雙線平行地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)縱向安全間距研究

蔡佳愿，周傳波，吳 超

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074 )

雙線平行地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)縱向安全間距研究

蔡佳愿1，周傳波2，吳 超2

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074 )

為加快雙線地鐵隧道施工，采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)開(kāi)挖，盾構(gòu)橫向間距不變情況下，縱向間距過(guò)近會(huì)加劇對(duì)土體的擾動(dòng)，影響地表建(構(gòu))筑物安全。以武漢地鐵三號(hào)線為工程背景，選取雙線平行隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算方法，綜合分析盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)隧道橫向、縱向地表變形特征，揭示雙線平行隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)時(shí)的縱向相互影響規(guī)律。結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合；盾構(gòu)通過(guò)后地表形成沉陷槽，隧道拱頂上方地表變形最大，距離隧道軸線越遠(yuǎn)，地表變形越小；開(kāi)挖過(guò)程中盾首上方隆起值達(dá)到最大，盾構(gòu)穿過(guò)后沉降迅速增加，最終趨于穩(wěn)定；雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)的二次擾動(dòng)加劇了地表最終變形量，盾構(gòu)縱向間距對(duì)地表最終變形量沒(méi)有影響，隨著盾構(gòu)縱向間距增加，地表總體沉降速率減緩，當(dāng)盾構(gòu)縱向距離大于50 m時(shí)較為安全可靠。研究成果旨在為今后的地鐵隧道安全快速的施工提供依據(jù)。

雙線盾構(gòu)隧道；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);數(shù)值模擬；地表變形；縱向間距

1 研究背景

盾構(gòu)法是修建城市地鐵隧道的主要施工方法之一，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中不可避免地對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而導(dǎo)致地表沉降或隆起，影響地表建(構(gòu))筑物和地下管線的安全與正常使用。了解盾構(gòu)法地鐵隧道施工影響地下層的變形規(guī)律，對(duì)保證地鐵隧道施工的安全高效進(jìn)行具有重要意義。關(guān)于隧道開(kāi)挖對(duì)地表變形的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究[1-5]，但對(duì)雙線平行地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)施工條件下的地表變形和雙線盾構(gòu)的縱向安全距離的研究較少。

本文以武漢地鐵三號(hào)線隧道工程為依托，根據(jù)雙線盾構(gòu)平行推進(jìn)工況，建立雙線平行隧道盾構(gòu)法施工數(shù)值模型。采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比分析方法，分析雙線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地表變形特征，揭示雙線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的縱向相互影響規(guī)律，提出土壓平衡盾構(gòu)雙線同向掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)縱向間距的安全允許最小值。

2 工程概況

武漢地鐵三號(hào)線第19標(biāo)段(DK27+875.187—DK29+651.124)為市民之家站—宏圖大道站區(qū)間，全長(zhǎng)1 775.937 m。該區(qū)間場(chǎng)地位于長(zhǎng)江Ⅱ級(jí)埋藏型階地上，地形平坦、開(kāi)闊，地面高程18.4～21.1 m。區(qū)間穿越所涉及的地層為雜填土、素填土、淤泥、黏土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等。

隧道埋深為4.3～20.4 m，橫斷面為圓形，外徑6 m，管片厚0.3 m，采用通用型襯砌環(huán)錯(cuò)縫拼裝，隧道間距11.1～16.0 m。使用盾構(gòu)法施工，雙線隧道均由市民之家站推進(jìn)至宏圖大道站，選用單圓土壓平衡盾構(gòu)。施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行盾尾同步注漿，填補(bǔ)盾殼與襯砌間的建筑空隙，以減少隧道沉降。

3 三維數(shù)值模型

以市民之家站—宏圖大道站區(qū)間開(kāi)始200 m范圍(DK27+875.187—DK28+075.187)為研究對(duì)象，對(duì)區(qū)間地層做適當(dāng)簡(jiǎn)化，地層從上至下依次為素填土(厚1.7～5.5 m)、黏土(厚1.0～3.8 m)、粉質(zhì)黏土(厚17.0～21.0 m)、粉細(xì)砂(厚13.5～17.5 m)，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行模型建立。

3.1 模型尺寸及邊界條件

模型中隧道橫截面尺寸如圖1所示，數(shù)值模型及坐標(biāo)系如圖2所示。模型左右側(cè)土體邊界面(x=±35 m)添加水平位移約束(UX=0),前后端邊界面(y=0 m和y=200 m)添加縱向位移約束(UY=0),底部土體邊界面(z=-40 m)添加豎向位移約束(UZ=0)。

圖1 模型隧道橫截面

圖2 雙線隧道FLAC3D計(jì)算模型Fig.2 FLAC3D calculation model of double line tunnel

3.2 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

將隧道襯砌考慮成一個(gè)均質(zhì)圓環(huán)體，襯砌材料、注漿層考慮成線彈性材料，土體采用摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)模型。各土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同材料的物理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Physical and mechanical parameters of different materials

材料密度ρ/(kg·m-3)彈性模量E/MPa泊松比ν內(nèi)聚力C/kPa摩擦角φ/(°)素填土194020．45128黏土195090．452612粉質(zhì)黏土2000110．402818粉細(xì)砂2010120．35030注漿層1750500．32——管片26002．76×1040．20——

3.3 模擬方案

初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，為了準(zhǔn)確地模擬盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中對(duì)周圍地層和地表的動(dòng)態(tài)影響過(guò)程，考慮如下因素：地下水壓力0.1 MPa，盾構(gòu)推力0.25 MPa，注漿壓力0.36 MPa及施工工序。其中施工工序簡(jiǎn)化為：①盾構(gòu)開(kāi)挖并施加注漿壓力；②管片安裝及注漿層硬化。

對(duì)2種工況進(jìn)行模擬。工況一：掘進(jìn)過(guò)程采用10 m一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，左線隧道開(kāi)挖，右線隧道不開(kāi)挖。工況二：掘進(jìn)過(guò)程采用10 m一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，左線隧道先開(kāi)挖，右線隧道后開(kāi)挖，左右線盾構(gòu)保持一定的間距同步同向推進(jìn)。

圖3 工況一地表位移云圖Fig.3 Contours of surface displacement in condition 1

4 結(jié)果分析

4.1 工況一

工況一中左線隧道掘進(jìn)至150 m時(shí)的地表位移云圖和Y=100 m處橫截面位移云圖分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中，地表呈現(xiàn)出不均勻變形。盾構(gòu)開(kāi)挖面及其前方(未開(kāi)挖段)2D～3D(D為隧道直徑，即12～18 m)范圍內(nèi)地表有輕微隆起現(xiàn)象，其主要原因是盾構(gòu)推力和注漿壓力對(duì)周圍土體產(chǎn)生了擠壓作用。盾構(gòu)開(kāi)挖面后方地表變形主要表現(xiàn)為沉降，且距離開(kāi)挖面越遠(yuǎn)，地表沉降值越大，并最終趨于穩(wěn)定。由圖4可知，隧道開(kāi)挖后，隧道拱頂上方地層產(chǎn)生沉降，且越靠近隧道拱頂，地層沉降值越大；隧道底部地層由于地應(yīng)力卸荷作用，有隆起現(xiàn)象，且越靠近隧道，地層隆起值越大。

圖4 工況一y=100 m處橫截面位移云圖

Fig.4 Contours of cross section displacement aty=100 m in condition 1

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)方案，選取開(kāi)挖面及其前后20 m處橫截面地表變形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。開(kāi)挖隧道軸線上方地表變形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6(+表示隆起，-表示沉降，下同)。

圖5 y=130，150，170 m處橫截面地表變形

圖6 隧道軸線縱向地表變形

由圖5可知，開(kāi)挖隧道軸線上方地表變形最大，距離隧道軸線越遠(yuǎn)，地表變形越小，橫向影響寬度約40 m。橫截面地表變形曲線以隧道軸線近似呈軸對(duì)稱分布，基本符合Peck公式正態(tài)分布規(guī)律[1]。

由圖6可知，在開(kāi)挖面上方地表隆起值最大，達(dá)到2.251 mm；盾構(gòu)開(kāi)挖后，開(kāi)挖面后方地表沉降量迅速增加；在開(kāi)挖面后30 m處，地表沉降趨于穩(wěn)定，地表最終沉降值穩(wěn)定在15 mm左右?？傻?，盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)開(kāi)挖面后方地表變形的縱向影響范圍為30 m左右。

4.2 工況二

對(duì)工況二中盾構(gòu)橫向間距不變，縱向不同間距(100,70,50,40,30,20,10,0 m)開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析(左線盾構(gòu)先掘進(jìn)，右線盾構(gòu)后掘進(jìn))。

圖7 工況二地表位移云圖(100 m間距)Fig.7 Contours of surface displacement (spacing of 100 m) in condition 2

選取與實(shí)際施工方案(盾構(gòu)縱向開(kāi)挖間距為100 m)吻合的模型，對(duì)左線掘進(jìn)至150 m，右線掘進(jìn)至50 m階段進(jìn)行分析。地表位移云圖如圖7所示。開(kāi)挖面后20 m(y=130 m)處橫截面地表變形數(shù)據(jù)如圖8所示。

對(duì)比圖3，從圖7可知：在右線開(kāi)挖面后方，經(jīng)過(guò)2次盾構(gòu)開(kāi)挖擾動(dòng)后的地表沉降量進(jìn)一步增加，且最大沉降量集中在兩隧道軸線中心處，地表變形的橫向影響范圍也相應(yīng)擴(kuò)大；在右線開(kāi)挖面前方，兩工況地表變形情況基本一致，表明在雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)縱向相距100 m時(shí)，相互之間沒(méi)有產(chǎn)生明顯的相互影響，工程選用此推進(jìn)方案是切實(shí)可行的。由圖8可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在大小和分布規(guī)律上基本一致，表明數(shù)值模擬方法可用于分析和預(yù)測(cè)地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形。

圖8 y=130 m處橫截面地表變形

Fig.8 Surface deformation curve of cross section aty=130 m

盾構(gòu)不同間距開(kāi)挖，左線掘進(jìn)至150 m時(shí)，左線開(kāi)挖面后20 m(y=130 m)處橫截面地表變形數(shù)據(jù)如圖9所示，左線隧道軸線地表變形量如圖10所示。

圖9 y=130 m橫截面地表變形

Fig.9 Surface deformation curves of cross section aty=130 m

圖10 隧道軸線縱向地表變形Fig.10 Longitudinal deformation curves of tunnel axis

由圖9可知，在盾構(gòu)縱向間距>30 m時(shí)，左線盾構(gòu)開(kāi)挖面后20 m處橫截面上地表變形曲線與工況一的變形曲線有較大差異，其原因是左右線盾構(gòu)在縱向上的地表變形影響范圍產(chǎn)生了重疊，即左右線盾構(gòu)產(chǎn)生了較為明顯的相互影響。

由圖10可知，工況二中左線隧道軸線上方最終地表變形量大于工況一，其原因?yàn)楣r二中的二次盾構(gòu)開(kāi)挖擾動(dòng)加劇了地表變形。工況二中不同的盾構(gòu)縱向間距下，左線隧道軸線上方最終地表變形量基本一致，說(shuō)明盾構(gòu)縱向間距對(duì)地表最終變形量沒(méi)有影響，且均穩(wěn)定在-20 mm左右，符合規(guī)范規(guī)定的地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)的一般規(guī)定：-30 ～ +10 mm[5]。

當(dāng)盾構(gòu)縱向間距>50 m時(shí)，地表變形明顯分為2個(gè)階段完成；當(dāng)盾構(gòu)縱向間距<30 m時(shí)，地表變形基本在一個(gè)階段內(nèi)完成。結(jié)果表明，盾構(gòu)縱向間距為30 m時(shí)，盾構(gòu)在縱向上對(duì)土體的影響開(kāi)始產(chǎn)生較大的疊加效應(yīng)，形成一個(gè)較為明顯的相互影響帶。當(dāng)盾構(gòu)縱向間距超過(guò)50 m時(shí)，地表變形均有一個(gè)明顯的穩(wěn)定期，縱向上的相互影響表現(xiàn)較弱。

并由圖10得，各間距條件下地表從開(kāi)始下沉到沉降穩(wěn)定的平均沉降速率(參考工程實(shí)際，盾構(gòu)平均推進(jìn)速率：10 m/d)如表2所示。

表2 不同間距條件下的地表沉降平均速率

Table 2 Average rate of surface subsidence in the presence of different spacings

工況間距/m平均速率/(mm·d-1)工況一3．0工況二1001．6701．9502．3403．2303．8204．7106．306．8

規(guī)范規(guī)定[5]，地表沉降、隆起位移最大速率控制在3 mm/d以內(nèi)。由表2可知，當(dāng)間距<50 m時(shí)，沉降速率均超過(guò)最大速率控制，當(dāng)間距≥50 m時(shí)，符合規(guī)范規(guī)定。

由上述分析可得，在武漢地區(qū)雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)縱向距離≥50 m時(shí)，地表變形較為平穩(wěn)，有利于地表建(構(gòu))筑物和地下管線的穩(wěn)定與安全。

5 結(jié) 論

(1)地表變形實(shí)際推進(jìn)方案的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小和分布基本吻合，證明數(shù)值模擬方法可用于分析和預(yù)測(cè)地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表變形。

(2)地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)中，開(kāi)挖面后方地表變形主要表現(xiàn)為沉降，且距離開(kāi)挖面越遠(yuǎn)地表沉降值越大，并最終趨于穩(wěn)定。開(kāi)挖面及其前方2D～3D(D為隧道直徑)范圍內(nèi)地表變形主要表現(xiàn)為隆起。盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，地表變形以隧道軸線近似軸對(duì)稱分布，隧道拱頂上方地表變形達(dá)到最大，距離隧道軸線越遠(yuǎn)變形量越小，橫向影響寬度約為40 m。

(3)盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)開(kāi)挖面后方的縱向影響范圍為30 m左右，在雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)縱向間距為30 m時(shí)，盾構(gòu)在縱向上對(duì)土體的影響開(kāi)始產(chǎn)生較大疊加效應(yīng)。

(4)雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)的二次擾動(dòng)加劇了地表最終變形量；盾構(gòu)縱向間距對(duì)地表最終變形量沒(méi)有影響；隨著盾構(gòu)縱向間距的增加，相互之間影響逐漸減弱，地表總體沉降速率降低。

(5)當(dāng)盾構(gòu)縱向間距超過(guò)50 m時(shí)，地表沉降速率即處于安全范圍之內(nèi)，有利于地表建(構(gòu))筑物和地下管線的穩(wěn)定，故雙線地鐵隧道盾構(gòu)同向推進(jìn)中，盾構(gòu)縱向距離>50 m時(shí)較為安全可靠。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Longitudinal Safe Spacing of Two Shields Excavating in the SameDirection of Double Line Parallel Subway Tunnel

CAI Jia-yuan1,ZHOU Chuan-bo2,WU Cao2

(1.Guangdong Hualu Transport Technology Co. Ltd., Guangzhou 510420,China; 2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

In order to speed up the construction of double line subway tunnel,two shield machines are used in theexcavation at the same time.Under the condition of invariable transverse spacing of the two shields,small longitudinal spacing will aggravate the disturbance of surrounding soil and affect the safety of surface building(structures).In this paper,with Wuhan Metro line 3 as engineering background,the characteristics of transverse and longitudinal surface deformations of shield tunnel excavation are analyzed through field monitoring and numerical simulation,and the regularity of longitudinal influence of double-line parallel tunnel excavated in the same direction is revealed.Results show that the numerical results accord with the field monitoring data;surface subsidence trough forms after the shield passes.The surface deformation above the tunnel vault remains the biggest,and the farther away from the axis of the tunnel,the smaller the surface deformation reaches.In the process of excavating,the surface uplift value above the front of shield reaches the maximum;the surface settling velocity increases rapidly after the shield passes and finally tends to be stable.In the process of shield excavating in same direction of double line metro tunnel,the secondary disturbance of shield contributes to the final surface deformation,but the longitudinal spacing of shields has no effect on the final surface deformation.With the increase of longitudinal spacing of shields,the total surface settling velocity slows down.It is safe and reliable when the longitudinal spacing of shields exceeds 50 m.The research result of this paper is expected to provide a basis for the safe and rapid construction of subway tunnels.

double line subway tunnel;field monitoring;numerical simulation;surface deformation;longitudinal spacing

2015-07-18;

2015-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372312);武漢市“黃鶴英才(科技)計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2015055003)

蔡佳愿(1990-)，男，湖北荊州人，助理工程師，碩士，主要從事巖土工程檢測(cè)與穩(wěn)定性研究，(電話)18665075692(電子信箱)347492263@qq.com。

周傳波(1963-)，男，安徽合肥人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、地下工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，(電話)13707175382(電子信箱)cbzhou@cug.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150614

2015,32(12):105-108，112

TU714

A

1001-5485(2016)12-0105-04