復合地層雙線盾構施工誘發地表沉降規律分析

郭 朝

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

城市軌道交通系統具有快速、準時、安全、舒適、便利和高效等優點,對于緩解日益嚴峻的城市交通擁堵問題、帶動沿線區域發展和推動城市經濟增長具有重要作用。盾構隧道技術因其對周邊環境影響小、安全性高和自動化程度高等優點,被廣泛應用于我國城市軌道交通工程區間隧道建設領域當中。然而,盾構法施工仍難以避免引起地層損失,造成地表沉降。

目前,就盾構施工誘發的地層變形規律研究,主要采用理論分析方法、基于監控量測的數據擬合方法、數值模擬方法等。王智德等通過對監控量測數據的分析,提出了基于時空關系的地表沉降分布規律,并基于Mindlin解推導了預測公式[1];王忠凱等依據土體彈塑性應力-應變關系,確定了盾構掘進、離開階段的地層橫向擾動范圍[2];劉建國基于土力學理論,利用半解析法以及數值分析法,就引起黃土地層變形的因素進行分析[3];李博等探討卵石地層、富水砂層的地表沉降預測規律[4-6];于德海等采用數值模擬方法分析巖質地層的變形規律[7]。王振飛等分析卵石地層單線盾構隧道施工誘發的地層變形規律[8-9];張恒等分析了盾構掘進參數對地表沉降的影響[10-13];張恒新等依托上海地鐵10號線下穿虹橋機場工程,結合三維有限元數值模擬,分析雙線盾構隧道下穿引起的跑道沉降規律[14]。然而,針對復合地層中雙線盾構隧道施工誘發的地表沉降規律所開展的系統性研究尚不多見。

深圳具有“地質博物館”之稱,上軟下硬的復合地層是其顯著的地質特點。依托深圳市軌道交通某區間隧道工程,采用數值模擬計算分析方法,從地層復合比、隧道覆徑比、隧道間徑比3個角度,對復合地層中雙線盾構隧道施工誘發的地表沉降規律進行系統分析。

2 工程概況

深圳市軌道交通某區間隧道工程采用盾構法施工,管片內徑、外徑、厚度和寬度分別為6.0m、6.7m、0.35m和1.5m。該區間左線長4121.068m,右線長3992.221m,線間距為14.00～37.35m,隧道頂埋深12.684～53.228m。

隧址區場地地貌單元為臺地地貌和丘陵地貌,地形整體較為平坦,局部保留原始地貌特征。場地地層主要有人工堆積層,全新統沖洪積層、坡積土、殘積層,侏羅系角巖。隧道洞身范圍內地層如下。(1)第四系:①1素填土層;⑧5沖洪積粉質黏土層。(2)侏羅系:?1-1全風化角巖;?2-1土狀強風化角巖;?3-1塊狀強風化角巖;?4-1中等風化角巖和?5-1微風化角巖。其中,左、右線隧道穿越復合地層,不均勻風化角巖地層累計長度分別為1703m、350m,分別占區間長度的41%、8%。

本區間地表水主要為沙溪河和東深河。地下水埋深0.20～26.10m,主要為第四系松散巖類孔隙水,賦存于塊狀強風化、中等風化帶中的基巖裂隙水,以及賦存于斷裂構造發育區碎裂巖層中的構造裂隙水。沿線地下水主要由大氣降水和地表水補給,通過大氣蒸發和地下徑流排泄。

3 數值模型的建立與合理性驗證

3.1 數值模型的建立

選取本區間具有復合地層特征的DK14+100.000～DK14+130.000區段進行建模分析,地層分布見圖1。

圖1 復合地層分布(單位:m)

為便于分析,同時體現復合地層的顯著特征,將隧道斷面范圍內的?1-1全風化角巖層、?2-1土狀強風化角巖層合為軟土層?r,其物理力學參數取兩種地層的加權平均值;將?4-1中等風化角巖層視為硬巖層,圍巖的物理力學參數見表1。襯砌管片的混凝土強度等級為C50,盾構機盾體材料為Q345B,盾尾注漿層的物理力學參數通過將相應位置處圍巖的物理力學參數提高30%來考慮[15],各項物理力學參數見表2。

表1 圍巖物理力學參數

表2 襯砌管片和盾構機盾體物理力學參數

續表1

根據圖1所示的典型斷面,采用MIDAS/GTS有限元分析軟件進行數值模擬計算。模型尺寸為100m(X)×30m(Y)×48m(Z),以避免邊界效應對計算結果的影響。模型上部邊界為自由面,側面各邊界約束其法向自由度,底部邊界約束其各向自由度。模型中,圍巖和注漿層采用實體單元模擬,管片襯砌結構、盾殼采用板單元模擬,土倉壓力通過于掌子面施加均布荷載模擬,盾構機頂推力根據千斤頂分布于管片相應位置施加集中力模擬。左線盾構隧道先于右線盾構隧道掘進。數值模型見圖2。

圖2 數值計算模型

3.2 數值模型的合理性驗證

于區間DK14+120處布設橫向地表沉降監測斷面(見圖3)。地表沉降監測值與數值模擬計算值見圖4。由圖4可知,地表沉降監測值與計算值吻合度較高,數值模型的合理性得以驗證。監測值與計算值之間的差異,主要是由數值模型中地層的均勻化假定未能反應工程實際中地層分布的多樣性而引起。

圖3 橫向地表沉降監測斷面(單位:m)

圖4 地表沉降對比

4 復合地層的地表沉降規律分析

4.1 地層復合比對地表沉降的影響

地層復合比,定義為洞身范圍內軟土層厚度與隧道直徑的比值,以α表示。隧道斷面外地層如圖1所示,α取0.00、0.25、0.50、0.75和1.00,隧道埋深、中心間距、管片外徑分別為13m、25m、6.7m時,橫向地表沉降曲線見圖5,最大地表沉降和沉降槽寬度隨α的變化曲線見圖6。

圖5 橫向地表沉降曲線

由圖5、圖6可知,①沉降槽寬度隨α增大而增大,當α由0增大到1時,總沉降槽寬度由68m增大到88m,增幅達29%,隧道中心線外單側沉降槽寬度(以下簡稱“單側沉降槽寬度”)由3.2D增大到4.7D(D為管片外徑,余同),增幅達46%。②地表沉降隨α增大而增大,當α由0增大到1時,左線隧道最大地表沉降由9.0mm增大到19.4mm,增幅達116%,右線隧道最大地表沉降由8.5mm增大到16.7mm,增幅達96%。③受右線隧道施工影響,左線隧道地表沉降大于右線隧道地表沉降,且這種差異性隨著α的增大而越加明顯;以左線隧道的最大地表沉降為對比基準(余同),當α由0增大到1時,最大地表沉降差異率由5%增大到14%。④地層變形及其影響范圍隨α增大而增大,但當α的變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度。

圖6 地表沉降和沉降槽寬度隨α的變化曲線

4.2 隧道覆徑比對地表沉降的影響

隧道覆徑比(指的是隧道覆土厚度與隧道直徑的比值)以β表示。分析模型取覆土厚度為13m、隧道中心間距為25m、α為0.5。管片外徑選取6.0m、6.2m及6.7m,β分別為2.17、2.10和1.94,橫向地表沉降曲線見圖7,最大地表沉降和單側沉降槽寬度隨β的變化曲線見圖8。

圖7 橫向地表沉降曲線

由圖7、圖8可知,①總沉降槽寬度隨β增大而減小,當β由1.94增大到2.17時,總沉降槽寬度由80m減小到68m,減幅為15%,單側沉降槽寬度由4.1D減小到3.6D,減幅為12%。②地表沉降隨β增大而減小,當β由1.94增大到2.17時,左線隧道最大地表沉降由12.6mm減小到7.8mm,減幅為38%,右線隧道最大地表沉降由11.3mm減小到7.8mm,減幅為31%。③受右線隧道施工的二次擾動,左線隧道地表沉降大于右線隧道地表沉降,且這種差異性隨著β的增大而越不明顯,當β由1.94增大到2.17時,最大地表沉降差異率由10%減小到0.1%。④地層變形及其影響范圍隨β增大而減小,但當β的變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度。

圖8 地表沉降和沉降槽寬度隨β的變化曲線

4.3 隧道間徑比對地表沉降的影響

在地表沉降的影響分析模型中,左線隧道與右線隧道的凈距隨隧道直徑的變化而變化,地層變形及其影響范圍隨之變化,說明隧道凈距是影響地層變形的一個重要方面。

隧道間徑比(指的是平行隧道間的凈距與隧道直徑的比值)以γ表示。取γ為1.0、2.0、3.0、4.0和5.0,隧道斷面外地層如圖1所示。取α、β分別為0.5、1.94,覆土厚度、管片外徑分別為13.0m、6.7m時,橫向地表沉降曲線見圖9,沉降槽寬度、單側沉降槽寬度和最大地表沉降隨γ的變化曲線分別見圖10、圖11。

圖9 橫向地表沉降曲線

圖10 沉降槽寬度隨γ的變化曲線

由圖9～圖11可知,①總沉降槽寬度隨著γ的增大而增大,當γ由1.0增大到5.0時,總沉降槽寬度由64m增大到92m,增幅為43%。②當γ為1.0時,地表沉降曲線為單峰形,單側沉降槽寬度最大,為4.8D,隨著γ的增大,地表沉降曲線逐漸由單峰形變化為雙峰形,單側沉降槽寬度逐漸減小;當γ為2.0時,地表沉降曲線為雙峰形,單側沉降槽寬度為4.0D,隨著γ的增大,單側沉降槽寬度略有減小,而沉降曲線形式仍為雙峰形。③當γ為1.0時,地表沉降最大,最大地表沉降發生在隧道中線位置,為19.2mm;隨著γ逐漸增大到2.0,地表沉降迅速減小,最大地表沉降發生在隧道中心線位置,左線隧道中心線位置、右線隧道中心線位置的地表沉降分別為13.5mm、11.6mm,隨著γ的增大,最大地表沉降略有減小。④隨著γ的增大,地表沉降曲線由單峰形變化為雙峰形,隧道中線位置的地表沉降由γ為1.0時的19.2mm逐漸減小到γ為5.0時的0.35mm,且左線隧道、右線隧道最大地表沉降差異率由γ為2.0時的14%逐漸減小到γ為5.0時的4%,右線隧道施工對左線隧道圍巖的擾動程度、變形疊加作用逐漸減小,地表沉降曲線趨于相互獨立。

圖11 地表沉降隨γ的變化曲線

5 結論與建議

以深圳市軌道交通某區間隧道工程為依托,基于地表沉降監控量測數據驗證了數值模型的合理性,并采用數值模擬計算方法,從地層復合比、隧道覆徑比、隧道間徑比3個角度,對復合地層雙線盾構施工誘發的地表沉降規律進行分析,得到以下結論。

(1)當地層復合比、覆徑比變化幅度相同時,地表沉降的變化幅度大于沉降槽寬度的變化幅度。總沉降槽寬度、單側沉降槽寬度、地表沉降和左線隧道、右線隧道最大地表沉降差異率隨地層復合比的增大而增大,隨覆徑比的增大而減小,且差異明顯。

(2)間徑比是影響地表沉降曲線的重要因素,當間徑比為1.0時,地表沉降曲線為單峰形,最大地表沉降發生在隧道中線位置;當間徑比為2.0時,地表沉降曲線變化為雙峰形且不隨間徑比的增大而變化,最大地表沉降發生在隧道中心線位置;當間徑比大于2.0時,地表沉降、單側沉降槽寬度隨間徑比的增大而略有減小,當間徑比為5.0時,左線隧道、右線隧道的地表沉降曲線趨于相互獨立。