地鐵小凈距疊交隧道近接施工影響的數值模擬分析*

葉建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通規劃設計研究院,310006,杭州∥教授級高級工程師)

地鐵小凈距疊交隧道近接施工影響的數值模擬分析*

葉建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通規劃設計研究院,310006,杭州∥教授級高級工程師)

以深圳地鐵7號線紅嶺北站—筍崗站區間工程為背景,通過建立三維數值模型并結合經驗計算公式,研究了盾構隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道對先期施工隧道的影響。基于實際工程中存在的5種工況,對比分析隧道在不同空間角度和凈距下地表沉降的變化規律以及后期施工隧道對先期施工隧道的影響規律。研究結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; 數值模擬

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

近年來,隨著城市軌道交通的快速發展,盾構法得到了廣泛的應用。在實際工程中,由于線路周邊存在建構筑物(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險;因此,針對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先期施工隧道影響的研究具有重要意義。

關于盾構隧道施工引起的地表沉降預測,國內外學者已進行了較多的研究。主要的預測方法為經驗公式法、理論預測法及數值分析法。文獻[1]提出地面沉降槽呈擬正態分布,后來不少國內外學者對該經驗公式進行了改進。文獻[2]假定土體是不可壓縮的均勻彈性半無限體,采用絕對位移作為變量來求解地面以下土體的位移場和應力場,從而得到三維地面變形的理論計算公式。文獻[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推進過程中的變化規律。

關于疊交隧道中后期施工隧道開挖對先期施工隧道的影響的分析,國內外學者也已進行了較多的研究。文獻[4]通過建立三維有限元模型對盾構長距離疊交施工進行三維非線性應力應變分析,并得到后建隧道對已建隧道的影響規律。文獻[5]采用有限元程序ABAQUS對近距離雙線平行隧道掘進進行了動態模擬,分析了盾構新隧道施工對既有隧道的應力分布和襯砌變形等的影響。

本文以深圳地鐵7號線紅嶺北站—筍崗站區間工程為背景,采用三維有限元模擬和經驗公式法相結合的方法,來預測盾構隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道開挖對先期施工隧道的影響,并將地表沉降計算結果與現場實際監測數據相對比,以此來驗證預測的有效性。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律以及后期施工隧道對先期施工隧道的影響,以期對今后類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

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

圖1 深圳地鐵7號線紅嶺北站—筍崗站區間平面圖

本區間采用2臺海瑞克土壓平衡盾構機。左、右線盾構分別從筍崗站西端頭井先后出發,由西向東推進至紅嶺北站。其中,左線率先出洞,與右線盾構相距約100環。隧道襯砌采用的鋼筋混凝土管片外徑為6.0 m,內徑為5.4 m,環寬為1.5 m,厚度為300 mm。管片混凝土等級為C50,抗滲等級為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,并結合文獻[6]、[7]的研究及深圳過往地鐵盾構隧道施工經驗,本區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 疊交隧道施工對地表沉降影響分析

2.1 施工對地表沉降影響的三維有限元數值模擬

2.1.1 三維數值模型及參數選取

考慮開挖對土體的擾動及其影響范圍,三維有限元數值模型尺寸取60 m (x向)×150 m (y向)×40 m (z向),地表為自由面,底部固定,四周側面限制其法向位移。土體本構模型選用摩爾-庫倫模型,物理力學參數見表1。混凝土襯砌采用線彈性模型,強度等級為C 50,彈性模量取3.45×104MPa,泊松比取0.2,剛度折減系數取0.8。為綜合考慮隧道周圍土體擾動、盾尾空隙閉合及注漿填充等作用的影響,在盾構隧道周圍設置等效層進行模擬。根據現場測試并采用文獻[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 實際工況模擬

本區間左右線隧道從水平平行經空間角度和凈距的變化過渡到豎直平行。在簡化實際工程情況以利于數值建模的基礎上,本文取5種實際工況進行計算(見表2)。

盾構隧道施工過程模擬可將盾構跳躍式向前掘進作為一個非連續過程來研究。在本文的有限元數值模擬中,以采用改變材料類型的方法(即剛度遷移法)[9]來實現將盾構向前推進轉換為剛度和荷載的遷移過程。三維數值模型中隧道開挖步長取通用管片環寬1.5 m。根據現場測試,注漿硬化過程中漿體彈性模量按狀態分為初始狀態0.1 MPa,中期狀態4 MPa,穩定狀態10 MPa 3個階段。

表1 模型土層參數

表2 5種實際工況

2.2 地表沉降經驗計算方法

文獻[1]通過對大量工程數據的統計分析,提出地表沉降槽呈擬正態分布,認為土層移動由土體損失引起。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與中心的距離;

Vl——盾構隧道單位長度的地層損失量。

關于沉降槽寬度i的確定,文獻[10]提出:

(3)

式中:

2.3 地表沉降對比分析

為模擬區間盾構隧道實際施工過程對地表沉降的影響,本文采用數值模擬結合經驗計算公式,分別計算5種工況的地表沉降。其中,盾尾地層損失率取0.5%(按盾構隧道正常施工)。計算結果如圖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。地表沉降的數值模擬計算結果與經驗公式計算結果均能與實際地表沉降監測數據較好吻合。從工況1到工況5,地表沉降最大值呈逐漸增大趨勢。其中,工況1和工況5的地表沉降最大值(Smax)發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。由此可知,在工況2至工況4下,埋深較淺的隧道對地表沉降影響較大。工況1開挖對地表沉降影響最小,其地表沉降最大值數值模擬計算結果約為9.11 mm,經驗公式計算結果約為8.58 mm。工況5開挖對地表沉降影響最大,其地表沉降最大值數值模擬結果約為15.34 mm,相比工況1增大6.23 mm;經驗公式計算結果約為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)施工過程中需密切結合現場監測方案,不斷調整土壓平衡盾構機施工參數,以控制盾構推進對地表沉降的影響,確保隧道的安全形態和盾構順利推進。

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、隧道空間角度及凈距等。由于實際施工過程中的5種工況涉及了隧道空間角度和凈距的變化,故本文重點研究上述兩種因素對地表沉降的影響,即采用對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,并結合經驗計算公式驗證,進行地表沉降計算。計算結果如圖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。當隧道凈距為2 m時,地表沉降增加速率最小;當隧道凈距為10 m時,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;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;而且空間角度為90°時,增加速率較大。當空間角度為30°時,地表沉降隨著隧道凈距的增加呈微弱減小趨勢(即減小幅度較小)。這也驗證了圖7中曲線在30°附近交叉的情況。故30°左右為較為特殊關鍵的空間角度。

3 后期施工隧道對先期施工隧道影響分析

疊交隧道中后期施工隧道對先期施工隧道的影響程度與土層性質、隧道空間角度及凈距等密切相關。本文著重研究隧道空間角度和凈距的影響,即對不同的隧道空間角度和凈距分別進行三維有限元模擬,并研究其作用規律。由于隧道拱頂及拱底的位移值是工程中較為關注的問題,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行研究。數值模擬時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,再進行后期施工隧道的開挖,并以此來計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。計算的結果如圖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。水平平行狀態時,后期施工隧道開挖對先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移影響較小;豎直平行狀態時,后期施工隧道開挖對先期施工隧道的拱頂、拱底豎向位移影響較大。因此,在疊交隧道實際施工過程中,后期施工隧道開挖時應對先期施工隧道變形進行密切監測,并采取相應的施工措施來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。當隧道為水平平行狀態時,如凈距達到6 m (即1倍洞徑時),則先期施工隧道拱頂及拱底豎向位移均較小,可認為后期施工隧道開挖對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先期施工隧道的影響較大。因此,在小凈距隧道實際施工過程中,也應同疊交隧道一樣對先期施工隧道進行密切監測,并采取安裝支撐臺車等施工措施控制先期施工隧道變形。

4 結論

本文基于深圳地鐵7號線紅嶺北站—筍崗站區間隧道工程,采用三維數值模擬和經驗計算公式相結合的方法來預測盾構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先期施工隧道的影響,主要有以下幾點結論:

(1) 地表沉降的數值模擬計算結果與經驗公式計算結果均能與實際地表沉降監測數據較好吻合。從工況1到工況5地表沉降最大值呈逐漸增大趨勢。由沉降數據分析可知,在工況2至工況4下,埋深較淺的隧道對地表沉降影響較大。在工況5的施工過程中,應采取相應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,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;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。空間角度為30°時,地表沉降隨著隧道凈距的增加呈微弱減小趨勢(即減小幅度較小)。故30°左右為較為特殊關鍵的空間角度,該角度是否與土體摩擦角相關尚待進一步研究。

(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。當隧道為水平平行狀態時,后期施工隧道開挖對先期施工隧道的拱頂及拱底豎向位移影響較小;當隧道為豎直平行狀態時,后期施工隧道開挖對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。當隧道為水平平行狀態時,如凈距達到6 m (即1倍洞徑時),則后期施工隧道開挖對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,則在各空間角度下,后期施工隧道開挖對先期施工隧道的影響較大。

(6) 在疊交隧道及小凈距隧道實際施工過程中,后期施工隧道開挖時應對先期施工隧道變形進行密切監測,并采取相應的施工措施來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

*浙江省科技計劃項目(2014C33054)

U 456.3; TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.12.006

2015-09-14)