盾構(gòu)近鄰平行隧道對(duì)地層變形的影響研究

蘇 曼

(咸陽(yáng)市秦都區(qū)村鎮(zhèn)建設(shè)管理站，陜西咸陽(yáng) 712000)

0 引言

目前，城市地鐵的盾構(gòu)施工一般為雙線施工，各個(gè)施工步都將對(duì)土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，引起施工區(qū)周圍土體的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變[1]。因此，對(duì)于平行盾構(gòu)施工，需要對(duì)其埋深、間距、開挖面支護(hù)壓力以及地層損失率等因素進(jìn)行分析。本論文擬以蘇州地鐵二號(hào)線在建盾構(gòu)施工區(qū)間段為實(shí)際工程背景展開，通過數(shù)值模擬的方法探討盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響的機(jī)理，確定影響因素，保證盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)和控制地表沉降，對(duì)我國(guó)城市地鐵建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響[3，4]

盾構(gòu)推進(jìn)施工引起的地表和土體沉降位移的歷時(shí)變化一般分為盾構(gòu)到達(dá)前、盾構(gòu)到達(dá)、盾構(gòu)通過時(shí)、盾尾通過、后續(xù)沉降五個(gè)階段，如圖1所示。盾構(gòu)推進(jìn)方向地表沉降等高線如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)施工引起的沉降階段規(guī)律圖

圖2 盾構(gòu)推進(jìn)方向地表沉降等高線示意圖

1)盾構(gòu)到達(dá)前的超前沉降:測(cè)點(diǎn)離盾構(gòu)切口3 m～20 m范圍內(nèi)所發(fā)生的隆沉變化。超前沉降主要是盾構(gòu)掘削面引起的地下水位降低而發(fā)生的。當(dāng)離盾構(gòu)切口較近時(shí)，受開挖面土體的位移而發(fā)生隆沉。

2)盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的隆沉:測(cè)點(diǎn)離盾構(gòu)切口0 m～3 m范圍內(nèi)所發(fā)生的隆沉變化。不同盾構(gòu)類型形成不同的隧道掘進(jìn)方式，由于掘進(jìn)參數(shù)(如最大千斤頂推力、盾構(gòu)掘進(jìn)速度等)的差別，使掌子

3)盾構(gòu)通過時(shí)的沉降:在盾構(gòu)切口至盾尾(即測(cè)點(diǎn)離切口為0 m～－1 m)范圍內(nèi)，開挖面到達(dá)盾體上方時(shí)，期間發(fā)生的沉降或隆起主要是由于盾體向前移動(dòng)過程中受盾體自重的影響，盾殼對(duì)其周邊地層的摩擦和剪切作用引起，主要表現(xiàn)為地表下沉一般發(fā)生沉降變化，主要是由盾構(gòu)超挖、糾偏蛇行引起的土體擾動(dòng)。

4)盾尾通過后的隆沉:盾尾離開測(cè)點(diǎn)0 m～5 m范圍內(nèi)，由于盾構(gòu)機(jī)外徑大于管片外徑，盾尾離開測(cè)點(diǎn)后，管片外表面與地層間的建筑空隙需要填充，以控制地表變形。

2 工程概況

蘇州軌道交通二號(hào)線蘇州火車車站至三醫(yī)院站分左右線施工，盾構(gòu)左線掘進(jìn)1121環(huán);盾構(gòu)右線掘進(jìn)1137環(huán)。隧道埋深為10.8 m～14.4 m，左右隧道設(shè)計(jì)間距為6.5 m。本區(qū)間隧道采用一臺(tái)日本小松公司配制的TM6340PSX Φ6340土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)本體長(zhǎng)度7 655 mm，采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片寬度為1.2 m，外徑 6.2 m，內(nèi)徑 5.5 m，采取錯(cuò)縫拼裝，推進(jìn)速度0 cm/min～6 cm/min。

根據(jù)地勘資料，隧道施工段土體上部為③2粉質(zhì)粘土層，中部為中密狀④3粉土或粉砂層，下部為軟～流塑狀④5粉質(zhì)粘土層。物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

TM6340PSX Φ6340土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)本體長(zhǎng)度7 655 mm，采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片寬度為1.2 m，外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，采取錯(cuò)縫拼裝，推進(jìn)速度0 cm/min ～6 cm/min。

為了保證隧道施工安全，控制地表沉降，從隧道埋深、隧道間距、開挖面支護(hù)壓力及地層損失率四個(gè)方面進(jìn)行分析。

3 隧道埋深對(duì)地表沉降的影響

選取標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行分析，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析[5，6]。隧道建模圖如圖3所示，平行隧道示意圖如圖4所示。

分析隧道埋深對(duì)地表沉降的影響，采用雙線隧道，間距為一倍洞徑，根據(jù)城市隧道埋深的特點(diǎn)，選取埋深25 m～5 m的范圍進(jìn)行分析。隨著埋深的不同，地表最大沉降值如表2所示，曲線如圖5所示。

圖3 隧道建模示意圖

圖4 平行隧道示意圖

表2 不同埋深條件下地表最大沉降值

圖5 不同埋深條件下地表最大沉降值

城市隧道的埋深一般屬于淺埋的范圍，從表2和圖3可以看出，埋深越大，地表最大沉降值越大，埋深5 m時(shí)，最大沉降值為－5.56 mm，埋深25 m時(shí)，最大沉降值為 －21.61 mm。基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4 隧道間距對(duì)地表沉降的影響

分析隧道間距對(duì)地表沉降的影響，分別對(duì)單隧道、間距一倍洞徑、間距二倍洞徑、間距三倍洞徑四種情況進(jìn)行分析。隨著間距的不同，地表最大沉降值如表3所示，曲線如圖6所示。

表3 不同間距條件下地表最大沉降值

從表3和圖4可以看出，單隧道開挖沉降最小，為－5.09 mm，影響范圍最小，為86 m;一倍洞徑時(shí)沉降最大，為－10.31 mm，影響范圍最大，為96 m;當(dāng)洞徑擴(kuò)大為三倍時(shí)，沉降值接近于單隧道開挖，為－5.13 mm，影響范圍較大，為144 m。

5 開挖面支護(hù)壓力對(duì)地表沉降的影響

TM6340PSX Φ6340為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，選取支護(hù)壓力0.14 MPa，0.17 MPa，0.2 MPa，0.23 MPa，0.26 MPa 五種情況進(jìn)行分析(見表4)。隨著支護(hù)壓力的不同，曲線如圖7所示。

表4 不同開挖面支護(hù)壓力盾構(gòu)開挖最大沉降值統(tǒng)計(jì)表

從圖7可以看出，當(dāng)開挖面壓力為0.14 MPa時(shí)，掌子面前方15 m處地表開始出現(xiàn)沉降，最大地表沉降達(dá)－22 mm;在開挖面后方20 m以外，地表沉降趨于穩(wěn)定。當(dāng)開挖面壓力為0.2 MPa時(shí)，在掌子面前方10 m處地表開始出現(xiàn)沉降，正上方地表最大沉降值為－14.4 mm;在掌子面后方18 m以外，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值約為－10 mm，最大沉降值約為－19.4 mm。當(dāng)開挖面壓力達(dá)到0.26 MPa時(shí)，掌子面前方6 m處地表出現(xiàn)隆起，前方10.8 m處地表出現(xiàn)最大隆起值為－1.5 mm;在掌子面后方20 m以外，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值約為－22.5 mm。分析不同支護(hù)壓力數(shù)據(jù)可以看出在開挖面支護(hù)壓力小于或大于0.2 MPa時(shí)，即對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)，當(dāng)土倉(cāng)壓力小于靜止或稍高于靜止土壓時(shí)，后建隧道開挖后，地表的最大沉降值均發(fā)生了增大的變化。

圖7 不同開挖面支護(hù)壓力時(shí)縱向地表沉降曲線圖

6 地層損失率對(duì)地表沉降的影響

盾構(gòu)施工中，地層損失是造成地表變形的重要原因。本文中采取刀盤切削內(nèi)輪廓斷面一般大于管片外輪廓斷面，這種擴(kuò)大部分以及曲線段和收幅過程的擴(kuò)挖部分地段為超挖。

為研究不同地層損失對(duì)地表沉降的影響，本文選取地層損失率分別為0.5%，0.7%，1.0%，1.2%四種工況進(jìn)行模擬分析。不同地層損失率下地表最大沉降值如表5所示，地表沉降曲線如圖8所示。

表5 不同地層損失率下的最大地表沉降值

圖8 不同地層損失率作用下的地表沉降圖

從圖8可以看出，最大地表沉降量隨著地層損失率的增加而增加，基本呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)盾構(gòu)開挖地層變形的機(jī)理研究，并結(jié)合蘇州地鐵二號(hào)線近鄰平行盾構(gòu)隧道的數(shù)值模擬，分析埋深、間距、開挖面支護(hù)壓力及地層損失率等因素對(duì)地表變形的影響，得出了如下結(jié)論:

1)在城市淺埋隧道中，埋深越深，地表變形越大;2)平行近距隧道施工，間距越小，地表沉降值越大，間距越大，地表沉降值越小。當(dāng)間距大于三倍洞徑時(shí)，最大沉降值與單隧道施工沉降值接近，但影響范圍略大;3)當(dāng)開挖面壓力小于靜止或稍高于靜止土壓時(shí)，前方土體不隆起，但后期位移增長(zhǎng)較大;當(dāng)開挖面壓力大于靜止土壓時(shí)，前方土體隆起，后期位移增長(zhǎng)較小;4)最大地表沉降量隨著地層損失率的增加而增加，基本呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

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