(huì)引起地表塌陷,影響隧道施工和周邊環(huán)境安全。因此,研究曲線隧道的沉降規(guī)律很有必要。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地表沉降的研究已取得較多成果。趙國強(qiáng)等[1]基于南昌地鐵部分區(qū)間砂土地層地表沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用數(shù)學(xué)回歸分析的方法對(duì)盾構(gòu)施工過程前后地表沉降進(jìn)行了理論分析和研究,得出了地表沉降規(guī)律。劉治富[2]對(duì)鄭州軌道交通5號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行了實(shí)時(shí)沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),探討了盾構(gòu)法施工階段發(fā)生地面沉降的主要成因,并提出了相應(yīng)的處治措施。高夢(mèng)怡[3]對(duì)以杭州某地鐵線路盾構(gòu)施工段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計(jì)分析,以地表沉降、隧道沉降和隧道收斂為研究對(duì)象,研究了高水位粉土地層沉降的一般規(guī)律。祝嘉輝等[4]結(jié)合淮安地鐵1號(hào)線淮安東站盾構(gòu)工作井段連鎮(zhèn)高速鐵路下EPB盾構(gòu)隧道在黃河泛濫區(qū)富水粉砂層地質(zhì)條件下的施工參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,分析得出盾構(gòu)隧道在高速鐵路路基下的沉降變化規(guī)律。王志芬[5]利用FLAC3D對(duì)北京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間下穿既定河道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,通過調(diào)整注漿壓力的方式有效控制了地表沉降值。施建勇等[6]通過解析算法對(duì)隧道開挖引起的地表變形問題進(jìn)行計(jì)算,得出了沉降變形規(guī)律。王敏強(qiáng)等[7]對(duì)某地下隧道工程的盾構(gòu)推進(jìn)過程進(jìn)行了仿真計(jì)算,提出遷移法模擬盾構(gòu)前行過程,得出了盾構(gòu)推進(jìn)過程的地表變形和土體擾動(dòng)規(guī)律。朱既賢等[8]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)富水地層的地表沉降進(jìn)行研究,得出了圍巖孔隙水壓力、圍巖豎向應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律。因此,用數(shù)值模擬的方法來研究曲線隧道的沉降規(guī)律是可行的,從應(yīng)力區(qū)、塑性區(qū)、位移場(chǎng)分析沉降是非常有必要的。

文章以青島地鐵正春盾構(gòu)區(qū)間為工程背景,通過數(shù)值模擬分析,結(jié)合實(shí)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)分析研究了盾構(gòu)隧道曲線段掘進(jìn)地層變形規(guī)律及控制措施,研究結(jié)果可以為相關(guān)曲線隧道的掘進(jìn)提供參考。

1 工程概況

青島地鐵一號(hào)線正春區(qū)間起訖里程 K66+996.700～K68+350.450,總長1353.75m,區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,區(qū)間線間距14m,洞頂隧道頂覆土厚為9.0～16.6m,盾構(gòu)隧道存在曲線轉(zhuǎn)彎段,曲線轉(zhuǎn)彎半徑R=350m,地下水為孔隙潛水,水量較大,圍巖等級(jí)為Ⅵ級(jí),當(dāng)掘進(jìn)過程中處理不當(dāng)時(shí),極易引起坍塌變形。沿線地層主要分布在粗砂和砂礫地層中,土層的自穩(wěn)能力極差,且曲線段掘進(jìn)會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生一定的影響,施工難度較大,因此對(duì)曲線隧道的沉降規(guī)律研究是很有必要的。圖1所示為隧道地質(zhì)剖面,圖1中數(shù)字代表環(huán)號(hào)。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面圖

由圖1可知,地層自上而下為素填土、第⑦層粉質(zhì)黏土、第⑦1層中砂、第⑨層中砂、第⑨1層粗砂～礫砂、強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化安山巖,區(qū)間隧道主要穿越第⑨1層粗砂～礫砂,各地層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層主要力學(xué)參數(shù)表

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比的方法進(jìn)行研究。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),隧道上方布點(diǎn)較密,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2 數(shù)值模擬分析

現(xiàn)階段數(shù)值模擬軟件對(duì)分析地表沉降規(guī)律來說,較為可靠。因此,利用地質(zhì)勘探資料,建立盾構(gòu)隧道曲線掘進(jìn)的數(shù)值模型,分別從應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)和位移場(chǎng)三個(gè)方面分析盾構(gòu)隧道曲線掘進(jìn)的地表沉降規(guī)律。

2.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工資料對(duì)Y=45m(開挖中心點(diǎn)處)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,如圖3所示。

圖3 Y=45m處應(yīng)力云圖

在盾構(gòu)開挖過程中,盾構(gòu)開挖造成暫時(shí)性的應(yīng)力釋放以及臨空面的產(chǎn)生,導(dǎo)致圍巖原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布,開挖處的上部和底部出現(xiàn)了應(yīng)力彎曲現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)力場(chǎng)周圍大約2倍盾構(gòu)直徑范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力產(chǎn)生影響,距離2倍盾構(gòu)直徑外圍巖應(yīng)力基本不受影響。在開挖處斷面會(huì)造成應(yīng)力的偏移,主要表現(xiàn)為向臨空處偏移,且隨著開挖步驟的延續(xù),應(yīng)力偏移及應(yīng)力數(shù)值也隨之增加。應(yīng)力場(chǎng)圍繞開挖部分呈漏斗狀非對(duì)稱分布,主要原因是曲線隧道開挖油缸推力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向曲線內(nèi)側(cè)的側(cè)向分力。

2.2 塑性區(qū)分析

提取模型Y=45m(開挖中心點(diǎn)處)隧道圍巖塑性區(qū)云圖。在曲線隧道的開挖過程中,曲線的內(nèi)側(cè)所受到的土壓力及推力比外側(cè)受到的要大,故在隧道的開挖過程中塑性區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布(外側(cè)塑性比內(nèi)側(cè)好),拱頂處圍巖向洞內(nèi)收斂。隧道開挖面周圍土體塑性區(qū)主要以剪切屈服為主,盾構(gòu)隧道中心還有少量的拉伸屈服,對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很不利。

2.3 位移場(chǎng)分析

2.3.1豎向位移場(chǎng)分析

模擬過程中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上部位移曲線與下部位移曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 分布開挖監(jiān)測(cè)點(diǎn)上部位移云圖

圖5 分布開挖監(jiān)測(cè)點(diǎn)下部位移云圖

由圖4、圖5可知,從開挖初始至隧道開挖60m后,開挖頂部位移表現(xiàn)為豎直向坍塌,拱頂最大沉降為2.45mm;開挖底部位移表現(xiàn)為豎直向隆起,最大隆起為2.98mm;隧道的頂部沉降及底部隆起均在可控范圍之內(nèi)。上述位移是由于模型開挖,土體面開挖處臨空,上部土體在重力作用下坍塌,下部土體由于約束的突然消失,在地應(yīng)力的擠壓下,向臨空處隆起,且隨著開挖步驟的延續(xù),這些頂部下榻,底部隆起的效果更加明顯。

2.3.2橫向位移場(chǎng)分析

提取監(jiān)測(cè)斷面DC39處地面沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型Y=45m的橫向沉降與縱向沉降進(jìn)行對(duì)比分析,如圖6、圖7所示。

圖6 地表沉降實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比圖

圖7 地面縱向沉降對(duì)比圖

由圖6可知,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)本吻合且模擬曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線均符合正態(tài)分布,說明計(jì)算模型的建立與參數(shù)的選取具備合理性。

根據(jù)圖7可知,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)縱向沉降趨勢(shì)一致,曲線的最大差值為1.2mm,說明模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的沉降值能在可控范圍之內(nèi),具備一定的合理性。因此,利用數(shù)值模擬的方法是可行的。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在一定誤差,主要原因是在實(shí)際施工中地質(zhì)是非均質(zhì)的,實(shí)際開挖使盾構(gòu)機(jī)會(huì)不斷調(diào)整施工參數(shù),模擬盾構(gòu)曲線開挖時(shí)未能考慮相關(guān)因素。

3 結(jié)論

針對(duì)曲線隧道,采用數(shù)值模擬的方法分析盾構(gòu)隧道曲線掘進(jìn)地面變形機(jī)理,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù),研究了盾構(gòu)隧道曲線段施工地面沉降變形規(guī)律。主要得出以下結(jié)論:

(1)應(yīng)力場(chǎng):盾構(gòu)開挖處的上部和底部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要是因?yàn)殚_挖導(dǎo)致圍巖原有的邊界條件發(fā)生改變,造成暫時(shí)性的應(yīng)力釋放以及臨空面的產(chǎn)生,使得地應(yīng)力發(fā)生了重分布。盾構(gòu)開挖進(jìn)行過程中,應(yīng)力場(chǎng)圍繞開挖部分形成了漏斗狀非對(duì)稱分布,隧道開挖處斷面產(chǎn)生應(yīng)力的偏移,表現(xiàn)為向臨空處偏移,主要原因是曲線隧道開挖油缸推力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向曲線內(nèi)側(cè)的側(cè)向分力。

(2)塑性區(qū):由于盾構(gòu)沿曲線掘進(jìn),左右油缸推力不對(duì)稱,隧道周圍塑性區(qū)呈非對(duì)稱分布,拱頂處圍巖向洞內(nèi)收斂。隧道開挖面周圍土體塑性區(qū)主要以剪切屈服為主,盾構(gòu)隧道中心還有少量的拉伸屈服,對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很不利,施工時(shí)應(yīng)該采取必要的加固措施。

(3)位移場(chǎng):盾構(gòu)在曲線段開挖過程中,位移呈非對(duì)稱分布,地表最大沉降值向曲線內(nèi)側(cè)偏移,開挖洞口上部位移下沉,底部隆起,且隨著開挖步驟的延續(xù),這些頂部下榻,底部隆起的效益更加明顯,故在開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)在頂部和底部注重進(jìn)行加固。