盾構隧道各施工階段沉降三維數值模擬分析

2019-11-07 09:43:42陳炳渠合肥工業大學汽車與交通工程學院安徽合肥230009

安徽建筑 2019年10期

陳炳渠（合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽合肥 230009）

0 前言

隧道開挖實際上是一個復雜的動態過程，盾構機盾頭處掌子面上支持力的大小、盾構機的形狀、盾構機盾尾空隙的大小、注漿壓力的大小以及襯砌施加的及時與否等等因素都會對隧道實際開挖的整個過程有影響。在這個過程中土體經歷了復雜的位移變化過程，二維數值模擬等其它方法更多的是用來模擬某斷面處地表沉降[1-3]，并不能很好的說明沿隧道開挖方向上土體的位移規律，也并不能很好的體現各施工因素對隧道開挖各個過程的影響，因此有必要建立三維模型對隧道開挖的整個過程進行研究。

然而從研究現狀來看，現階段三維數值模擬中仍存在以下問題：①有些文章雖然用的是三維數值模擬，其采用的方法是等代層法或者應力釋放法，這兩種方法的關注點通常是隧道的最終地表沉降，而不是沉降的過程，因此并沒有模擬實際施工各個因素[4-5]；②有些三維數值模擬中考慮的因素并不全面，大多考慮了掌子面支撐力、襯砌、盾尾注漿等的影響，而對盾構機形狀、注漿體凝固、注漿壓力的梯形分布等因素考慮的較少[6-7]。

因此，本文使用有限差分軟件FLAC 3D，通過精細化建模來模擬隧道的三維開挖過程。

1 工程背景

1.1 工程概述

法國里昂市軌道交通D號線的延線位于Gorge du Loup站至Vaise站之間[8]，延線總長950 m。考慮到軟土可能出現較大沉降，采用盾構法施工。

為了減少軟土的擾動，盾構機開挖刀盤位于盾頭的內部，開挖時不會產生超挖，隧道開挖的主要支撐為8m長的圓錐形盾構機，如圖1所示，該錐形盾構機由長2m半徑3.135m的盾頭，長3m半徑3.125m的盾身和長3m直徑逐漸從3.125m到3.12m的盾尾組成，盾尾空隙為13.5 cm，每環襯砌長1m厚0.35m。

圖1 盾構機簡化圖

1.2 工程地質概述

隧道土層由上到下分布分別為：①素填土層厚0～3 m；②棕色淤泥質粉質黏土層厚3～5 m；③淡棕色淤泥質粉土層厚5～8 m；④黃褐色淤泥質粉土層厚8～12 m；⑤灰色黏土層厚12～15 m；⑥砂礫土層厚15～18.4 m；⑦18.4 m以下全部為片麻巖。

隧道區間開挖主要涉及土層為黃褐色淤泥質粉土土層，灰色黏土土層和砂礫土土層。地下水位線為-3.3 m，隧道中軸埋深為-13.6 m。

從隧道開挖區間的拱頂到地表，大部分為淤泥質土層，且該隧道埋于地下水位線以下，因此很容易受到擾動。

1.3 隧道施工階段劃分

為了考慮錐形盾構機在隧道開挖過程中對土體位移的影響，參考其它文獻[6,8]的階段劃分，將隧道開挖過程分為3個階段，如圖3所示。

圖3 地表沉降發展圖

第一階段為盾頭通過目標掌子面時，該階段影響地表沉降的主要因素是掌子面上的支持力。當掌子面上的支持力足夠時，地表沉降較小；支持力不足時，地表沉降較大，支持力過大時，地表會隆起。

第二階段為盾尾通過目標掌子面時，該階段影響地表沉降的主要因素是盾構機的形狀。由于盾構機為錐形，此階段盾構機周圍的土體會繼續向隧道內側位移，地表沉降增加。

第三階段為施加襯砌階段，由于襯砌的施加使得隧道周圍土體的擾動逐漸達到平衡，地表沉降達到最大值。

圖4 各階段地表沉降監測數據

1.4 現場監測概述

復雜的地質條件需要精確的現場監測數據來進行研究，地鐵延線的監測點布置有兩處：現場First Site和Second Site。對于First Site處，有2個監測斷面，分別位于Vaise站31 m處和65 m處。Second Site位于距離Vaise 800 m處。本文取First Site處的監測斷面二為研究對象，隧道周圍土中監測點布置如圖2黑點所示。各施工階段的地表沉降監測數據如圖4所示。

第一階段：監測數據中地表沉降的最大值約為0.59 mm，約占最大沉降值的22.8%。

第二階段：監測數據中地表沉降的最大值約為0.70 mm，相對于上一階段的監測數據值，新增沉降值0.11 mm，約占最大沉降值的4.2%。

第三階段：監測數據中地表沉降的最大值約為2.59 mm，相對于上一階段的監測數據值，新增沉降值1.89 mm，約占最大沉降值的73%。

2 數值模擬

2.1 隧道開挖有限元模型及參數

本文使用FLAC 3D對盾構隧道的開挖過程進行精細化模擬。圖5為盾構隧道模型，模型尺寸在水平方向長為104 m，在豎直方向為23 m，隧道中軸埋深為-13.6 m，隧道直徑為6.27 m，地下水位線為-3.3 m。模型左右兩側約取開挖隧道直徑的7倍。隧道襯砌結構采用均質圓環假設，為線彈性模型，楊氏模量E取30GPa，泊松比v取0.2，采用板單元來模擬。所建模型一共有實體單元190560個，節點198372個。盾構隧道模型上表面為設置為自由約束，下表面設置為全約束，左右兩邊邊界沿隧道開挖方向施加法向約束，前后兩個面沿截面方向施加法向約束。對整個盾構隧道模型施加方向為豎直向下的重力。整個盾構隧道開挖模型由四部分組成，分別是隧道開挖的圓柱體單元、注漿體的殼單元、襯砌的殼單元以及周圍土體部分。隧道開挖處附近的土體，網格劃分加密，遠離隧道開挖處的土體，網格劃分稀疏。

2.2 土體本構模型選取

圖5 三維數值模擬網格

MC模型參數表1

3 數值模擬結果

3.1 盾頂土體位移

沿開挖方向，盾構機盾頂處（即埋深10.465m處）土體位移如圖6所示。

圖6 沿開挖方向盾構機盾頂處土體位移

由圖6可以得到

①盾構機盾頭前方。盾構機盾頭前方10m范圍內發生了較為明顯的隆起，最大隆起值接近2mm，隆起范圍約1.6D（D為盾構機盾頭處直徑）。

②盾構機范圍。盾構機盾頭處（28～30m），土體位移為0；盾構機盾身處（25～28m），土體沉降為10mm；盾構機盾尾處（23～25m），土體沉降從10mm到13.4mm呈線性變化。

③盾構機盾尾后方。盾尾后方2～4m內（18～22m），土體位移逐漸變大，最高點沉降約為1.98mm；盾尾后方4m之后（6～18m）的土體位移基本趨于穩定，且土體沉降穩定在2.6～3mm之間；土體在1～6m內的位移受邊界固定位移等因素的綜合影響，土體沉降逐漸減小，沉降變化范圍為3-3.8mm之間。

④最初開挖邊界面。在邊界面上（0m處）的位移固定為15mm。

為研究冀北區中生代巖漿巖密度分布情況，本文選取東經114°～120°以及北緯39°00′～42°30′范圍內4875件中生代巖漿巖標本，包括3273件侵入巖、1599件噴發火山巖標本。使用高精度電子天平以及DM-1巖石密度測定儀測定各巖石標本密度。測量時嚴格按照規范進行，并將絕對誤差控制在0.02×103kg/m3以內。