小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工地表沉降分析

劉亞輝， 王亞飛， 黃運(yùn)生， 尹忠輝， 陳磊杰

(1.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司， 天津 300300； 2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 3.安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心， 安徽 合肥 230601)

隨著我國城市化水平的提高，地下空間開發(fā)利用規(guī)模增大，隧道建設(shè)成為地下空間開發(fā)中的重要方式[1]。理想的城市地鐵線路由直線和少量曲線組成，但受城市區(qū)域內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的地上和地下建筑物影響，地鐵線路常需避開障礙物，不可避免地出現(xiàn)小半徑曲線隧道。與直線型隧道相比，小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工時(shí)更易出現(xiàn)超(欠)挖，造成盾體被卡、管片破損、隧道侵限和地面沉降等問題[2]。過大的地面沉降將造成建筑物傾斜、地基穩(wěn)定性破壞，影響地面建筑物的正常使用。因此，施工過程中最大程度減少對(duì)地表及鄰近建筑物的干擾，正確預(yù)測及有效監(jiān)測施工帶來的沉降，確保施工安全有序進(jìn)行顯得尤為重要。

鄧皇適[3]基于鏡像法推導(dǎo)小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)施工引起地表沉降計(jì)算公式，地層損失模型合理且地表沉降分布與實(shí)際情況一致。路林海[4]通過Peck公式修正后得到曲線隧道的地表沉降預(yù)測公式，并將計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。肖昭然[5]通過數(shù)值建模及工程現(xiàn)場實(shí)測，研究曲線隧道中地鐵列車荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。張雁[6]研究發(fā)現(xiàn)曲線半徑小于300 m時(shí)地表沉降將隨著半徑變小而顯著增加。劉攀等[7]通過現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算相結(jié)合的方式分析曲線隧道施工中的襯砌控制措施。黃雪梅等[8]研究盾構(gòu)在曲線下穿多軌道鐵路群時(shí)的地表沉降，總結(jié)了相關(guān)盾構(gòu)施工控制措施。

本文以合肥地鐵4號(hào)線天水路站-翠柏路站區(qū)間段為背景，利用有限元軟件Midas GTS NX模擬盾構(gòu)動(dòng)態(tài)開挖過程，研究不同超挖量下地表沉降的變化規(guī)律，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，為合肥地鐵建設(shè)提供技術(shù)參考，完善施工。

1 工程概況

合肥軌道交通4號(hào)線翠柏路站-天水路站區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工，平面呈“S”型，區(qū)間總長約2 773 m。區(qū)間線路出翠柏路站后以R=350 m平曲線從銅陵北路與泗水路交口進(jìn)入銅陵北路，沿銅陵北路自北向南前行一段距離后，以R=350 m平曲線下穿合肥東編組站42股道群，最終到達(dá)天水路站。區(qū)間隧道平面圖如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道平面圖

天水路站-翠柏路站區(qū)間位于江淮波狀平原，南淝河二級(jí)階地之上，地形較平坦。隧道采用單層裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌圓環(huán)內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，另有14 cm的注漿層，隧道開挖直徑為6.28 m。盾構(gòu)穿越合肥東站股道群處的覆土厚度(至道床頂)為14.35～15.59 m，隧道左右線間距為11.82～16.39 m。

根據(jù)勘察資料，隧道穿越區(qū)段為工程地質(zhì)V單元，主要可分為第四系人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沉積層(Q4l)、第四系晚更新統(tǒng)沖洪積層(Q32al+pl)、第四系殘積層(Qel)及上白堊紀(jì)統(tǒng)張橋組地層(K2z)。其中，盾構(gòu)穿越段隧道洞身主要位于第四系晚更新統(tǒng)沖洪積層的黏土和粉質(zhì)黏土層。

2 盾構(gòu)隧道三維有限元模擬

2.1 本構(gòu)關(guān)系與計(jì)算參數(shù)

本模型中，土體采用實(shí)體3D單元模擬，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[9]，依據(jù)本工程地勘報(bào)告進(jìn)行合理簡化，確定各土層參數(shù)，其余材料參數(shù)依照實(shí)際結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。襯砌管片與注漿材料采用實(shí)體單元模擬，盾殼則采用板單元模擬，注漿壓力選取為200 kN/m2，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)表

2.2 模型建立

將隧道隧區(qū)層、管片層和注漿層設(shè)置為R=350 m的圓曲線來模擬隧道開挖情況[10]。隧區(qū)層為后續(xù)需要鈍化的土體，直徑5.4 m，管片層厚度0.3 m，注漿層厚度則為0.14 m。開挖進(jìn)尺選取一個(gè)管片的長度，即開挖步長1.5 m[11]。最終模型尺寸為：X向取88 m，Y向取75 m，Z向取60 m。隧道頂覆土高度為16.9 m，隧道間距為20 m。根據(jù)郝潤霞[12]所推導(dǎo)曲線段盾構(gòu)理論超挖量計(jì)算公式，通過改變曲線隧道內(nèi)側(cè)超挖量δ，研究曲線隧道發(fā)生不同超挖量與地層損失率對(duì)地表沉降的影響[13]。將超挖層設(shè)為0 mm、25 mm、50 mm，分別對(duì)應(yīng)于無地層損失(即理想狀態(tài)曲線開挖)、地層損失率0.8%、地層損失率1.6%。盾構(gòu)下穿合肥東編組站股道群的三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

(a)曲線隧道模型 (b)計(jì)算模型

2.3 結(jié)果分析

隧道開挖完成后地表沉降云圖如圖3～圖5所示。對(duì)比理想曲線開挖狀態(tài)下與發(fā)生地層損失情況下的地表沉降云圖，地層損失率對(duì)地表沉降存在明顯的影響。在不發(fā)生超挖即理想開挖的情況下，模擬地表沉降最大沉降為-4.30 mm；地層損失率為0.8%時(shí)，最大沉降為-6.39 mm；當(dāng)?shù)貙訐p失率為1.6%時(shí)，地表沉降最大沉降-10.80 mm。相比于理想曲線開挖地表沉降，發(fā)生0.8%和1.6%的地層損失率后，地表沉降分別增大了48.6%和151.1%。由此可見，地層損失對(duì)地表沉降的影響十分明顯，地層損失量越大，地表沉降也越大。

圖3 理想曲線開挖位移云圖

圖4 地層損失率0.8%時(shí)開挖位移云圖

圖5 地層損失率1.6%時(shí)開挖位移云圖

將3種工況下的地表沉降進(jìn)行整理后得到沉降對(duì)比圖如圖6所示。隧道為小半徑曲線，呈曲線向右彎曲，因此地表沉降的最大值分布在隧道左右線隧道之間，但是沉降最大值更接近于隧道右線上方。總結(jié)前人對(duì)雙線平行直線隧道的沉降規(guī)律后可以得出，雙線曲線盾構(gòu)施工所引起的地表沉降情況與直線隧道的開挖沉降類似，主要表現(xiàn)為“V”形，即位移沉降中間大兩端小。地表沉降隨開挖距離變化圖如圖7所示，隨著盾構(gòu)機(jī)的不斷掘進(jìn)，地表沉降最大值也隨之變大。同時(shí)隨著地層損失率的不同，地表沉降的變化也不同，地層損失率越大，地表沉降變化速率也越快。在不改變盾構(gòu)掘進(jìn)其他參數(shù)的情況下，盾構(gòu)發(fā)生地層損失將明顯導(dǎo)致地表沉降變大。因此合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，減少土體損失在實(shí)際施工中顯得尤為重要。

圖6 3種工況下地表沉降量對(duì)比圖 圖7 地表沉降量隨開挖距離變化圖

3 原位測試

3.1 監(jiān)測實(shí)際數(shù)據(jù)

在區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于外界復(fù)雜因素的影響，很難單純從理論上預(yù)測工程中遇到的問題，而且理論預(yù)測值也不能全面而準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以，在理論指導(dǎo)下進(jìn)行現(xiàn)場施工監(jiān)測十分必要。本文選取左線隧道中心、右線隧道中心和軌道南側(cè)12 m處地表共42個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其與數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示。地表沉降與盾構(gòu)雙線路基沉降監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

表2 盾構(gòu)雙線路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

實(shí)測左線隧道、右線隧道路基的沉降如圖9所示。由圖可知，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，左右線中心上方地表沉降數(shù)據(jù)并不完全相同，但整體來看沉降相差不大。實(shí)測地表沉降介于數(shù)值計(jì)算土體不超挖與超挖25 mm之間，實(shí)測地表沉降大小滿足地面沉降控制要求，由此推斷盾構(gòu)機(jī)在下穿合肥東編組站股道群的掘進(jìn)過程中，存在部分超挖情況，但盾構(gòu)姿態(tài)整體控制良好[15]。

(a)左線 (b)右線

4 結(jié) 語

以合肥地鐵4號(hào)線天水路站-翠柏路站小半徑曲線區(qū)間隧道盾構(gòu)工程為背景，利用有限元軟件Midas GTS NX模擬盾構(gòu)動(dòng)態(tài)開挖過程，研究不超挖、超挖25 mm、超挖50 mm共3種情況對(duì)小半徑曲線隧道地表沉降的影響，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下：

(1)小半徑曲線隧道盾構(gòu)開挖過程中，隧道周圍地表沉降分布曲線主要表現(xiàn)為“V”形，中間大兩端小。與直線隧道開挖后沉降不同的是，曲線隧道地表沉降的最大值會(huì)向轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)側(cè)偏移。

(2)超挖對(duì)地表沉降影響十分明顯，超挖量越多，地表沉降越明大，且地表沉降變化速率也越快。

(3)左右線中心上方地表沉降數(shù)據(jù)并不完全相同，但沉降變化相差不大。