青島地區盾構隧道曲線掘進沉降規律研究

孟成龍,王旭春,朱既賢,周光宏,洪 勇

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033)

0 引言

在曲線隧道的掘進過程中,盾構施工不當會造成地表沉降,沉降過大不僅影響周邊建筑、地下管線,而且會引起地表塌陷,影響隧道施工和周邊環境安全。因此,研究曲線隧道的沉降規律很有必要。

目前,國內外學者針對地表沉降的研究已取得較多成果。趙國強等[1]基于南昌地鐵部分區間砂土地層地表沉降的實時監測數據,采用數學回歸分析的方法對盾構施工過程前后地表沉降進行了理論分析和研究,得出了地表沉降規律。劉治富[2]對鄭州軌道交通5號線某盾構區間進行了實時沉降數據監測,探討了盾構法施工階段發生地面沉降的主要成因,并提出了相應的處治措施。高夢怡[3]對以杭州某地鐵線路盾構施工段的實時數據監測為基礎,通過統計分析,以地表沉降、隧道沉降和隧道收斂為研究對象,研究了高水位粉土地層沉降的一般規律。祝嘉輝等[4]結合淮安地鐵1號線淮安東站盾構工作井段連鎮高速鐵路下EPB盾構隧道在黃河泛濫區富水粉砂層地質條件下的施工參數和現場實測資料,分析得出盾構隧道在高速鐵路路基下的沉降變化規律。王志芬[5]利用FLAC3D對北京地鐵某盾構區間下穿既定河道進行了數值模擬分析,并結合現場條件,通過調整注漿壓力的方式有效控制了地表沉降值。施建勇等[6]通過解析算法對隧道開挖引起的地表變形問題進行計算,得出了沉降變形規律。王敏強等[7]對某地下隧道工程的盾構推進過程進行了仿真計算,提出遷移法模擬盾構前行過程,得出了盾構推進過程的地表變形和土體擾動規律。朱既賢等[8]利用數值模擬的方法對富水地層的地表沉降進行研究,得出了圍巖孔隙水壓力、圍巖豎向應力、圍巖塑性區的變化規律。因此,用數值模擬的方法來研究曲線隧道的沉降規律是可行的,從應力區、塑性區、位移場分析沉降是非常有必要的。

文章以青島地鐵正春盾構區間為工程背景,通過數值模擬分析,結合實測地面沉降數據分析研究了盾構隧道曲線段掘進地層變形規律及控制措施,研究結果可以為相關曲線隧道的掘進提供參考。

1 工程概況

青島地鐵一號線正春區間起訖里程 K66+996.700～K68+350.450,總長1353.75m,區間隧道采用盾構法施工,區間線間距14m,洞頂隧道頂覆土厚為9.0～16.6m,盾構隧道存在曲線轉彎段,曲線轉彎半徑R=350m,地下水為孔隙潛水,水量較大,圍巖等級為Ⅵ級,當掘進過程中處理不當時,極易引起坍塌變形。沿線地層主要分布在粗砂和砂礫地層中,土層的自穩能力極差,且曲線段掘進會對盾構機產生一定的影響,施工難度較大,因此對曲線隧道的沉降規律研究是很有必要的。圖1所示為隧道地質剖面,圖1中數字代表環號。

圖1 盾構區間地質剖面圖

由圖1可知,地層自上而下為素填土、第⑦層粉質黏土、第⑦1層中砂、第⑨層中砂、第⑨1層粗砂～礫砂、強風化與中風化安山巖,區間隧道主要穿越第⑨1層粗砂～礫砂,各地層的力學參數如表1所示。

表1 各地層主要力學參數表

為了驗證數值模擬結果的正確性,采用實測數據與數值模擬對比的方法進行研究。每個監測斷面根據實際監測需求布設11個監測點,隧道上方布點較密,監測點位如圖2所示。

圖2 沉降監測點分布圖

2 數值模擬分析

現階段數值模擬軟件對分析地表沉降規律來說,較為可靠。因此,利用地質勘探資料,建立盾構隧道曲線掘進的數值模型,分別從應力場、塑性區和位移場三個方面分析盾構隧道曲線掘進的地表沉降規律。

2.1 應力場分析

根據現場的施工資料對Y=45m(開挖中心點處)的應力狀態進行分析,如圖3所示。

圖3 Y=45m處應力云圖

在盾構開挖過程中,盾構開挖造成暫時性的應力釋放以及臨空面的產生,導致圍巖原有應力狀態發生改變,圍巖應力發生重分布,開挖處的上部和底部出現了應力彎曲現象,對應力場周圍大約2倍盾構直徑范圍內圍巖應力產生影響,距離2倍盾構直徑外圍巖應力基本不受影響。在開挖處斷面會造成應力的偏移,主要表現為向臨空處偏移,且隨著開挖步驟的延續,應力偏移及應力數值也隨之增加。應力場圍繞開挖部分呈漏斗狀非對稱分布,主要原因是曲線隧道開挖油缸推力會產生一個向曲線內側的側向分力。

2.2 塑性區分析

提取模型Y=45m(開挖中心點處)隧道圍巖塑性區云圖。在曲線隧道的開挖過程中,曲線的內側所受到的土壓力及推力比外側受到的要大,故在隧道的開挖過程中塑性區呈現非對稱分布(外側塑性比內側好),拱頂處圍巖向洞內收斂。隧道開挖面周圍土體塑性區主要以剪切屈服為主,盾構隧道中心還有少量的拉伸屈服,對結構穩定性很不利。

2.3 位移場分析

2.3.1豎向位移場分析

模擬過程中的監測點上部位移曲線與下部位移曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 分布開挖監測點上部位移云圖

圖5 分布開挖監測點下部位移云圖

由圖4、圖5可知,從開挖初始至隧道開挖60m后,開挖頂部位移表現為豎直向坍塌,拱頂最大沉降為2.45mm;開挖底部位移表現為豎直向隆起,最大隆起為2.98mm;隧道的頂部沉降及底部隆起均在可控范圍之內。上述位移是由于模型開挖,土體面開挖處臨空,上部土體在重力作用下坍塌,下部土體由于約束的突然消失,在地應力的擠壓下,向臨空處隆起,且隨著開挖步驟的延續,這些頂部下榻,底部隆起的效果更加明顯。

2.3.2橫向位移場分析

提取監測斷面DC39處地面沉降實測數據與模型Y=45m的橫向沉降與縱向沉降進行對比分析,如圖6、圖7所示。

圖6 地表沉降實測與模擬對比圖

圖7 地面縱向沉降對比圖

由圖6可知,模型計算結果與實測沉降數據進本吻合且模擬曲線和實測數據曲線均符合正態分布,說明計算模型的建立與參數的選取具備合理性。

根據圖7可知,模型計算結果與實測沉降數據縱向沉降趨勢一致,曲線的最大差值為1.2mm,說明模型的計算結果與實際的沉降值能在可控范圍之內,具備一定的合理性。因此,利用數值模擬的方法是可行的。

實測數據與模擬數據存在一定誤差,主要原因是在實際施工中地質是非均質的,實際開挖使盾構機會不斷調整施工參數,模擬盾構曲線開挖時未能考慮相關因素。

3 結論

針對曲線隧道,采用數值模擬的方法分析盾構隧道曲線掘進地面變形機理,結合現場實測沉降數據,研究了盾構隧道曲線段施工地面沉降變形規律。主要得出以下結論:

(1)應力場:盾構開挖處的上部和底部出現了應力集中現象,主要是因為開挖導致圍巖原有的邊界條件發生改變,造成暫時性的應力釋放以及臨空面的產生,使得地應力發生了重分布。盾構開挖進行過程中,應力場圍繞開挖部分形成了漏斗狀非對稱分布,隧道開挖處斷面產生應力的偏移,表現為向臨空處偏移,主要原因是曲線隧道開挖油缸推力會產生一個向曲線內側的側向分力。

(2)塑性區:由于盾構沿曲線掘進,左右油缸推力不對稱,隧道周圍塑性區呈非對稱分布,拱頂處圍巖向洞內收斂。隧道開挖面周圍土體塑性區主要以剪切屈服為主,盾構隧道中心還有少量的拉伸屈服,對結構穩定性很不利,施工時應該采取必要的加固措施。

(3)位移場:盾構在曲線段開挖過程中,位移呈非對稱分布,地表最大沉降值向曲線內側偏移,開挖洞口上部位移下沉,底部隆起,且隨著開挖步驟的延續,這些頂部下榻,底部隆起的效益更加明顯,故在開挖時應及時在頂部和底部注重進行加固。