地鐵小凈距疊交隧道近接施工影響的數(shù)值模擬分析*

葉建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,310006,杭州∥教授級(jí)高級(jí)工程師)

地鐵小凈距疊交隧道近接施工影響的數(shù)值模擬分析*

葉建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,310006,杭州∥教授級(jí)高級(jí)工程師)

以深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北站—筍崗站區(qū)間工程為背景,通過建立三維數(shù)值模型并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,研究了盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道對(duì)先期施工隧道的影響。基于實(shí)際工程中存在的5種工況,對(duì)比分析隧道在不同空間角度和凈距下地表沉降的變化規(guī)律以及后期施工隧道對(duì)先期施工隧道的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為今后類似工程提供一定的參考和借鑒。

地鐵; 疊交隧道; 地表沉降; 數(shù)值模擬

Author′s address Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,310006,Hangzhou,China

近年來(lái),隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,盾構(gòu)法得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程中,由于線路周邊存在建構(gòu)筑物(如建筑物樁基、市政管線及已建地鐵隧道等),新建地鐵隧道在空間和線型上受到了較大的限制,上下疊交的情況常不可避免。而上下疊交的隧道施工存在著較大的風(fēng)險(xiǎn);因此,針對(duì)地鐵上下疊交隧道施工引起的地表沉降及后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道影響的研究具有重要意義。

關(guān)于盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降預(yù)測(cè),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了較多的研究。主要的預(yù)測(cè)方法為經(jīng)驗(yàn)公式法、理論預(yù)測(cè)法及數(shù)值分析法。文獻(xiàn)[1]提出地面沉降槽呈擬正態(tài)分布,后來(lái)不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[2]假定土體是不可壓縮的均勻彈性半無(wú)限體,采用絕對(duì)位移作為變量來(lái)求解地面以下土體的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),從而得到三維地面變形的理論計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]采用三維彈塑性有限元法ANSYS程序軟件模擬了交疊隧道土層位移以及地表沉降在盾構(gòu)推進(jìn)過程中的變化規(guī)律。

關(guān)于疊交隧道中后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響的分析,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已進(jìn)行了較多的研究。文獻(xiàn)[4]通過建立三維有限元模型對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離疊交施工進(jìn)行三維非線性應(yīng)力應(yīng)變分析,并得到后建隧道對(duì)已建隧道的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]采用有限元程序ABAQUS對(duì)近距離雙線平行隧道掘進(jìn)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,分析了盾構(gòu)新隧道施工對(duì)既有隧道的應(yīng)力分布和襯砌變形等的影響。

本文以深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北站—筍崗站區(qū)間工程為背景,采用三維有限元模擬和經(jīng)驗(yàn)公式法相結(jié)合的方法,來(lái)預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響,并將地表沉降計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比,以此來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)的有效性。本文著重分析在不同隧道空間角度和凈距的情況下地表沉降的變化規(guī)律以及后期施工隧道對(duì)先期施工隧道的影響,以期對(duì)今后類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

由于受周邊環(huán)境限制,深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北站—筍崗站區(qū)間出紅嶺北站后,沿梅園路自西往東下穿梨園路和寶安北路,區(qū)間左右線由平行轉(zhuǎn)為上下疊交(左線在下,右線在上),最后到達(dá)筍崗站。區(qū)間線路為雙線。左線盾構(gòu)區(qū)間起點(diǎn)里程為DK26+079.000,終點(diǎn)里程為DK26+499.144,含短鏈4.03 m,區(qū)間長(zhǎng)416.114 m。右線盾構(gòu)法區(qū)間起點(diǎn)里程為DK26+157.650,終點(diǎn)里程為DK26+499.144,區(qū)間長(zhǎng)341.494 m。區(qū)間出紅嶺北站時(shí)左右線平面間距為15.7 m,至筍崗站左右線平面間距為0 m。區(qū)間平面走向詳見平面圖1。

圖1 深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北站—筍崗站區(qū)間平面圖

本區(qū)間采用2臺(tái)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。左、右線盾構(gòu)分別從筍崗站西端頭井先后出發(fā),由西向東推進(jìn)至紅嶺北站。其中,左線率先出洞,與右線盾構(gòu)相距約100環(huán)。隧道襯砌采用的鋼筋混凝土管片外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m,環(huán)寬為1.5 m,厚度為300 mm。管片混凝土等級(jí)為C50,抗?jié)B等級(jí)為P10,并采用M24彎螺栓連接。

由于疊線隧道施工工序已較為成熟,并結(jié)合文獻(xiàn)[6]、[7]的研究及深圳過往地鐵盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn),本區(qū)間隧道選擇先開挖下洞再開挖上洞(即先下后上)的施工工序。

2 疊交隧道施工對(duì)地表沉降影響分析

2.1 施工對(duì)地表沉降影響的三維有限元數(shù)值模擬

2.1.1 三維數(shù)值模型及參數(shù)選取

考慮開挖對(duì)土體的擾動(dòng)及其影響范圍,三維有限元數(shù)值模型尺寸取60 m (x向)×150 m (y向)×40 m (z向),地表為自由面,底部固定,四周側(cè)面限制其法向位移。土體本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)倫模型,物理力學(xué)參數(shù)見表1。混凝土襯砌采用線彈性模型,強(qiáng)度等級(jí)為C 50,彈性模量取3.45×104MPa,泊松比取0.2,剛度折減系數(shù)取0.8。為綜合考慮隧道周圍土體擾動(dòng)、盾尾空隙閉合及注漿填充等作用的影響,在盾構(gòu)隧道周圍設(shè)置等效層進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并采用文獻(xiàn)[8]的反分析法,等效層厚度取230 mm,重度為18.5 kN/m3,彈性模量取3.7 MPa,泊松比為0.20。

2.1.2 實(shí)際工況模擬

本區(qū)間左右線隧道從水平平行經(jīng)空間角度和凈距的變化過渡到豎直平行。在簡(jiǎn)化實(shí)際工程情況以利于數(shù)值建模的基礎(chǔ)上,本文取5種實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算(見表2)。

盾構(gòu)隧道施工過程模擬可將盾構(gòu)跳躍式向前掘進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)過程來(lái)研究。在本文的有限元數(shù)值模擬中,以采用改變材料類型的方法(即剛度遷移法)[9]來(lái)實(shí)現(xiàn)將盾構(gòu)向前推進(jìn)轉(zhuǎn)換為剛度和荷載的遷移過程。三維數(shù)值模型中隧道開挖步長(zhǎng)取通用管片環(huán)寬1.5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,注漿硬化過程中漿體彈性模量按狀態(tài)分為初始狀態(tài)0.1 MPa,中期狀態(tài)4 MPa,穩(wěn)定狀態(tài)10 MPa 3個(gè)階段。

表1 模型土層參數(shù)

表2 5種實(shí)際工況

2.2 地表沉降經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法

文獻(xiàn)[1]通過對(duì)大量工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,提出地表沉降槽呈擬正態(tài)分布,認(rèn)為土層移動(dòng)由土體損失引起。假定土體不排水,且體積不可壓縮,則沉降槽體積等于土體損失的體積。橫向地表沉降估算式為:

(1)

(2)

式中:

Smax——隧道軸線上方地表最大沉降量;

i——地表沉降槽寬度,即沉降曲線曲率反彎點(diǎn)與中心的距離;

Vl——盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度的地層損失量。

關(guān)于沉降槽寬度i的確定,文獻(xiàn)[10]提出:

(3)

式中:

2.3 地表沉降對(duì)比分析

為模擬區(qū)間盾構(gòu)隧道實(shí)際施工過程對(duì)地表沉降的影響,本文采用數(shù)值模擬結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,分別計(jì)算5種工況的地表沉降。其中,盾尾地層損失率取0.5%(按盾構(gòu)隧道正常施工)。計(jì)算結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 工況1地表沉降

圖3 工況2地表沉降

圖4 工況3地表沉降

圖5 工況4地表沉降

圖6 工況5地表沉降

由圖2～6可知,實(shí)際施工過程中5種工況均引起了不同程度的地表沉降。地表沉降的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果均能與實(shí)際地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好吻合。從工況1到工況5,地表沉降最大值呈逐漸增大趨勢(shì)。其中,工況1和工況5的地表沉降最大值(Smax)發(fā)生在模型正中間位置。工況1的Smax在兩隧道軸線連線中間位置,工況5的Smax在上下疊交隧道軸線重合處,工況2至工況4的Smax位置均在偏埋深較淺隧道一側(cè)。由此可知,在工況2至工況4下,埋深較淺的隧道對(duì)地表沉降影響較大。工況1開挖對(duì)地表沉降影響最小,其地表沉降最大值數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果約為9.11 mm,經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果約為8.58 mm。工況5開挖對(duì)地表沉降影響最大,其地表沉降最大值數(shù)值模擬結(jié)果約為15.34 mm,相比工況1增大6.23 mm;經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果約為14.66 mm,相比工況1增大6.08 mm;增加幅度分別約為68.4%和70.9%,因此,在工況5(即上下小凈距疊交狀態(tài))施工過程中需密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案,不斷調(diào)整土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù),以控制盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表沉降的影響,確保隧道的安全形態(tài)和盾構(gòu)順利推進(jìn)。

2.4 地表沉降影響因素

地表沉降的影響因素較多,如隧道埋深、土層性質(zhì)、隧道空間角度及凈距等。由于實(shí)際施工過程中的5種工況涉及了隧道空間角度和凈距的變化,故本文重點(diǎn)研究上述兩種因素對(duì)地表沉降的影響,即采用對(duì)不同的隧道空間角度和凈距分別建立三維有限元模型模擬,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式驗(yàn)證,進(jìn)行地表沉降計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖7及圖8所示:

圖7 不同凈距隧道地表沉降隨空間角度的變化曲線

圖8 不同空間角度隧道地表沉降隨隧道凈距的變化曲線

由圖7可知,在隧道凈距不變的情況下,隨著隧道空間角度的增加,地表沉降均呈增加趨勢(shì)。當(dāng)隧道凈距為2 m時(shí),地表沉降增加速率最小;當(dāng)隧道凈距為10 m時(shí),地表沉降增加速率最大,且地表沉降的增加速率也隨著空間角度的增加而增加。不同凈距隧道地表沉降隨空間角度變化曲線均在30°附近交叉,這也從圖8中得到了驗(yàn)證。

由圖8可知,在隧道空間角度為0°和30°的情況下,隨著隧道凈距的增加,地表沉降均呈減小趨勢(shì);在隧道空間角度為45°、60°和90°的情況下,隨著隧道凈距的增加,地表沉降呈增加趨勢(shì);而且空間角度為90°時(shí),增加速率較大。當(dāng)空間角度為30°時(shí),地表沉降隨著隧道凈距的增加呈微弱減小趨勢(shì)(即減小幅度較小)。這也驗(yàn)證了圖7中曲線在30°附近交叉的情況。故30°左右為較為特殊關(guān)鍵的空間角度。

3 后期施工隧道對(duì)先期施工隧道影響分析

疊交隧道中后期施工隧道對(duì)先期施工隧道的影響程度與土層性質(zhì)、隧道空間角度及凈距等密切相關(guān)。本文著重研究隧道空間角度和凈距的影響,即對(duì)不同的隧道空間角度和凈距分別進(jìn)行三維有限元模擬,并研究其作用規(guī)律。由于隧道拱頂及拱底的位移值是工程中較為關(guān)注的問題,故本文中取后期施工隧道開挖引起的先期施工隧道拱頂及拱底豎向位移進(jìn)行研究。數(shù)值模擬時(shí)在先期施工隧道開挖完成后將其拱頂及拱底位移值置零;然后,再進(jìn)行后期施工隧道的開挖,并以此來(lái)計(jì)算后期施工隧道開挖引起的先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移值。計(jì)算的結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 不同凈距先期施工隧道拱頂豎向位移隨空間角度的變化曲線

由圖9及圖10可知,在隧道凈距不變的情況下,先期施工隧道拱頂及拱底豎向位移均隨著隧道空間角度的增加而增加,且拱底豎向位移增加速率隨著空間角度增加而逐漸放緩。水平平行狀態(tài)時(shí),后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移影響較小;豎直平行狀態(tài)時(shí),后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的拱頂、拱底豎向位移影響較大。因此,在疊交隧道實(shí)際施工過程中,后期施工隧道開挖時(shí)應(yīng)對(duì)先期施工隧道變形進(jìn)行密切監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的施工措施來(lái)控制先期施工隧道的變形(如在先期施工隧道中安裝支撐臺(tái)車等)。

圖10 不同凈距先期施工隧道拱底豎向位移隨空間角度的變化曲線

圖11 不同空間角度先期施工隧道拱頂豎向位移隨凈距的變化曲線

圖12 不同空間角度先期施工隧道拱底豎向位移隨凈距的變化曲線

由圖11及圖12可知,在隧道空間角度不變的情況下,先期施工隧道拱頂、拱底豎向位移均隨著隧道凈距的增加而減小。當(dāng)隧道為水平平行狀態(tài)時(shí),如凈距達(dá)到6 m (即1倍洞徑時(shí)),則先期施工隧道拱頂及拱底豎向位移均較小,可認(rèn)為后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響較小;如隧道凈距為2 m,則在各空間角度下,先期施工隧道的拱頂及拱底位移均較大,即后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響較大。因此,在小凈距隧道實(shí)際施工過程中,也應(yīng)同疊交隧道一樣對(duì)先期施工隧道進(jìn)行密切監(jiān)測(cè),并采取安裝支撐臺(tái)車等施工措施控制先期施工隧道變形。

4 結(jié)論

本文基于深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北站—筍崗站區(qū)間隧道工程,采用三維數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式相結(jié)合的方法來(lái)預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降以及疊交隧道中后期施工隧道對(duì)先期施工隧道的影響,主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 地表沉降的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果均能與實(shí)際地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好吻合。從工況1到工況5地表沉降最大值呈逐漸增大趨勢(shì)。由沉降數(shù)據(jù)分析可知,在工況2至工況4下,埋深較淺的隧道對(duì)地表沉降影響較大。在工況5的施工過程中,應(yīng)采取相應(yīng)施工措施以控制地表變形。

(2) 在隧道凈距不變的情況下,隨著隧道空間角度的增加,地表沉降均呈增加趨勢(shì),且地表沉降的增加速率也隨著空間角度的增加而增加。

(3) 在隧道空間角度為0°和30°的情況下,隨著隧道凈距的增加,地表沉降均呈減小趨勢(shì);在隧道空間角度為45°、60°和90°的情況下,隨著隧道凈距的增加,地表沉降呈增加趨勢(shì)。空間角度為30°時(shí),地表沉降隨著隧道凈距的增加呈微弱減小趨勢(shì)(即減小幅度較小)。故30°左右為較為特殊關(guān)鍵的空間角度,該角度是否與土體摩擦角相關(guān)尚待進(jìn)一步研究。

(4) 在隧道凈距不變的情況下,先期施工隧道拱頂及拱底豎向位移均隨著隧道空間角度的增加而增加,且拱底豎向位移增加速率隨著空間角度增加而逐漸放緩。當(dāng)隧道為水平平行狀態(tài)時(shí),后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移影響較小;當(dāng)隧道為豎直平行狀態(tài)時(shí),后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移影響較大。

(5) 在隧道空間角度不變的情況下,先期施工隧道拱頂、拱底豎向位移均隨著隧道凈距的增加而減小。當(dāng)隧道為水平平行狀態(tài)時(shí),如凈距達(dá)到6 m (即1倍洞徑時(shí)),則后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響較小。如隧道凈距為2 m (小凈距隧道)時(shí),則在各空間角度下,后期施工隧道開挖對(duì)先期施工隧道的影響較大。

(6) 在疊交隧道及小凈距隧道實(shí)際施工過程中,后期施工隧道開挖時(shí)應(yīng)對(duì)先期施工隧道變形進(jìn)行密切監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的施工措施來(lái)控制先期施工隧道的變形。

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Numerical Simulation Analysis of the Interactive Impact between Small-clear-distance Overlapped Metro Tunnels during Construction

YE Jianzhong, TU Meiji, QIU Fan

Based on the tunnel construction between North Hongling Station and Sungang Station on Shenzhen Metro Line 7,a 3D numerical simulation model is established,and the empirical formulas are used to study the ground surface settlement caused by shield tunnel construction and the impact of the pre and post tunnel constructions.Based on 5 types of practical circumstances,the change rules of ground surface settlement and the impact rules of later tunnelling on early tunnelling under different space angles and clear distances are compared.The main conclusion of the research could be used as a reference for similar projects in the future.

metro; overlapped tunnel; ground surface settlement; numerical simulation

*浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014C33054)

U 456.3; TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.12.006

2015-09-14)