復(fù)合地層雙線盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降規(guī)律分析

郭 朝

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

城市軌道交通系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)時、安全、舒適、便利和高效等優(yōu)點,對于緩解日益嚴(yán)峻的城市交通擁堵問題、帶動沿線區(qū)域發(fā)展和推動城市經(jīng)濟(jì)增長具有重要作用。盾構(gòu)隧道技術(shù)因其對周邊環(huán)境影響小、安全性高和自動化程度高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于我國城市軌道交通工程區(qū)間隧道建設(shè)領(lǐng)域當(dāng)中。然而,盾構(gòu)法施工仍難以避免引起地層損失,造成地表沉降。

目前,就盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層變形規(guī)律研究,主要采用理論分析方法、基于監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)擬合方法、數(shù)值模擬方法等。王智德等通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析,提出了基于時空關(guān)系的地表沉降分布規(guī)律,并基于Mindlin解推導(dǎo)了預(yù)測公式[1];王忠凱等依據(jù)土體彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,確定了盾構(gòu)掘進(jìn)、離開階段的地層橫向擾動范圍[2];劉建國基于土力學(xué)理論,利用半解析法以及數(shù)值分析法,就引起黃土地層變形的因素進(jìn)行分析[3];李博等探討卵石地層、富水砂層的地表沉降預(yù)測規(guī)律[4-6];于德海等采用數(shù)值模擬方法分析巖質(zhì)地層的變形規(guī)律[7]。王振飛等分析卵石地層單線盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)的地層變形規(guī)律[8-9];張恒等分析了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對地表沉降的影響[10-13];張恒新等依托上海地鐵10號線下穿虹橋機(jī)場工程,結(jié)合三維有限元數(shù)值模擬,分析雙線盾構(gòu)隧道下穿引起的跑道沉降規(guī)律[14]。然而,針對復(fù)合地層中雙線盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律所開展的系統(tǒng)性研究尚不多見。

深圳具有“地質(zhì)博物館”之稱,上軟下硬的復(fù)合地層是其顯著的地質(zhì)特點。依托深圳市軌道交通某區(qū)間隧道工程,采用數(shù)值模擬計算分析方法,從地層復(fù)合比、隧道覆徑比、隧道間徑比3個角度,對復(fù)合地層中雙線盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 工程概況

深圳市軌道交通某區(qū)間隧道工程采用盾構(gòu)法施工,管片內(nèi)徑、外徑、厚度和寬度分別為6.0m、6.7m、0.35m和1.5m。該區(qū)間左線長4121.068m,右線長3992.221m,線間距為14.00～37.35m,隧道頂埋深12.684～53.228m。

隧址區(qū)場地地貌單元為臺地地貌和丘陵地貌,地形整體較為平坦,局部保留原始地貌特征。場地地層主要有人工堆積層,全新統(tǒng)沖洪積層、坡積土、殘積層,侏羅系角巖。隧道洞身范圍內(nèi)地層如下。(1)第四系:①1素填土層;⑧5沖洪積粉質(zhì)黏土層。(2)侏羅系:?1-1全風(fēng)化角巖;?2-1土狀強(qiáng)風(fēng)化角巖;?3-1塊狀強(qiáng)風(fēng)化角巖;?4-1中等風(fēng)化角巖和?5-1微風(fēng)化角巖。其中,左、右線隧道穿越復(fù)合地層,不均勻風(fēng)化角巖地層累計長度分別為1703m、350m,分別占區(qū)間長度的41%、8%。

本區(qū)間地表水主要為沙溪河和東深河。地下水埋深0.20～26.10m,主要為第四系松散巖類孔隙水,賦存于塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化帶中的基巖裂隙水,以及賦存于斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)碎裂巖層中的構(gòu)造裂隙水。沿線地下水主要由大氣降水和地表水補(bǔ)給,通過大氣蒸發(fā)和地下徑流排泄。

3 數(shù)值模型的建立與合理性驗證

3.1 數(shù)值模型的建立

選取本區(qū)間具有復(fù)合地層特征的DK14+100.000～DK14+130.000區(qū)段進(jìn)行建模分析,地層分布見圖1。

圖1 復(fù)合地層分布(單位:m)

為便于分析,同時體現(xiàn)復(fù)合地層的顯著特征,將隧道斷面范圍內(nèi)的?1-1全風(fēng)化角巖層、?2-1土狀強(qiáng)風(fēng)化角巖層合為軟土層?r,其物理力學(xué)參數(shù)取兩種地層的加權(quán)平均值;將?4-1中等風(fēng)化角巖層視為硬巖層,圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。襯砌管片的混凝土強(qiáng)度等級為C50,盾構(gòu)機(jī)盾體材料為Q345B,盾尾注漿層的物理力學(xué)參數(shù)通過將相應(yīng)位置處圍巖的物理力學(xué)參數(shù)提高30%來考慮[15],各項物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌管片和盾構(gòu)機(jī)盾體物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

根據(jù)圖1所示的典型斷面,采用MIDAS/GTS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算。模型尺寸為100m(X)×30m(Y)×48m(Z),以避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響。模型上部邊界為自由面,側(cè)面各邊界約束其法向自由度,底部邊界約束其各向自由度。模型中,圍巖和注漿層采用實體單元模擬,管片襯砌結(jié)構(gòu)、盾殼采用板單元模擬,土倉壓力通過于掌子面施加均布荷載模擬,盾構(gòu)機(jī)頂推力根據(jù)千斤頂分布于管片相應(yīng)位置施加集中力模擬。左線盾構(gòu)隧道先于右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)。數(shù)值模型見圖2。

圖2 數(shù)值計算模型

3.2 數(shù)值模型的合理性驗證

于區(qū)間DK14+120處布設(shè)橫向地表沉降監(jiān)測斷面(見圖3)。地表沉降監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算值見圖4。由圖4可知,地表沉降監(jiān)測值與計算值吻合度較高,數(shù)值模型的合理性得以驗證。監(jiān)測值與計算值之間的差異,主要是由數(shù)值模型中地層的均勻化假定未能反應(yīng)工程實際中地層分布的多樣性而引起。

圖3 橫向地表沉降監(jiān)測斷面(單位:m)

圖4 地表沉降對比

4 復(fù)合地層的地表沉降規(guī)律分析

4.1 地層復(fù)合比對地表沉降的影響

地層復(fù)合比,定義為洞身范圍內(nèi)軟土層厚度與隧道直徑的比值,以α表示。隧道斷面外地層如圖1所示,α取0.00、0.25、0.50、0.75和1.00,隧道埋深、中心間距、管片外徑分別為13m、25m、6.7m時,橫向地表沉降曲線見圖5,最大地表沉降和沉降槽寬度隨α的變化曲線見圖6。

圖5 橫向地表沉降曲線

由圖5、圖6可知,①沉降槽寬度隨α增大而增大,當(dāng)α由0增大到1時,總沉降槽寬度由68m增大到88m,增幅達(dá)29%,隧道中心線外單側(cè)沉降槽寬度(以下簡稱“單側(cè)沉降槽寬度”)由3.2D增大到4.7D(D為管片外徑,余同),增幅達(dá)46%。②地表沉降隨α增大而增大,當(dāng)α由0增大到1時,左線隧道最大地表沉降由9.0mm增大到19.4mm,增幅達(dá)116%,右線隧道最大地表沉降由8.5mm增大到16.7mm,增幅達(dá)96%。③受右線隧道施工影響,左線隧道地表沉降大于右線隧道地表沉降,且這種差異性隨著α的增大而越加明顯;以左線隧道的最大地表沉降為對比基準(zhǔn)(余同),當(dāng)α由0增大到1時,最大地表沉降差異率由5%增大到14%。④地層變形及其影響范圍隨α增大而增大,但當(dāng)α的變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度。

圖6 地表沉降和沉降槽寬度隨α的變化曲線

4.2 隧道覆徑比對地表沉降的影響

隧道覆徑比(指的是隧道覆土厚度與隧道直徑的比值)以β表示。分析模型取覆土厚度為13m、隧道中心間距為25m、α為0.5。管片外徑選取6.0m、6.2m及6.7m,β分別為2.17、2.10和1.94,橫向地表沉降曲線見圖7,最大地表沉降和單側(cè)沉降槽寬度隨β的變化曲線見圖8。

圖7 橫向地表沉降曲線

由圖7、圖8可知,①總沉降槽寬度隨β增大而減小,當(dāng)β由1.94增大到2.17時,總沉降槽寬度由80m減小到68m,減幅為15%,單側(cè)沉降槽寬度由4.1D減小到3.6D,減幅為12%。②地表沉降隨β增大而減小,當(dāng)β由1.94增大到2.17時,左線隧道最大地表沉降由12.6mm減小到7.8mm,減幅為38%,右線隧道最大地表沉降由11.3mm減小到7.8mm,減幅為31%。③受右線隧道施工的二次擾動,左線隧道地表沉降大于右線隧道地表沉降,且這種差異性隨著β的增大而越不明顯,當(dāng)β由1.94增大到2.17時,最大地表沉降差異率由10%減小到0.1%。④地層變形及其影響范圍隨β增大而減小,但當(dāng)β的變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度。

圖8 地表沉降和沉降槽寬度隨β的變化曲線

4.3 隧道間徑比對地表沉降的影響

在地表沉降的影響分析模型中,左線隧道與右線隧道的凈距隨隧道直徑的變化而變化,地層變形及其影響范圍隨之變化,說明隧道凈距是影響地層變形的一個重要方面。

隧道間徑比(指的是平行隧道間的凈距與隧道直徑的比值)以γ表示。取γ為1.0、2.0、3.0、4.0和5.0,隧道斷面外地層如圖1所示。取α、β分別為0.5、1.94,覆土厚度、管片外徑分別為13.0m、6.7m時,橫向地表沉降曲線見圖9,沉降槽寬度、單側(cè)沉降槽寬度和最大地表沉降隨γ的變化曲線分別見圖10、圖11。

圖9 橫向地表沉降曲線

圖10 沉降槽寬度隨γ的變化曲線

由圖9～圖11可知,①總沉降槽寬度隨著γ的增大而增大,當(dāng)γ由1.0增大到5.0時,總沉降槽寬度由64m增大到92m,增幅為43%。②當(dāng)γ為1.0時,地表沉降曲線為單峰形,單側(cè)沉降槽寬度最大,為4.8D,隨著γ的增大,地表沉降曲線逐漸由單峰形變化為雙峰形,單側(cè)沉降槽寬度逐漸減小;當(dāng)γ為2.0時,地表沉降曲線為雙峰形,單側(cè)沉降槽寬度為4.0D,隨著γ的增大,單側(cè)沉降槽寬度略有減小,而沉降曲線形式仍為雙峰形。③當(dāng)γ為1.0時,地表沉降最大,最大地表沉降發(fā)生在隧道中線位置,為19.2mm;隨著γ逐漸增大到2.0,地表沉降迅速減小,最大地表沉降發(fā)生在隧道中心線位置,左線隧道中心線位置、右線隧道中心線位置的地表沉降分別為13.5mm、11.6mm,隨著γ的增大,最大地表沉降略有減小。④隨著γ的增大,地表沉降曲線由單峰形變化為雙峰形,隧道中線位置的地表沉降由γ為1.0時的19.2mm逐漸減小到γ為5.0時的0.35mm,且左線隧道、右線隧道最大地表沉降差異率由γ為2.0時的14%逐漸減小到γ為5.0時的4%,右線隧道施工對左線隧道圍巖的擾動程度、變形疊加作用逐漸減小,地表沉降曲線趨于相互獨立。

圖11 地表沉降隨γ的變化曲線

5 結(jié)論與建議

以深圳市軌道交通某區(qū)間隧道工程為依托,基于地表沉降監(jiān)控量測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模型的合理性,并采用數(shù)值模擬計算方法,從地層復(fù)合比、隧道覆徑比、隧道間徑比3個角度,對復(fù)合地層雙線盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)?shù)貙訌?fù)合比、覆徑比變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度?？偝两挡蹖挾?、單側(cè)沉降槽寬度、地表沉降和左線隧道、右線隧道最大地表沉降差異率隨地層復(fù)合比的增大而增大,隨覆徑比的增大而減小,且差異明顯。

(2)間徑比是影響地表沉降曲線的重要因素,當(dāng)間徑比為1.0時,地表沉降曲線為單峰形,最大地表沉降發(fā)生在隧道中線位置;當(dāng)間徑比為2.0時,地表沉降曲線變化為雙峰形且不隨間徑比的增大而變化,最大地表沉降發(fā)生在隧道中心線位置;當(dāng)間徑比大于2.0時,地表沉降、單側(cè)沉降槽寬度隨間徑比的增大而略有減小,當(dāng)間徑比為5.0時,左線隧道、右線隧道的地表沉降曲線趨于相互獨立。