盾構(gòu)雙線隧道不同步施工對地表沉降的影響效應(yīng)研究

宋方方

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

運(yùn)用盾構(gòu)法在富水砂卵石地層中進(jìn)行施工時(shí)，難免會引起一定的地表沉降。地表沉降值一旦超限，會對地面道路和地上建筑物造成影響，也會增加地表修復(fù)的難度[1-3]。因此，預(yù)測地表沉降規(guī)律，研究其影響因素，對地表沉降控制至關(guān)重要。

目前，地鐵隧道普遍采用雙孔平行的形式，針對雙孔平行隧道的地表沉降預(yù)測及其影響因素有一定的研究。王偉[4]和邱明明[5]等人以某城市地鐵平行盾構(gòu)推進(jìn)為工程背景，運(yùn)用數(shù)據(jù)實(shí)測結(jié)合仿真分析的方法，對雙線隧道不同橫向間距對隧道的影響做了具體分析，并給出合理的隧道間距建議值。陳春來等[6]基于Peck經(jīng)驗(yàn)公式，對雙線水平平行盾構(gòu)隧道施工中土體損失引起的三維沉降計(jì)算方法進(jìn)行研究；林志等[7]建立雙線盾構(gòu)隧道施工過程數(shù)值模型，并總結(jié)出在近間距隧道的施工中，后建隧道對先建隧道的影響規(guī)律，以及后建隧道自身相對于單條隧道時(shí)的變化規(guī)律。

上述雙線隧道地表沉降的研究一般集中于同步開挖情形，基于更常見的盾構(gòu)不同步施工的地表沉降影響的研究較少，關(guān)于盾構(gòu)不同步施工階段地表沉降預(yù)測的數(shù)學(xué)模型還有待提出。

本文以成都6號線3標(biāo)尚錦路站～紅高路站區(qū)間雙線平行盾構(gòu)隧道不同步開挖為背景，對地表沉降規(guī)律及引起沉降的影響因素進(jìn)行分析，研究了軸向距離La對沉降曲線造成影響效應(yīng)，為類似不同步雙線盾構(gòu)隧道施工工程提供一定的參考。

2 工程背景

2.1 工程概況

尚錦路站～紅高路站區(qū)間(尚紅區(qū)間)沿西區(qū)大道下方敷設(shè)，區(qū)間沿道路走向，長度為1 281.30 m。雙孔圓形盾構(gòu)隧道直徑為6 m，左右線間距為13.00～15.20 m，底板埋深為16.00～24.50 m，頂板埋深為10.00～18.50 m。線路最小曲線半徑為750 m，最大坡度為25.0‰。本文主要以該區(qū)間施工中某段范圍為研究對象，施工線路布置如圖1所示。

圖1 施工線路布置示意

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料及地下水的賦存條件，地下水主要有二種類型:一是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂卵石層孔隙潛水，區(qū)間抗浮水位高程如表1所示。

表1 區(qū)間抗浮水位高程

根據(jù)地勘報(bào)告顯示，區(qū)間地層由上至下分別為:<1-1>雜填土層、<1-2>素填土層、<2-2>粉質(zhì)黏土層、<2-3-1>粘質(zhì)粉土層、<2-9-1>松散卵石層、<2-9-2>稍密卵石層、<2-9-3>中密卵石層、<2-9-4>密實(shí)卵石層。區(qū)間隧道主要穿越的地層為<2-9-3>中密卵石層。

掘進(jìn)施工時(shí)，由于卵石層中含大量漂石難以破碎，使得刀盤扭矩增大。同時(shí)，地層富含地下水會稀釋改良劑，降低渣土流塑性，造成刀盤轉(zhuǎn)動困難，發(fā)生刀盤卡停現(xiàn)象。另一方面，細(xì)顆粒流失，導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)疏松，在盾構(gòu)施工擾動影響下容易發(fā)生坍塌，形成空洞，經(jīng)過發(fā)展最終導(dǎo)致地表沉降。

3 雙線隧道地表沉降影響因子分析

3.1 雙線Peck公式參數(shù)確定及沉降槽曲線計(jì)算

劉波等[8]基于單孔Peck預(yù)測公式，考慮地表所發(fā)生的最終變形，假設(shè)疊加原理仍然適用，得到在同一埋深雙孔平行隧道條件下的修正Peck預(yù)測公式，如下所示:

式中，S(X)為平行雙隧道的橫斷面上與雙隧道軸中心線距離為X處的地面點(diǎn)沉降量；Smax為單隧道開挖引起地表沉降量最大值；V1為施工引起的隧道單位長度地層損失；L為雙孔隧道之間的中心距；i為沉降槽寬度系數(shù)。

尚紅區(qū)間左右線盾構(gòu)不同步施工相互作用，會對地表沉降變化規(guī)律產(chǎn)生一定的影響。所產(chǎn)生的疊加沉降效應(yīng)，使用針對常規(guī)單線盾構(gòu)施工的Peck公式進(jìn)行預(yù)測，并不完全適用，需進(jìn)行分析評估同時(shí)做適當(dāng)?shù)男拚拍軡M足此類采用雙孔盾構(gòu)平行的施工模式[9]。根據(jù)計(jì)算分析，取得相關(guān)施工參數(shù)，如表2所示。

表2 尚紅區(qū)間相關(guān)施工參數(shù)

3.2 影響因素分析及適應(yīng)性評估

(1)隧道間距的影響及適應(yīng)性評估

設(shè)隧道直徑為D，取隧道橫向輪廓間距分別為1D、2D、3D、4D，得出不同隧道間距下的沉降曲線，如圖2所示。

圖2 不同隧道間距下的沉降曲線

由圖4可知，隨著雙線隧道間距的增加:地表沉降槽曲線由“單峰”向“雙峰”轉(zhuǎn)變，峰值由中心向隧道軸線轉(zhuǎn)變；地表最大沉降量也逐步減小；最大沉降位置由兩隧道軸線中心向兩軸線轉(zhuǎn)變；沉降槽的寬度由小變大；地表最大沉降量與盾構(gòu)間距之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，當(dāng)隧道間距增加到一定量時(shí)，最大沉降量的減小量將會變得很小，逐步趨向穩(wěn)定。

一般來說，地表沉降量越小，其控制方案越合理。但尚紅區(qū)間位于成都市區(qū)，想要不斷增大隧道間距來控制地表沉降量是不合理的，還會導(dǎo)致盾構(gòu)工作井布置困難。

筆者認(rèn)為尚紅區(qū)間隧道間距的取值范圍在2D到3D之間較為合理。

(2)地層損失率對沉降槽的影響及適應(yīng)性評估

地層損失率是地表沉降的一個重要影響因素[10]。基于公式(1)及公式(2)，分別取地層損失率為0.5%、0.7%、0.9%，得到在不同地層損失率下的地表沉降曲線，如圖3所示。

圖3 不同地層損失率下的沉降曲線

由圖3可知，地表損失率的變化幾乎不會改變地表沉降的影響范圍。隨著地層損失率每增加0.2%，地表最大沉降量增加4 mm。當(dāng)尚紅區(qū)間地層損失率為0.7%時(shí)，其地表最大沉降量達(dá)到15 mm，距該段最大沉降臨界值30 mm仍具有較大的余量。

通過改善相關(guān)施工工藝能進(jìn)一步減少地層損失率，如合理控制注漿壓力、減小盾構(gòu)開挖擾動均能降低地層損失率，但會增加施工難度[11]。

(3)沉降槽寬度系數(shù)的影響及適應(yīng)性評估

尚紅區(qū)間的沉降槽寬度系數(shù)取值約為6，如表2所示。基于公式(1)及公式(2)，分別引入四組沉降槽寬度系數(shù)值作為對比分析依據(jù)，得到五種情形下的沉降槽曲線，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同沉降槽寬度系數(shù)下的沉降曲線

由圖4可知，隨著沉降槽系數(shù)取值的增大，會導(dǎo)致沉降范圍增大，即兩隧道之間的影響會有所增加。當(dāng)沉降槽系數(shù)取值較小時(shí)，單條隧道的地表沉降量較大，但沉降影響范圍較小，趨向于“雙峰”曲線發(fā)展；當(dāng)沉降槽系數(shù)取值較大時(shí)，單條隧道的沉降量較小，但沉降影響范圍較大；當(dāng)沉降槽系數(shù)取值為9時(shí)，兩隧道軸線中心因疊加作用導(dǎo)致地表沉降量最大。

由上述分析可知，表2中的沉降槽系數(shù)取值較為合理，保證了地表沉降的影響范圍，沉降量也得到有效的控制。

4 雙線隧道沉降左右不同步的影響效應(yīng)

4.1 尚～紅區(qū)間地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)

選取尚紅區(qū)間里程ZDK9＋317附近的4個斷面為主要考察斷面，得到盾構(gòu)施工引起的地表沉降量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 考察斷面橫向沉降數(shù)據(jù)曲線

由圖5可知，該段區(qū)間四個監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降量均小于12 mm，其沉降量控制較好，沉降控制取得較好的效果，其控制技術(shù)可為類似工程提供一定的參考。

區(qū)間沉降曲線形狀呈現(xiàn)為“雙峰”，與理論雙線修正Peck公式計(jì)算的曲線類似，證明該修正公式較為適合該地層沉降規(guī)律的預(yù)測。但是，從圖中可以看出，右線地表沉降量整體上要大于左線。基于施工經(jīng)驗(yàn)，造成此種情況的原因是右線在尚紅區(qū)間先于左線施工，且在很多工程上也有此種情況發(fā)生。可見，左右線不同步施工也是影響地表沉降曲線的一個重要因素。

4.2 左右線開挖不同步的數(shù)值計(jì)算

(1)數(shù)值模型參數(shù)的確定

以主要考察斷面附近地層為研究對象，運(yùn)用Flac3D軟件建立了有限差分計(jì)算模型。

盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m，管片厚度為0.3 m，隧道埋深為18 m。管片參數(shù):容重為25 kN/m3；泊松比為0.17；彈性模量E為30 GPa。數(shù)值模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×54 m×42 m，共劃分網(wǎng)格單元數(shù)為65 232個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為68 709個。

地層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 地層物理力學(xué)參數(shù)

(2)左右不同步地表沉降結(jié)果分析

為了研究左右線不同步施工對沉降曲線造成何種影響，采用兩種不同方案[12]來對其沉降曲線進(jìn)行對比，分別為:①左右盾構(gòu)同步進(jìn)行開挖；②右線領(lǐng)先左線一定的開挖距離。

此次模擬取得領(lǐng)先開挖距離分別為6 m、12 m、18 m、24 m、30 m和36 m。通過上述的7次仿真模擬，得出不同步開挖對沉降曲線的影響規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同右線領(lǐng)先長度的橫向沉降結(jié)果

由圖6可知:①右線領(lǐng)先時(shí)的仿真數(shù)據(jù)曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)曲線變化規(guī)律類似，其仿真結(jié)果具有一定的可信度。②雙線盾構(gòu)隧道的不同步開挖會對地表沉降曲線造成影響。可見，不同步開挖也是沉降規(guī)律預(yù)測應(yīng)該考慮的一個重要因素[13]，且該因素與兩盾構(gòu)施工的軸向距離有關(guān)，即與領(lǐng)先長度有關(guān)。③隨著右線領(lǐng)先長度的增加，右邊的沉降量會有所增加，同時(shí)左邊的沉降量會有所減少。④隨著領(lǐng)先長度越來越大，其影響沉降量越來越小(領(lǐng)先6 m與同步開挖之間的沉降差要明顯大于領(lǐng)先36 m與領(lǐng)先30 m的沉降差)，說明隨著領(lǐng)先長度的增加，其沉降量有所影響，但最終會趨于一個穩(wěn)定值，領(lǐng)先長度對其影響會有所減弱。

4.3 不同步影響因子修正雙線經(jīng)驗(yàn)Peck公式

對于實(shí)際工程來說，兩線不同步施工的情況時(shí)有發(fā)生，因此有必要對雙線同步Peck公式做一定修正，考慮開挖不同步的影響，以便更好地適應(yīng)于雙線盾構(gòu)不同步開挖的情況[14]。

基于公式(1)及公式(2)，設(shè)立兩個“不同步系數(shù)”，分別設(shè)為C1(La)和C2(La)，C1和C2為隧道開挖面軸向距離La的函數(shù)，建立修正Peck公式數(shù)學(xué)模型，如下式所示:

式中，S(X)為平行雙隧道的橫斷面上與雙隧道軸中心線距離為X處地面點(diǎn)的沉降量；L為雙孔隧道之間的中心距；Smax為單隧道開挖引起的地表沉降量最大值；i為沉降槽寬度系數(shù)；V1為地層損失量；C1(La)、C2(La)為不同步系數(shù)。

為了集中于研究C1(La)和C2(La)，先確定模型其他變量的值，先取La為0，那么C1(La)和C2(La)均為-1，通過曲線擬合來確定其他量，擬合曲線如圖7所示。

圖7 La＝0時(shí)的擬合曲線

通過分析圖7的擬合結(jié)果，可知該擬合曲線與距中心線左右20 m內(nèi)的數(shù)據(jù)具有較高的擬合度，20 m以外的數(shù)據(jù)由于公式的局限性，不能很好地?cái)M合，但是對整體沉降的分析造成的影響很小，可將其忽略。

此處采用擬合確定的變量來代替數(shù)值模型主要出于兩方面的考慮:(1)建立數(shù)值模型時(shí)，由于富水砂卵石地層相關(guān)參數(shù)局限性，很多參數(shù)僅只能參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值；(2)由于其他情況仿真結(jié)果與La＝0時(shí)的仿真結(jié)果出于同一模型，對于模型造成的影響各種情況均涉及，對后續(xù)分析結(jié)果影響小[15]。因此針對該模型的Peck公式寫為:

公式(5)主要是在原始雙線Peck公式的基礎(chǔ)上添加了隧道開挖面軸向距離對沉降影響的因子C1(La)和C2(La)。為了求取C1(La)和C2(La)，需要得到這兩個系數(shù)與La的關(guān)系。因此，基于不同的La所仿真出的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用公式(5)對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，求得每個La對應(yīng)的C1(La)和C2(La)，得出這兩個系數(shù)與La的關(guān)系。圖8為La＝6時(shí)擬合的結(jié)果。

圖8 La＝6 m時(shí)的擬合曲線

分別對La做以上同樣工作，得到C1和C2的值，其值如表4所示。

表4 C1和C2的擬合值

根據(jù)表4得到的數(shù)據(jù)，得出La與C1和C2擬合關(guān)系為:

公式(6)是基于尚～紅區(qū)間地層仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，對尚紅區(qū)間地表沉降的預(yù)測有一定的適應(yīng)性。對于其中展示的規(guī)律以及方法同樣適用于其他工程。下面為該公式運(yùn)用于其他工程的方法:對于同等類型砂卵石地層的不同步盾構(gòu)施工，得到的C與La之間的關(guān)系仍然適用。將公式(6)代入公式(3)可得到新的Peck沉降預(yù)測公式，該公式考慮了雙線不同步施工對沉降曲線的影響。

對于其他地層的不同步盾構(gòu)施工，此式得到C與La之間的關(guān)系并不完全適用。因此，需要依據(jù)本文的研究方法，根據(jù)實(shí)際工程區(qū)段為研究對象，通過數(shù)據(jù)擬合求得C與La之間的關(guān)系。通過分析不同工程可確定不同地層中C與La之間的關(guān)系，使得公式(3)具有更好的通用性。

5 結(jié)論與建議

本文通過結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)分析等方法，對雙線并行盾構(gòu)隧道的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:尚紅區(qū)間隧道輪廓間距的合理取值為2D～3D，實(shí)際間距控制在13～18 m范圍內(nèi)較為合理。地表沉降與地層損失率呈正比關(guān)系，地層損失率每增加0.2%，地表最大沉降量會增加4 mm左右；隨著沉降槽寬度系數(shù)增加，沉降曲線逐漸平緩，沉降范圍同時(shí)增大；最大沉降量減小速率隨隧道間距增長而減小，且逐漸趨于平衡[16]。

雙線不同步盾構(gòu)開挖會對地表沉降曲線造成影響，該影響與隧道的軸向距離有關(guān)，即與領(lǐng)先長度有關(guān)，且其相關(guān)性呈現(xiàn)一定的規(guī)律。影響因子C1和C2與La之間的關(guān)系用兩次多項(xiàng)式擬合具有很強(qiáng)的擬合度，可用La來代替C1和C2，將開挖面距離La的影響添加到經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)中，以便更準(zhǔn)確預(yù)測。