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盾構(gòu)隧道施工地表沉隆變位影響因素研究論文
摘要:研究目的:探明盾構(gòu)隧道施工中各制約因素取值差異對(duì)地表沉隆變位分布規(guī)律的影響。
研究方法:本文以某擬建地鐵城市區(qū)間盾構(gòu)隧道試驗(yàn)段為研究對(duì)象,引入荷載釋放系數(shù)和縱向等效剛度系數(shù),采用三維有限元法對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降槽和縱向沉隆曲線進(jìn)行了研究。
研究結(jié)果:揭示了圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素變化對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起地表沉隆變位的影響,運(yùn)用三維曲線探討了盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的地表沉隆變位曲線空間分布變化規(guī)律。
研究結(jié)論:圍巖條件惡化、隧道埋深減小和頂推力增大都將導(dǎo)致施工引起地表沉隆變位影響的加劇,建議工程施工中采取調(diào)整頂推力等措施以降低施工對(duì)地表環(huán)境的影響。
關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;橫向沉降槽;縱向沉隆曲線;三維有限元;頂推力
盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一環(huán)管片幅寬長(zhǎng)度,毛洞即可在盾殼的支護(hù)下進(jìn)行管片環(huán)拼裝,并通過(guò)同步和壁后注漿向緊靠盾殼后部的開(kāi)挖洞壁與脫離盾尾襯砌環(huán)間注入大量漿液,以防止由于周?chē)馏w向盾尾空隙移動(dòng)而引起的較大地層擾動(dòng)和地表沉降。
眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起地表沉隆變位分布變化規(guī)律進(jìn)行研究并取得了大量成果。文獻(xiàn)[1]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究手段對(duì)廣州地鐵二號(hào)線區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工引起地表沉隆變位分布變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)分析;文獻(xiàn)[2]結(jié)合上海地鐵明珠線盾構(gòu)隧道施工提出了地表沉降預(yù)測(cè)計(jì)算公式及參數(shù)確定方法;文獻(xiàn)[3]在選用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及相關(guān)預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上,對(duì)上海地鐵明珠二期盾構(gòu)隧道施工引起地表變形進(jìn)行了小樣本智能預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[4]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段分析得出了掌子面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離對(duì)沉降量的影響規(guī)律,并對(duì)盾構(gòu)頂推施工中的地表沉降進(jìn)行了階段劃分。
現(xiàn)有研究成果主要是針對(duì)相關(guān)工程具體展開(kāi),缺乏對(duì)各影響因素的對(duì)比分析。因此,本文在盾構(gòu)法施工隧道對(duì)圍巖擾動(dòng)影響基礎(chǔ)上,結(jié)合裝配式襯砌環(huán)向和縱向剛度等效特性,對(duì)圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素影響下的地表沉降槽(帶)空間分布變化規(guī)律進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬和定性分析,研究成果可供工程設(shè)計(jì)和施工參考。
1 工程概況
某擬建地鐵城市二號(hào)線試驗(yàn)段區(qū)間盾構(gòu)隧道位于南北向交主干道下方,地表線路兩側(cè)為1~4層磚混結(jié)構(gòu)民房。區(qū)間隧道縱斷面兩端高中間低,線路全長(zhǎng)1408m,間距13m,隧道結(jié)構(gòu)拱頂埋深7.8~14m,位于上第四系更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、第四系上更新統(tǒng)沖擊層和中砂層,地下水位較低且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。試驗(yàn)段區(qū)間隧道穿越地層在地下水位附近斷續(xù)分布5m厚的軟化層,地層處于硬塑一軟塑狀態(tài),地下水位以上土層具有濕陷性,隧道圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)、局部Ⅴ級(jí)。試驗(yàn)段區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越地層地質(zhì)條件圍巖相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
試驗(yàn)段區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管片,管片環(huán)外直徑6m,內(nèi)直徑5.40m,管片厚0.30m,標(biāo)準(zhǔn)管片幅寬1.50m。整環(huán)采用“1+2+3”模式(即1個(gè)封頂塊,2個(gè)鄰接塊和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊)構(gòu)筑而成。
2 計(jì)算模型及施工模擬
2.1 計(jì)算模型
計(jì)算采用三維有限元法進(jìn)行,計(jì)算模型如圖1(a)所示。為縮短計(jì)算時(shí)間,消除邊界效應(yīng)并滿足較高計(jì)算精度要求,模型長(zhǎng)48m,寬60m,高36m,單次循環(huán)進(jìn)尺3m,共完成16組(原型32環(huán))管片拼裝施工,已拼裝完成管片環(huán)、注漿層和盾構(gòu)機(jī)如圖1(b)所示。
計(jì)算圍巖土體采用實(shí)體單元模擬,本構(gòu)關(guān)系符合摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道是由若干環(huán)向和縱向接頭連接而成的復(fù)雜帶狀空間體,計(jì)算中襯砌管片環(huán)、壁后注漿層及盾構(gòu)機(jī)頭均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,其中由文獻(xiàn)[5]取管片環(huán)環(huán)向剛度折減系數(shù)0.7,由文獻(xiàn)[6]取管片環(huán)縱向等效剛度折減系數(shù)0.01,泊松比和容重不折減,計(jì)算選用各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。由文獻(xiàn)[7]取隧道施工引起圍巖荷載釋放系數(shù)0.25。
2.2 施工過(guò)程模擬
計(jì)算采用生死單元法[8]進(jìn)行盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬,即通過(guò)單元的“殺死”來(lái)模擬隧道核心土體的開(kāi)挖,通過(guò)單元的“激活”來(lái)模擬盾構(gòu)隧道盾尾注漿和管片支護(hù)的形成。
根據(jù)盾構(gòu)隧道施工特點(diǎn),采用三維有限元模擬隧道的施工全過(guò)程主要包括如下幾個(gè)步驟:(1)求解土體初始應(yīng)力場(chǎng),明確各單元的初始應(yīng)力狀態(tài);(2)“殺死”單元,模擬核心土體開(kāi)挖,形成洞周徑向荷載釋放;(3)“激活”單元,模擬管片環(huán)拼裝和注漿層的形成;(4)循環(huán)進(jìn)行,直至整條隧道貫通。
3 成果與分析
3.1 橫向沉降槽
計(jì)算得盾構(gòu)隧道分別完成第4環(huán)、第8環(huán)、第12環(huán)管片拼裝和全隧道貫通后,不同圍巖條件和隧道埋深下,頂推力改變所引起的目標(biāo)斷面1和目標(biāo)斷面2的地表橫向沉降槽分布變化規(guī)律分別如圖2和圖3所示。
對(duì)比分析圖2和圖3可以看出:盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前,受刀盤(pán)頂推力對(duì)前方土體的擠壓效應(yīng)影響,掌子面前方一定距離處地表形成隆起;盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí),受脫離盾殼管片環(huán)和土壁間隙引起地層應(yīng)力損失影響,地表形成較大沉降量且該沉降速率較大,同時(shí)隧道兩側(cè)土體向隧道中線移動(dòng),施工影響范圍擴(kuò)大,地表形成較大橫向沉降槽;隨著掌子面的逐漸遠(yuǎn)離,施工對(duì)地表沉隆變位的影響逐漸減小,地表橫向沉降槽漸趨穩(wěn)定且不再變化。
盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中,圍巖條件、隧道埋深和頂推力等因素差異都在較大程度上制約著地表橫向沉降槽的變化和沉降量的增加。以目標(biāo)斷面1地表橫向沉降槽為例對(duì)各影響因素作用下的地表沉降量進(jìn)行分析,計(jì)算得Ⅴ類(lèi)圍巖、2D埋深和0.3MPa頂推力作用下掌子面下穿目標(biāo)面時(shí)的地表沉降量為0.62cm,約占隧道貫通后總沉降量的40%;圍巖條件減弱,Ⅵ類(lèi)圍巖地表沉降量為0.57cm,約占隧道貫通后總沉降量的20%;埋深減小,1D埋深地表最大沉降量為0.39cm,約占隧道貫通后總沉降量的27%;頂推力增大,0.40MPa頂推力引起的地表沉降量為0.57cm,約占隧道貫通后總沉降量的40%。由此可以看出,修建盾構(gòu)隧道所引起的地表沉降量更多地產(chǎn)生于施工后期,即長(zhǎng)期固結(jié)期,而受施工階段盾尾孔隙、壁后注漿和施工圍巖擾動(dòng)等影響相對(duì)較小。
3.2 縱向沉隆曲線
點(diǎn)繪計(jì)算所得各影響因素作用下,盾構(gòu)隧道分別完成第4環(huán)、第8環(huán)、第12環(huán)管片拼裝和全隧道貫通時(shí)的隧道縱軸線正上方地表縱向沉隆變位分布曲線如圖4所示。由圖中可以看出,受頂推力等因素影響,掌子面前方一定距離處地表形成隆起,隨后逐漸下沉,但下沉趨勢(shì)不斷減緩并最終趨于穩(wěn)定。分析計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,Ⅴ類(lèi)圍巖、2D埋深和0.3MPa頂推力作用引起前方地表最大隆起點(diǎn)距掌子面約15m,圍巖條件減弱,Ⅵ類(lèi)圍巖中該距離約為13.5m;隧道埋深減小,1D埋深下該距離約為6m;頂推力增加對(duì)地表最大隆起量出現(xiàn)位置幾乎沒(méi)有影響,由此可以看出,該隆起點(diǎn)位置受掌子面頂推力影響較小,而隧道埋深和圍巖條件差異是制約地表縱向沉隆曲線變化規(guī)律的關(guān)鍵因素,而其中又以隧道埋深的影響最大,如當(dāng)埋深由2D減小為1D后,該最大隆起量出現(xiàn)位置可縮短約40%。
由各影響因素作用下地表縱向沉隆曲線隨施工進(jìn)程的分布變化規(guī)律可以看出,隧道所處圍巖條件、埋深和頂推力等因素均將在較大程度上影響和制約著地表沉隆曲線的變化規(guī)律。圍巖狀況惡化或隧道埋深的減小都將引起隧道縱軸線正上方地表沉隆變化區(qū)域及變位量的顯著增加;頂推力降低,隧道施工對(duì)地表的影響相應(yīng)削弱。
3.3 沉隆變位分布
由計(jì)算所得地表橫向沉降槽和縱向沉隆曲線,點(diǎn)繪Ⅴ類(lèi)圍巖、2D埋深、0.3MPa頂推力作用下盾構(gòu)隧道分別完成第8環(huán)管片拼裝和隧道全長(zhǎng)貫通后的地表沉隆變位三維分布曲線如圖5所示。由圖中可以看出,盾構(gòu)隧道頂推施工將引起掌子面后方地表形成較大沉降量,受沉降圍巖帶動(dòng)影響,兩側(cè)圍巖擁向隧道中軸線,從而形成沉降槽。受頂推力影響,掌子面前方圍巖產(chǎn)生向上、向前移動(dòng)趨勢(shì),從而形成地表隆起,遠(yuǎn)側(cè)圍巖受隧道施工影響較小,地表沉隆變位不明顯。隧道貫通后,地表形成沿縱軸線對(duì)稱(chēng)沉降槽,受?chē)鷰r次固結(jié)效應(yīng)影響,早期施工完成管片環(huán)上方形成較大沉降量。
4 結(jié)論與建議
結(jié)合廣州地鐵三號(hào)線大-瀝區(qū)間盾構(gòu)隧道施工,采用三維有限元法對(duì)隧道施工過(guò)程中的地表沉隆變位分布變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究和定性分析,揭示和探討了圍巖條件、隧道埋深、頂推力等因素變化引起的地表沉隆變位差異,通過(guò)本文研究可得出如下結(jié)論:
(1)盾構(gòu)隧道施工地層應(yīng)力損失導(dǎo)致后方及掌子面附近地表橫向形成類(lèi)似于Peck沉降曲線的單一沉降槽,刀盤(pán)頂推力擠壓效應(yīng)引起前方地表橫向隆起。地表沉降量主要產(chǎn)生于施工后期的長(zhǎng)期固結(jié)期而受施工期影響相對(duì)較小。
(2)施工地層應(yīng)力損失、后期固結(jié)沉降和掌子面頂推力導(dǎo)致地表縱向呈前隆后沉趨勢(shì)變化。掌子面前方最大隆起點(diǎn)出現(xiàn)位置受隧道埋深影響較大,而隆起量則受?chē)鷰r條件影響較大。
(3)分析不同影響因素作用下的地表沉隆變位分布變化規(guī)律可知,圍巖條件惡化、隧道埋深減小和頂推力的增大都將導(dǎo)致施工對(duì)地表影響的增加,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)在結(jié)合圍巖差異基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整隧道埋深,并在施工中適時(shí)調(diào)整頂推力以降低施工對(duì)地表環(huán)境的影響。
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