獅子洋隧道陸地段盾構(gòu)施工橫向地表沉降研究

楊延棟，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，周建軍

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

獅子洋隧道陸地段盾構(gòu)施工橫向地表沉降研究

楊延棟1,2，陳 饋1,2，李鳳遠(yuǎn)1,2，周建軍1,2

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為了預(yù)測盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降，針對獅子洋隧道陸地段DIK42+660斷面地層，通過理論分析，利用Peck公式對該斷面地表橫向沉降量進行計算；通過數(shù)值模擬，利用ANSYS建立地層的有限元模型，并從數(shù)值模擬結(jié)果中獲取地表單元的橫向沉降量；最后通過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比，對理論分析和數(shù)值模擬的地表橫向沉降量預(yù)測方法進行評價。研究結(jié)果可為盾構(gòu)隧道地表沉降的預(yù)測提供有效的方法。

盾構(gòu)隧道；地表沉降；理論分析；數(shù)值模擬；現(xiàn)場驗證

0 引言

盾構(gòu)隧道施工不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生施工擾動，使周圍地層發(fā)生卸載或者加載等復(fù)雜的力學(xué)行為，從而使土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，引起周圍地層的變形，產(chǎn)生地層沉降[1]。對于開挖隧道引起的地層沉降分2種，一種是沿隧道開挖方向的沉降，稱為縱向沉降；另外一種是在某一斷面上的沉降，稱為橫向沉降。目前對于盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降的預(yù)測方法主要包括理論分析、數(shù)值仿真等。

Peck[2]提出了由隧道開挖引起的地表沉降的橫向分布近似正態(tài)分布，并且給出了估計地表橫向沉降量的實用方法(Peck公式)；Celestino等[3]對世界范圍內(nèi)51條隧道實際沉降量的監(jiān)測值進行了曲線擬合，結(jié)果表明，58%的實際監(jiān)測結(jié)果與Peck公式計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.90以上，80%的實際監(jiān)測結(jié)果與Peck公式計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.80以上；韓煊等[4]收集了我國多個地區(qū)30多組隧道地表橫向沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分析表明，除了2組數(shù)據(jù)外，其余均符合Peck公式的計算結(jié)果。季亞平[5]應(yīng)用ADINA軟件，針對深圳地鐵一期工程，建立了地層平面有限元模型，采用生死單元技術(shù)模擬盾構(gòu)開挖、注漿和襯砌的過程，對盾構(gòu)施工中地層位移和土壓力進行了研究。徐冬健[6]應(yīng)用MIDAS-GTS軟件，針對盾構(gòu)下穿黃村火車站工程，建立了地層三維有限元模型，采用應(yīng)力卸載的方式，對盾構(gòu)開挖工程中造成的地表沉降規(guī)律進行了研究。

上述針對盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究，未能對理論分析、數(shù)值仿真等方法的結(jié)果進行對比和評價，預(yù)測方法的準(zhǔn)確性得不到保證。針對獅子洋隧道陸地段DIK42+660斷面，希望通過地表橫向沉降量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對理論分析和數(shù)值仿真的方法進行驗證與評價，得到可靠的盾構(gòu)隧道地表橫向沉降的預(yù)測方法。

1 工程概況及測點布置

廣深港客運專線獅子洋隧道全長10.8 km，從廣州側(cè)由西向東下穿獅子洋后進入東莞。該工程是目前國內(nèi)最長、標(biāo)準(zhǔn)最高的水底隧道，該隧道是我國首座水下鐵路隧道，也是目前國內(nèi)最長的水下盾構(gòu)隧道，屬于廣深港鐵路客運專線的控制性工程，因此地層沉降量的控制尤為重要[7]。該隧道大部分處于微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和砂礫巖中，局部位于淤泥質(zhì)與粉質(zhì)黏土中，部分地段穿越軟硬不均底層。隧道采用4臺泥水平衡式盾構(gòu)，采用“相向掘進、地中對接”的方案進行掘進，盾構(gòu)按設(shè)計線路分別從左右線下井，左線先行始發(fā)，右線隨后。左洞3號盾構(gòu)在掘進4 450 m后與1號盾構(gòu)對接；右洞4號盾構(gòu)在掘進4 750 m后與2號盾構(gòu)對接，對接后盾構(gòu)在洞內(nèi)進行解體。

為了確保工程安全，需要在施工的全過程進行地層沉降監(jiān)測，并參考監(jiān)測結(jié)果，在施工過程中積極改進施工方法、施工工藝和施工參數(shù)，最大限度減小地層變形。DIK41+970～DIK43+000陸地段，隧道洞身大部分地段通過沖積砂巖和土層，局部通過強風(fēng)化巖，可在地表布置測點進行沉降量監(jiān)測，2條平行盾構(gòu)隧道中心相距約20 m，盾構(gòu)開挖直徑為φ11.2 m，測點以2條平行隧道中線為中心，橫向左右對稱布置，每隔5 m(或10 m)布置一個測點，如圖1所示。

圖1 地表沉降監(jiān)測測點布置圖(單位：m)

為了研究盾構(gòu)隧道開挖引起的地層橫向沉降，選取DIK42+660斷面，該斷面附近的地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示。DIK42+660斷面地層從上往下依次為人工填土層(1)約3 m；淤泥層(2)2約7 m；黏性土層(3)1約5 m，淤泥質(zhì)土(3)2層約6 m，粉細(xì)砂層(3)3約4 m，粗砂層約5 m，巖石強風(fēng)化層(5)2約5 m，再往下為巖石弱風(fēng)化層(5)3。該斷面處隧道中心距地面垂直距離為20.9 m。

圖2 DIK42+660斷面附近地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions near DIK42+660 cross-section

2 盾構(gòu)隧道橫向地層沉降理論分析

盾構(gòu)隧道施工引起地層沉降的主要原因是土體損失[8]。盾構(gòu)在施工過程中，盾構(gòu)到達(dá)之前，如果密封倉壓力大于盾構(gòu)正面的土壓力則地表隆起，如果密封倉壓力小于盾構(gòu)正面的土壓力則地表下沉；盾構(gòu)通過時，如果超挖則地表沉降，如果欠挖則地表隆起；盾構(gòu)通過之后，盾尾產(chǎn)生間隙導(dǎo)致地表下支撐力減小而沉降。為了減小盾尾間隙，采用同步注漿，會在地層內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓，隨著超空隙水壓的消散地層將產(chǎn)生沉降[9]，另外，漿液與擾動地層固結(jié)同樣也會引起地表沉降。

Peck在1969年提出了地層損失的概念，他認(rèn)為施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以沉降槽的體積應(yīng)該等于地層損失的體積。根據(jù)這個假定，Peck提出了盾構(gòu)施工引起地表沉降的估算方法，并且得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)Peck理論，假定地層損失在隧道長度方向上均勻分布，地表沉降的橫向分布似正態(tài)分布曲線，如圖3所示。

圖3 Peck理論地表沉降示意圖Fig.3 Sketch of transverse ground surface settlement on basis of Peck theory

橫向地表沉降量估算的Peck公式為：

S(x)=Smaxexp(-x2/2i2);

(1)

(2)

式中:S(x)為地表沉降量，m；Smax為隧道中心處最大沉降量，m；x為距隧道中心線的距離，m；i為沉降槽寬度系數(shù)(自隧道中心至沉降曲線反彎點的距離)，m；Vl為盾構(gòu)隧道單位長度土體損失量，m3/m。

沉降槽的寬度系數(shù)i的計算方法1：

(3)

式中：φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角；z為地面到隧道中心的深度。

沉降槽的寬度系數(shù)i的計算方法2：

i=R(z/2R)n。

(4)

式中：R為隧道的開挖半徑；n取0.8～1.0，土越軟，n的取值越大。

盾構(gòu)隧道單位長度土體損失量Vl的計算方法：

Vl=πR2η。

(5)

式中，η為土體損失率，對于均質(zhì)土，η通常為0.5%～2.0%，其中砂土取0.5%，軟土取1%～2%。

根據(jù)Peck公式，結(jié)合DIK42+660斷面的地層條件，隧道軸線埋深z取20.9 m，土體損失率η取1%，則根據(jù)式(4)，n取0.9，則沉降槽的寬度系數(shù)i為9.82 m；根據(jù)式(1)，計算對應(yīng)測點的地表沉降量，得到開挖左線隧道后的沉降量如表1所示(其中測點的數(shù)值表示距左線隧道中線的距離，單位為m)。

表1地表沉降量Peck公式計算結(jié)果
Table 1 Ground surface settlement calculated by means of Peck formula

測點沉降量/mm-55-6×10-6-45-001-35-007-30-038-25-157-20-505-15-125-10-239-5-3530-4025-35310-23915-12525-15735-007

3 盾構(gòu)隧道橫向地層沉降數(shù)值模擬

根據(jù)DIK42+660斷面附近的地層條件，利用ANSYS軟件建立有限元模型，模擬的地層范圍為寬60 m，高50 m，長60 m。根據(jù)圖2，模擬地層主要分為3個大層，海陸交互相沉積層(2)、沖積層(3)及基巖(5)。地層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 DIK42+660斷面地層參數(shù)
Table 2 Physical and mechanical parameters of strata at DIK42+660 cross-section

地層編號地層厚度/m密度/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)(2)1017020042176255(3)2019530033228315(5)20200300013270406

地層材料特性考慮成Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的非線性彈塑性行為，采用Solid45單元模擬圍巖，采用Mesh200單元來進行網(wǎng)格拖拉[10]。施加的邊界約束條件是：地表為自由邊界，計算模型的左右兩面施加x軸方向的位移約束，底面施加x軸、y軸方向的位移約束，后面施加z軸方向的位移約束。地層有限元模型如圖4所示。

圖4 地層有限元模型

首先，在未開挖隧道時，只加載重力加速度，采用牛頓-拉普森方法進行求解，計算結(jié)果得到地應(yīng)力場引起的地表各單元的沉降量均為0.322 9 m。然后，模擬隧道開挖，采用生死單元法殺死隧道開挖范圍內(nèi)的單元，長度為30 m，再進行計算計算結(jié)果，如圖5所示。開挖面前方8 m處的地層沉降如圖6所示，開挖面后方8 m處的地層沉降如圖7所示，開挖面后方26 m處的地層沉降如圖8所示。

斷面實際沉降量由隧道開挖后的沉降量減去初始地應(yīng)力場產(chǎn)生的沉降量得到。進入ANSYS后處理模塊，提取出3個斷面地表節(jié)點y軸方向的位移，減去初始地應(yīng)力場下的位移，即可得到地表節(jié)點沉降量。

圖5 數(shù)值模擬的地層沉降結(jié)果Fig.5 Ground settlement obtained by means of numerical simulation

圖6 開挖面前方8 m處的地層沉降

圖7 開挖后方8 m處的地層沉降

圖8 開挖面后方26 m處的地層沉降

4 盾構(gòu)隧道橫向地層沉降現(xiàn)場驗證

通過現(xiàn)場監(jiān)測，左線盾構(gòu)通過斷面DIK42+660前后，地表橫向沉降量的監(jiān)測結(jié)果如表3所示。

表3 盾構(gòu)通過時地表沉降量Table 3 Ground surface settlement when shield passes

為了對比盾構(gòu)隧道開挖對地表橫向沉降的影響，將DIK42+660斷面地表測點理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測的沉降量進行比較。Peck理論計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較如圖9所示；Peck理論計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比如圖10所示。

圖9 理論計算與數(shù)值模擬對比Fig.9 Comparison and contrast between ground surface settlement obtained by means of theoretical calculation and that obtained by means of numerical simulation

從圖9和圖10的對比可以看出：盾構(gòu)到達(dá)斷面之前，地表的沉降量較?。欢軜?gòu)通過斷面時，對地層產(chǎn)生了較大的擾動；隨著盾構(gòu)的遠(yuǎn)離，地表沉降量漸漸增大，橫向沉降量近似正態(tài)分布。通過數(shù)值仿真得到的開挖面前后3個斷面(開挖面前方8 m處、開挖面后方8 m處、開挖面后方26 m處)的沉降量與DIK42+660斷面盾構(gòu)到達(dá)前后3次(刀盤到達(dá)前8 m、刀盤通過后8 m、刀盤通過后26 m)的地表沉降量的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行比較，數(shù)值模擬地表各點的沉降分布規(guī)律和沉降量均較接近現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，說明該數(shù)值模擬方法對地表沉降的預(yù)測有較好的有效性。

圖10 理論計算與現(xiàn)場監(jiān)測對比Fig 10 Comparison and contrast between ground surface settlement obtained by means of theoretical calculation and that measured at site

從圖10可以看出：Peck理論的計算結(jié)果與DIK42+660斷面刀盤通過100 m之后的地表沉降量的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較接近，說明Peck理論計算得到的地層沉降量為地層被擾動之后再次趨于穩(wěn)定的沉降量，對于盾構(gòu)通過斷面時地表沉降量的預(yù)測偏于保守。

5 結(jié)論與討論

通過對獅子洋盾構(gòu)隧道DIK42+660斷面地表橫向沉降量的理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，可以得出：盾構(gòu)隧道施工引起的地表橫向沉降量近似正態(tài)分布，并且隨著盾構(gòu)的遠(yuǎn)離漸漸增大，地層再次恢復(fù)穩(wěn)定后地表橫向沉降量的結(jié)果與Peck理論的計算結(jié)果接近；有限元方法預(yù)測盾構(gòu)施工過程中地表的橫向沉降量具有一定的可行性，Peck理論計算結(jié)果偏于保守。需要說明的是，理論分析與數(shù)值模擬均未考慮盾構(gòu)施工時的同步注漿壓力和密閉倉壓力對地層沉降的影響，另外僅研究了橫向地層沉降，未涉及縱向地層沉降。為了準(zhǔn)確預(yù)測盾構(gòu)施工引起的地層沉降，需進一步考慮上述影響因素，以便提出控制地表沉降的有效措施。

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CaseStudyonTransverseGroundSurfaceSettlementofLandSectionofShiziyangTunnelBoredbyShield

YANG Yandong1,2,CHEN Kui1,2,LI Fengyuan1,2,ZHOU Jianjun1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In this paper,the transverse ground surface settlement of DIK42+660 cross-section of land section of Shiziyang tunnel induced by shield boring is calculated by means of Peck formula.The ground is numerically simulated by means of ANSYS finite element model,and the transverse ground surface settlement values are obtained from the numerical simulation results.The transverse ground surface settlement values obtained by means of theoretical analysis and numerical simulation respectively are estimated by means of comparing them with the measured values.The paper can provide reference for the prediction of ground surface settlement of shield-bored tunnel of similar projects in the future.

shield-bored tunnel; ground surface settlement; theoretical analysis; numerical simulation; field validation

2014-07-29；

2014-09-09

國家973計劃(2014CB046906)；中鐵隧道集團科技創(chuàng)新計劃(隧研合2012-17)。

楊延棟(1988—)，男，陜西寶雞人，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，機械設(shè)計及理論專業(yè)，碩士，助理工程師，研究方向為盾構(gòu)及掘進技術(shù)。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.005

U 455.43

A

1672-741X(2014)12-1143-05