盾構(gòu)施工在不同推進(jìn)壓力下對(duì)地表沉降的影響①

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(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)

0 引 言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下空間的利用也有效解決了城市人口密度不斷增長(zhǎng)帶來(lái)的地面空間緊張問(wèn)題，同時(shí)也是促進(jìn)城市發(fā)展、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效措施[1]。而盾構(gòu)法在城市地鐵隧道施工中以其特有的快速、高質(zhì)量、高精度等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用[2]。但盾構(gòu)法施工又不可避免的對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響，沉降較大時(shí)還會(huì)危及周?chē)ㄖ锇踩?，引發(fā)一些巖土工程問(wèn)題[3]。因此，在開(kāi)挖隧道時(shí)，要采取有效措施來(lái)減小地表沉降，避免對(duì)地面建筑物造成損害，使生態(tài)環(huán)境惡化[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析法已經(jīng)成為研究巖土工程問(wèn)題的重要方法，為深入了解盾構(gòu)施工以及地層變形，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行三維模擬十分必要[5]。

針對(duì)合肥某地下工程，借助MIDAS/GIS軟件，研究通過(guò)控制施工過(guò)程中推進(jìn)力的變化，討論推進(jìn)力的不同對(duì)周?chē)乇沓两档挠绊?，根?jù)其影響規(guī)律對(duì)盾構(gòu)隧道施工提出相關(guān)建議，以使地表沉降減小到最低。

1 工程概況

合肥地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道,開(kāi)挖軸線距離地面15m。盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)條件按巖性及工程特性分為5層，①人工填土(0～2m),②可塑狀粘土(2～8m)，③硬塑狀粘土(8～23m)，④粉質(zhì)粘土(23～26m),⑤全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(26～30m)。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)成圓形隧道，隧道外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m，管片厚度為0.3m。盾構(gòu)機(jī)機(jī)長(zhǎng)7.98m，外徑為6.28m。模型采用的地層及其一些參數(shù)如表1：

表1 地層情況

2 計(jì)算模型的建立

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)條件、隧道埋深以及周邊環(huán)境為建立計(jì)算模型，巖土體尺寸為 60m×50m×30m，在模擬過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)的長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定影響，綜合考慮，盾構(gòu)施工過(guò)程分25步來(lái)模擬，每步掘進(jìn)4m；z軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，巖土體厚度為30，所建模型共劃分17792個(gè)單元，9009個(gè)節(jié)點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)在硬塑狀粘土層中掘進(jìn)，y軸正向?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)方向。具體模型見(jiàn)下圖：

圖1 計(jì)算模型

圖2 計(jì)算模型正面

圖3 核心土

圖4 y=25m 處斷面地表橫向沉降對(duì)比圖

圖5 推進(jìn)壓力300kN時(shí)土層位移云圖

邊界條件：①側(cè)面：水平方向施加約束；②底部：垂直方向施加約束；③上表面：地表，設(shè)定為自由邊界。

圖6 推進(jìn)壓力400kN時(shí)土層位移云圖

圖7 推進(jìn)壓力500kN時(shí)土層位移云圖

圖8 推進(jìn)壓力600kN時(shí)土層位移云圖

圖9 不同推進(jìn)壓力下隧道中心線地表沉降變化曲線

圖10 y=25m斷面在不同推進(jìn)壓力條件下的橫向沉降槽曲線

整個(gè)模型采用四面體混合方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中管片和盾構(gòu)機(jī)外殼采用平面網(wǎng)格單元，模型的土體部分以3m為網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，土體核心部分以1m為網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分。管片和盾構(gòu)機(jī)外殼部分以1m為網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，土體的塑性破壞模型采用了修正-摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，考慮地下水的影響，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

取y=25m斷面處用此模型模擬的橫向地表沉降結(jié)果與工程實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如圖4所示。

由圖4可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果曲線大致走向一致，最大沉降差值也在合理的范圍內(nèi)，因此此模型是合理的，可以運(yùn)用此模型進(jìn)行分析。

采用控制變量法在模擬過(guò)程中分別對(duì)計(jì)算模型施加 300kN、400kN、500kN、600kN的推進(jìn)壓力，進(jìn)行對(duì)比分析。模擬計(jì)算的結(jié)果如圖5-圖10。(統(tǒng)一取盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)50m時(shí)的地層位移云圖)

由圖5-圖8可知以看出，沿開(kāi)挖方向地表沉降呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，曲線變化率較小。推進(jìn)壓力是影響施工土層的縱向位移關(guān)鍵因素之一。由圖9-圖10可知，在盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程的模擬中，推進(jìn)壓力達(dá)300kN時(shí)，土體縱向變形發(fā)生較大變化，推進(jìn)壓力達(dá)600kN時(shí)，土體縱向變形發(fā)生的變化不及推進(jìn)壓力達(dá)300kN時(shí)。且地表沉降隨著推進(jìn)壓力增大而減小。

綜合考慮，區(qū)間采用500kN的推進(jìn)壓力較更為合適。當(dāng)推進(jìn)壓力為500kN時(shí)，土體的橫向變形、縱向變形和隧道周?chē)馏w穩(wěn)定性均呈現(xiàn)出較為良好的狀態(tài)，故而區(qū)間采用500kN的推進(jìn)壓力。但是，在盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)若只考慮通過(guò)控制掘進(jìn)力來(lái)控制地表沉降也過(guò)于單一。因?yàn)楫?dāng)推進(jìn)壓力達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)挖在隧道掘進(jìn)的過(guò)程中尾盾向前離開(kāi)襯砌時(shí)產(chǎn)生的沉降是整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中最大的，此推進(jìn)壓力在盾構(gòu)面上施加的應(yīng)力大于開(kāi)挖面土體釋放的應(yīng)力時(shí)，地表即出現(xiàn)隆起情況。雖然模擬由于推進(jìn)壓力選取合適而未出現(xiàn)地表隆起，但從位移云圖中依然可以看出，隧道橫斷面處拱頂?shù)耐馏w沉降量達(dá)到最大。沉降值隨著當(dāng)土體深度的減少而減少，且土體隆起值在隧道拱底處達(dá)到最大，隨著土體深度增大，隧道拱底處達(dá)到的最大值亦會(huì)隨之減少。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)控制施工過(guò)程中推進(jìn)力的變化，討論推進(jìn)力的不同對(duì)周?chē)乇沓两档挠绊?，并根?jù)軟件模擬的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a)推進(jìn)壓力是影響地表沉降的關(guān)鍵因素，可通過(guò)控制推進(jìn)壓力減少土體的擾動(dòng)，從而避免地表過(guò)大的變形；

b)不同的推進(jìn)壓力作用下，地表的沉降都是沿隧道中心線對(duì)稱(chēng)分布的，且隧道中心部分沉降量最大；

c)盾構(gòu)推進(jìn)壓力越大，地表沉降值越小，但當(dāng)推進(jìn)壓力超過(guò)一定限度時(shí)，則有可能會(huì)造成地表隆起變形。