盾構隧道下穿變電站建筑物沉降數值模擬分析

陳 向,饒 宇

(1.國網湖北省電力有限公司黃石供電公司,黃石 435000;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070)

隨著我國城鎮化發展水平的不斷提升,城市的空間逐步向外圍擴展,城市的土地資源變得越來越稀缺,變電站周邊也需要進行合理的開發和利用。而相關的土建施工、隧道開挖由于改變了土體原有的應力狀態、物理性質等[1,2],往往帶來了嚴重的地層變形,從而給建筑結構的穩定性和安全性造成重大影響。

為了對隧道施工引起的地層變形進行準確預測,各國學者進行了廣泛而長期的研究。1969年Peck提出了基于地層損失理論的預測隧道開挖引起的地表沉降的方法[3];O’Reilly給出了沉降槽寬度與隧道埋深的統計關系式[4];施成華等[5]提出了基于隨機介質理論的盾構隧道開挖地層損失的計算公式;魏綱[6]、徐亞峰等[7]對盾構隧道進行分析獲得了地表沉降規律;王智德等[8]獲得側穿樁基的沉降規律;Atkinson等[9]、Lee等[10]、Imamura等[11]采用離心模型試驗,對隧道的破壞形態和位移機理等進行了研究;Yeh[12]、Shi等[13]則運用BP神經網絡對地層變形進行預測。

總體來說,基于地層損失理論發展起來的隧道開挖地層變形預測方法在傳統新奧法施工中具有較高的精度,但城市建設中面臨復雜的地下管線廊道及周邊建筑物保護問題,采用盾構開挖方式更為安全。由于盾構開挖支護及時,并且面臨注漿壓力和盾構推力等外力作用,原有的預測方法適應性將大為降低。因此,研究盾構隧道開挖對變電站結構沉降的影響以及地層變形特征具有較強的工程應用價值,對保護變電站土建結構安全至關重要。

1 基本假定與參數選擇

盾構隧道開挖全過程涉及盾構-土-結構的相互作用問題,該文擬采用MIDAS/GTS NX軟件研究盾構開挖對變電站建筑物的影響,其基本假定如下:

1)隧道處的土層地質條件往往較為復雜,即使同一標段土體類別也存在較大差別,所以文中為了簡化計算,將土層視為單一的粉質粘土層。

2)將盾構機掘進過程中相互影響的結構單元劃分為土體、盾構機、注漿體以及襯砌管片。由于盾構機身以及注漿層厚度相對于土體以及襯砌管片較薄,將土體和襯砌管片考慮為實體單元,而注漿體和盾構機身考慮為平面單元模型,具體如圖1所示。

3) 參數選擇假定:土體采用摩爾-庫倫模型,襯砌管片、盾構機身、注漿體以及建筑物均采用彈性結構單元,隧道外徑為3 m,隧道內徑為2.7 m,襯砌管片厚度0.3 m,管片寬度為1.5 m。具體物理力學參數根據現場工程實際情況取值,如表1所示。

表1 土體和隧道單元物理力學參數選取

4)受力條件的假定:盾構機掘進過程中,盾構-土-結構內部受力主要分為盾構機掘進推力、襯砌管片受盾構機身頂進推力、周圍結構施加給盾構機身的圍壓以及注漿壓力。根據現場施工單位提供的數據,其取值和受力示意圖如表2和圖2所示。

表2 隧道開挖作用力取值

2 隧道埋深對地表沉降的影響

2.1 模型的建立

考慮不同隧道埋深對地表沉降的影響,分別將隧道埋深設置為10 m、15 m、20 m以及25 m,建立如圖3所示的模型示意圖。

2.2 隧道埋深對地層變形的影響分析

通過對隧道埋深分別為10 m、15 m、20 m以及25 m的工況進行模擬,取模型5個典型點:隧道軸線正上方地表節點、與隧道軸線相距10 m地表節點、與隧道軸線相距20 m地表節點、管片頂部以及管片底部等的沉降數據進行分析,結果如表3所示。

表3 不同隧道埋深下地層變形值

由表3可知:1)隧道開挖引起的地表沉降基本呈現出對稱分布的正態分布形態,隧道軸線正上方地表沉降最大,向兩邊逐漸減小。隨著深度的增大,沉降值逐漸增大,并且在管片頂部達到最大值。而在隧道底部則呈現出正態分布的地層隆起,亦是在管片底部達到最大值。2)隨著隧道埋深的增加,地表沉降的影響范圍一般逐漸擴大,沉降值也逐步增大,但增大的幅度有收窄的趨勢。

3 距離對地層變形的影響

3.1 模型的建立

變電站與隧道的關系圖見圖4。考慮變電站與隧道軸線距離對地層變形的影響,分別將變電站與隧道軸線距離設置為0 m、6 m、24 m,即L/D=0、1、4。建立如圖5所示的模型示意圖。

3.2 變電站對地層位移的影響分析

通過對距離分別設置為0 m、6 m、24 m 3種工況進行模擬,取模型4個典型點:變電站左下角點、右下角點、管片頂部以及管片底部等的沉降數據進行分析,結果如表4所示。其中,隧道埋深為20 m。

表4 不同距離下地層位移值

由表4可知:1)當變電站位于隧道軸線正上方時,變電站左、右下角的沉降值為10.97 cm和11.02 cm,不均勻沉降值僅為0.05 cm,建筑物呈現出整體下沉趨勢,且沉降值較大,地層變形仍沿隧道軸線成對稱分布。2)當變電站建筑中心與隧道軸線不重合時,變電站的存在使得地層變形發生較大變化,沉降偏向變電站存在的一側,而管片下方的隆起背向變電站存在的一側。3)當建筑中心與隧道軸線相距1D時,變電站左、右下角的沉降值為10.38 cm和9.56 cm,不均勻沉降差明顯,達到0.82 cm,將導致變電站建筑向隧道一側傾斜,不利于建筑物的保護。4)建筑中心與隧道軸線相距4D時,變電站左、右下角的沉降值為2.31 cm和1.85 cm,不均勻沉降值縮小為0.46 cm,相較于L/D=0、1的情況,不均勻沉降值和最大沉降值相對能夠取得較好地平衡,相對更加有利于變電站的保護,因此,部分文獻認為隧道開挖地表隆沉影響范圍為4倍洞徑[14]。

4 結 論

a.盾構隧道開挖引起的地表沉降基本呈現出對稱分布的正態分布形態,隧道軸線正上方地表沉降最大,向兩邊逐漸減小。

b.沉降值最大出現在管片上方,隆起值最大出現在管片下方。隨著埋深的增大,沉降值逐漸增大,但增大的幅度有所收窄,沉降的影響范圍一般也逐漸增大。

c.當變電站位于隧道軸線正上方時,變電站建筑沉降大但不均勻沉降很小,變電站呈現出整體下沉趨勢;當建筑中心與隧道軸線不重合時,沉降偏向變電站存在的一側,而管片下方的隆起背向變電站存在的一側。

d.當建筑中心與隧道軸線相距1D時,變電站沉降大且不均勻沉降顯著,將導致變電站向隧道一側傾斜,不利于變電站的保護和穩定;當建筑中心與隧道軸線相距4D時,變電站沉降值及不均勻沉降情況均較好,相對更加有利于保護變電站。