地鐵盾構雙線隧道施工地層變形及襯砌結構應力數(shù)值分析

王忠昶,常龍，夏洪春

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622)*

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地鐵盾構雙線隧道施工地層變形及襯砌結構應力數(shù)值分析

王忠昶1,常龍1，夏洪春2

(1.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622)*

為預測盾構雙隧道施工周圍土體的變形及襯砌結構管片應力規(guī)律，以石家莊地鐵1號線07標段北宋—談固站區(qū)間雙線隧道為工程背景，在考慮各土層材料性質及盾構施工工藝的基礎上，利用FLAC3D建立了盾構雙隧道的三維精細數(shù)值模型，研究了盾構雙隧道襯砌管片的應力規(guī)律，并與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析.結果表明：盾構隧道開挖造成的地層沉降大致沿隧道軸線與水平線夾角45°向地表擴散.橫向地表沉降的影響距離距隧道中心約為30m.隨著隧道埋深增加，對應地表監(jiān)測點位累計沉降值變小，與隧道埋深成反比對應關系.隧道附近土體的第一主應力存在應力集中現(xiàn)象，應力集中系數(shù)約為1.3.襯砌管片應力分布存在差異性，靠近雙隧道共同擾動的管片側的拉應力和剪切應力集中現(xiàn)象較為明顯.襯砌管片橫斷面形變以“橢圓化”變形為主，兼有斷面收縮變形.

盾構雙隧道；數(shù)值分析；地層變形；應力

0 引言

盾構法因其具有施工時不阻斷交通、施工安全快速、對周圍環(huán)境影響小、有利于提高工程質量和保護地面環(huán)境等優(yōu)勢，近年來越來越多被應用于城市隧道的修建，已成為地鐵建設的主流施工方法.而施工引起的地層變形問題也成為隧道設計和施工中的熱點問題.因此，準確分析和計算盾構施工引起的地層變形及襯砌結構應力具有非常大的理論和實際意義.

目前，對城市隧道盾構法施工引起的地層沉降的研究方法主要有：Peck公式[1]、理論計算[2- 3]、相似材料模擬試驗[4]、有限元模擬[5- 8]等.地鐵盾構雙線隧道先后施工引起的地面沉降有：Ito & Histake用邊界元法對彈性和粘彈性地層中淺埋隧道引起的三維地面沉陷進行了分析[5]，李桂花采用彈性有限元法模擬了不同埋深、不同直徑、不同間隙條件下的隧道開挖，深入研究了施工

間隙參數(shù)并總結出相應經(jīng)驗公式[6]，張海波分析了隧道施工模擬中存在的問題，提出了用開挖卸荷單元來模擬開挖面土體的變形[7]，李鵬利用數(shù)值模擬研究了不同施工方案的地表沉降[8]等.

本文根據(jù)石家莊地鐵1號線07標段北宋—談固站區(qū)間左右線盾構隧道先后施工的特點，考慮隧道施工過程中的土層開挖、管片安裝及盾尾注漿等工藝，采用有限差分軟件FLAC3D對地鐵盾構隧道左右線的開挖支護過程進行了仿真，并選取合理的參數(shù)實現(xiàn)對土體材料特性、結構幾何特征、載荷、邊界等的確定，得出了談固區(qū)間盾構雙線隧道施工引起的管片受力及地層沉降特點，并與現(xiàn)場地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，以便對實際施工及地下管線的保護給予更好的指導.

1 工程概況及監(jiān)測點布置

1.1 工程概況

石家莊地鐵1號線07標段北宋—談固站區(qū)間全長1.208 km，縱坡呈“V”字型坡，最大縱坡25‰.區(qū)間為雙洞雙線，盾構區(qū)間雙隧道軸線距離15.2 m，最小覆土厚約9 m，最大覆土厚約17 m.土壓平衡式盾構機的技術參數(shù)主要包括：盾殼外徑6.25 m，刀盤外徑6.28 m，厚度40 mm，盾殼長度9.95 m，盾尾長度3.20 m.襯砌管片厚度300 mm，環(huán)寬1.2 m，管片內(nèi)徑5.4 m，管片外徑6.0 m，混凝土強度等級為C50，根據(jù)需要及時進行盾尾注漿.隧道橫斷面不同材料的網(wǎng)格圖和盾尾管片及充填尺寸示意圖分別如圖1和圖2所示.

圖1 隧道橫斷面網(wǎng)格圖

圖2 盾尾管片及充填尺寸 示意圖(單位：mm)

1.2 地面沉降監(jiān)測布置

地表沉降監(jiān)測基準網(wǎng)(高程基準網(wǎng))以石家莊市城市軌道交通1號線一期工程高程系統(tǒng)為基準建立，并附合于地鐵施工中的精密水準點上，其編號為：BM{1}30、BM{1}31.沉降監(jiān)測基準點應處于變形影響范圍以外并可以保持長期穩(wěn)定的位置，數(shù)量為3個，編號為JD1～JD3.監(jiān)測點優(yōu)化布置具體情況如表1所示.

表1 監(jiān)測點優(yōu)化布置表

2 雙線隧道盾構施工的FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值計算模型的確定

沿線路縱向開挖長度取60 m，隧道內(nèi)徑D=5.4 m，模型上邊界按實際土體分層取至地表面，即埋深17 m；下邊界取至隧道底部以下4D，即21 m；橫向邊界取至隧道外側6D，即32.4 m；三維有限差分計算模型的長×寬×高為60 m×64.8 m×44 m.取平行隧道橫斷面水平向為x軸，豎向為z軸，沿隧道軸線推進方向為y軸，建立三維坐標系.底部邊界為固定約束；側邊界為側向位移約束.整個模型共有36 500個六面體單元.數(shù)值計算模型如圖3所示.

圖3 數(shù)值計算模型

土體材料參數(shù)取值依據(jù)地質勘查資料，襯砌管片及盾殼為彈性材料，計算參數(shù)如表2所示.

表2 盾構區(qū)間土體及管片的物理參數(shù)

表2 盾構區(qū)間土體及管片的物理參數(shù)(續(xù)表)

2.2 隧道開挖模擬方法

自重應力場計算完成后，將所有節(jié)點位移賦值為0.隧道每個施工循環(huán)為1.2 m，單線隧道縱向長60 m，通過50個施工循環(huán)來完成，雙線隧道施工共需100個循環(huán)，右線隧道出洞后再開挖左線隧道.詳細的施工過程(圖1)為:① 開挖圍巖內(nèi)的所有層;② 隧道掌子面施加0.3 MPa的均布壓力來模擬千斤頂?shù)捻斶M壓力；③ 恢復盾殼，超挖土層通過弱化土層參數(shù)實現(xiàn);④ 6個施工循環(huán)后，去除盾殼模擬盾尾的土層損失，在盾尾土層施加0.2 MPa的環(huán)向注漿壓力;⑤ 盾尾安裝襯砌管片、注漿土層; 注漿土體采用改變原狀土體力學屬性方法.

圖4 建模流程圖

計算模型的上邊界施加均布荷載20 kPa來模擬表載荷情況，本文采用的建模流程圖如圖4.

2.3 盾構施工數(shù)值計算結果分析

圖5～8給出了左右線隧道不同推進距離時地層的豎向位移，由圖可知：

(1)盾構隧道開挖造成的地層沉降大致沿隧道軸線與水平線夾角45°向地表擴散.隨著盾構機的不斷向前推進，地層豎向位移和影響范圍逐漸增大，左右線隧道貫通后地表的最大沉降約為10 mm，橫向地表沉降的影響距離距隧道中心約為30 m.距離隧道起始開挖位置越近，橫向地表沉降的影響距離越大;

(2)左線隧道掘進時，深部地層的豎向位移呈偏向右側隧道的“W”型，距離隧道軸線越近，豎向位移越大，距離隧道軸線越遠，豎向位移越小，靠近地表時豎向位移呈偏向右側隧道的拋物線型;

(3)地層的最大沉降值發(fā)生在隧道拱頂，拱頂?shù)呢Q向位移大于拱底的豎向隆起.

圖5 右線隧道貫通時地層的豎向位移云圖

圖6 左線隧道開挖12 m時 地層的豎向位移云圖

圖7 左線隧道開挖24 m時 地層的豎向位移云圖

圖8 左線隧道貫通時地層的豎向位移云圖

2.4 地面沉降計算值與實測值的比較

分別根據(jù)右線隧道三個斷面：盾構機尾部、盾構機后方10 m處、盾構機后方50 m處的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制了橫向地表沉降曲線，計算結果與實測值的比較分別見圖9.

(a)盾構機尾部

(b)盾構機后方10 m

(c)盾構機后方50 m

北-談區(qū)間右線地表監(jiān)測點累計沉降值總體呈反拋物線形式發(fā)展.由于隧道縱向坡度呈“V”字型坡，與累計沉降曲線反向對應，隨著隧道埋深增加，對應地表監(jiān)測點位累計沉降值變小，與隧道埋深成反比對應關系.數(shù)值計算得到的地表沉降最大值、反彎點的位置、沉降槽的寬度以及橫向上離軸線不同距離處的沉降值都與實測數(shù)據(jù)基本一致.

3 襯砌管片的應力與變形分析

圖10給出了雙線隧道貫通后土層和襯砌管片的第一主應力云圖(圖中拉應力為負，壓應力為正).由圖可知：橫向斷面上隧道內(nèi)外側土體的第一主應力存在應力集中現(xiàn)象，應力集中系數(shù)約為1.3，土體的第一主應力快速增加到最大值，然后緩慢減少至原巖應力.距離隧道軸線越近，應力集中現(xiàn)象越明顯.

圖10 雙線隧道貫通后土層及隧道的第一主應力云圖(單位：Pa)

圖11,圖12分別給出了雙線隧道貫通后，先挖的右隧道襯砌管片的第一主應力和剪切應力云圖，由圖可見：

(1)盾構襯砌管片主要承受壓應力，管片頂部的內(nèi)側壓應力最大，管片的左右兩側出現(xiàn)較小的拉應力，靠近左側隧道的一側拉應力較大，遠離左側隧道的一側拉應力較小;

(2)同一截面的襯砌管片的剪切應力分布存在較大差異性，襯砌管片的左右兩側的剪切應力較大，頂部和底部的剪切應力較小，由于左右線隧道施工的擾動，使得右側襯砌管片在靠近左側隧道側剪切應力集中程度較大.

圖11 右線隧道襯砌管片第一主應力云圖(單位：Pa)

圖12 右線隧道襯砌管片剪切應力云圖(單位：Pa)

圖13給出了左右線隧道貫通后襯砌管片橫斷面變形示意圖.由圖可見：襯砌管片橫斷面形變以“橢圓化”變形為主，兼有斷面收縮變形；隧道左右側有向外擴張，擠壓土體趨勢；拱頂和拱底被

圖13 管片橫斷面變形示意圖

壓縮變形.先開挖的右側隧道變形明顯要大于后開挖的左側隧道，先開挖的右側管片內(nèi)側向左變形更大，外則向右變形較小，底部隆起更加明顯，這是因為土體存在先期的位移及變形歷史，致使土體彈性模量降低，抵抗變形能力變小.

4 結論

石家莊地鐵1號線07標段北宋—談固站區(qū)間雙線隧道盾構施工為工程背景，考慮地鐵盾構施工過程中盾構開挖、襯砌支護及土體注漿等工藝和上部土體的分層及左右隧道施工的相互影響，運用FLAC3D建立盾構隧道的三維精細數(shù)值模型，較為真實準確得模擬出周圍土體的應力和變形規(guī)律及襯砌管片的內(nèi)力、位移分布特點，并結合現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)進行了對比分析.得出主要結論如下：

(1)盾構隧道開挖造成的地層沉降大致沿隧道軸線與水平線夾角45°向地表擴散.橫向地表沉降的影響距離距隧道中心約為30 m；

(2)北-談區(qū)間右線地表監(jiān)測點累計沉降值，總體呈反拋物線形式發(fā)展.由于隧道縱向坡度呈“V”字型坡，與累計沉降曲線反向對應，可以說明，隨著隧道埋深增加，對應地表監(jiān)測點位累計沉降值變小，與隧道埋深成反比對應關系;

(3)橫向斷面上隧道附近土體的第一主應力存在應力集中現(xiàn)象，應力集中系數(shù)約為1.3.鋼筋混凝土管片襯砌應力分布存在差異性，具體表現(xiàn)為兩側輕微受拉，頂?shù)撞渴軌?偏向雙隧道共同擾動的管片側的拉應力和剪切應力集中現(xiàn)象較為明顯;

(4)襯砌管片橫斷面形變以“橢圓化”變形為主，兼有斷面收縮變形；隧道左右側有向外擴張，擠壓土體趨勢；由于先期擾動，先開挖的右側隧道的變形要大于左側隧道的變形.

[1]PECK R B. Deep excavation and tunneling in soft ground. State of the Art Report[R]. Proc. 7th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering,1969:225- 290.

[2]朱忠隆,張慶賀,易宏傳.軟土隧道縱向地表沉降的隨機預測方法[J].巖土力學,2001,22(l):56- 59.

[3]施成華,彭立敏.隨機介質理論在盾構法隧道縱向地表沉降預測中的應用[J].巖土力學,2004,25(2):320- 323.

[4]周小文,濮家騮.砂土中隧洞開挖引起的地面沉降試驗研究[J].巖土力學,2002,23(5):559- 563.

[5]ITO T, HISATAKE M. Three dimensional surface subsidence caused by tunnel driving[C]. In: Elsenstein Z ed. Proceedings of the Fourth International Conference on Numerical Methods in Geomechanies. Rotterdam: A A Balkema,1982:551- 559.

[6]李桂花.盾構法施工引起的地面沉陷的估算方法[J].同濟大學學報,1986,14(2):253- 261.

[7]張海波,殷宗澤,朱俊高.地鐵隧道盾構法施工過程中地層變位的三維有限元模擬[J].巖石力學與工程學報,2005,24(5):755- 760.

[8]李鵬, 袁松, 林志. 武漢地鐵雙線隧道區(qū)間盾構法施工的三維數(shù)值仿真分析[J]. 鐵路標準設計, 2011(4):74- 78.

Numerical Analysis of Lining Structure Stress and Ground Settlement Induced by Double-Tube Parallel Shield Tunneling

WANG Zhongchang1,CHANG Long1,XIA Hongchun2

(1.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Civil and Architectural Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China)

In order to analyze the surrounding soil structure in the shield tunneling process and the stress and deformation law of lining structure，the dynamic simulation of the shield tunneling is conducted with Flac3D software combining with the engineering situation of Shi Jiazhuang double parallel tunnels line No．1- 07. The stress and deformation of surrounding soil and lining for double-shield tunnel construction are studied, and the simulated results are compared with in-situ values. It is shown that the ground subsidence caused by shield tunnel excavation is spread to the surface along the tunnel axis, and the horizontal diffusion angle is about 45°. The influence range of the horizontal ground surface settlement is about 40 m distance from the center of the tunnel. The corresponding accumulated subsidence value of the surface monitoring pointsn is decreased with the increase of buried depth. The tunnel buried depth is inversely proportional to the corresponding relationship. There is stress concentration phenomenon in soil around the tunnel. The stress concentration coefficient is about 1.3. The stress distribution of cross section of lining segment exists difference. The concentration phenomenon of the tensile stress and shear stress is more obvious near common disturbance zone of double tunnels. The main deformation of cross section of lining segment is ovalization deformation and shrinkage deformation.

double-tube parallel shield tunnels；numerical analysis；ground settlement；stress

1673- 9590(2017)01- 0081- 05

2016- 01- 08

國家自然科學基金資助項目(51574055)

王忠昶(1976-),男，副教授,博士，主要從事地下工程災害預測及防治方面的研究

E-mail:wazoch@163.com.

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