復(fù)合地層TBM隧道變形演化規(guī)律研究

孫鶴明,胡錫鵬,張書香,王文廣,張歷男

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復(fù)合地層TBM隧道變形演化規(guī)律研究

孫鶴明,胡錫鵬,張書香,王文廣,張歷男

(中交第一公路工程局有限公司, 北京, 100024)

以重慶軌道環(huán)線TBM(硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))區(qū)間隧道為背景, 利用有限差分?jǐn)?shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方法, 對(duì)復(fù)合地層TBM隧道施工影響下地層變形進(jìn)行了研究。對(duì)上軟下硬復(fù)合地層、傾斜復(fù)合地層及均質(zhì)地層3種工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明: 復(fù)合地層條件下隧道頂部及底部位移較大, 而隧道周邊收斂位移較小; 隧道開挖時(shí)掌子面前方1倍直徑處開始發(fā)生明顯位移, 并于掌子面后方3～5倍直徑處趨于穩(wěn)定, 整個(gè)隧道縱向沉降曲線呈明顯的“S”型?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示, 受復(fù)合地層差異的影響, 地表沉降呈偏態(tài)單凹槽狀的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反映的規(guī)律基本相同。

隧道工程; 復(fù)合地層; 硬巖隧道掘進(jìn)機(jī); 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

城市地鐵隧道穿越城市中心地帶, 通常有埋深淺、斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜且變形要求高等特點(diǎn)[1–3]。采用TBM(硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))方法進(jìn)行隧道開挖勢(shì)必對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng), 引起地層變形。影響地層變形的因素很多, 除受盾構(gòu)直徑、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等設(shè)計(jì)因素影響外, 還與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件, 如地層性質(zhì)、隧道埋深、周邊建筑物距離等有很大關(guān)系。

關(guān)于城市地鐵施工對(duì)地層變形的影響, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[4–7]。王長(zhǎng)虹[8]研究了盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降、建筑物的變形及力學(xué)行為; 馬紫娟[9]通過(guò)數(shù)值分析方法研究了盾構(gòu)隧道開挖面距離、注漿壓力的大小對(duì)地表沉降的影響規(guī)律; 張治國(guó)[10]以上海軌道交通11號(hào)線為工程依托研究了地鐵盾構(gòu)復(fù)雜疊交穿越引起的臨近地鐵隧道的變形規(guī)律; 黃明利[11]基于現(xiàn)場(chǎng)地層變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù), 實(shí)現(xiàn)了施工及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。目前, 對(duì)復(fù)合地層條件下盾構(gòu)隧道地層變形的研究較少, 因此, 本文將以重慶軌道交通環(huán)線TBM隧道為背景, 結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)盾構(gòu)隧道穿越復(fù)合地層的地層變形特征進(jìn)行分析, 為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

軌道交通環(huán)線是重慶市軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分, 是線網(wǎng)中最重要的骨干線路。重慶軌道交通環(huán)線上橋站至鳳鳴山站區(qū)間右線隧道總長(zhǎng)858.4 m, 其中復(fù)合TBM區(qū)間長(zhǎng)841.9 m; 左線隧道總長(zhǎng)為870.0 m, 其中復(fù)合TBM區(qū)間長(zhǎng)853.502 m。區(qū)間線路縱斷面為單坡, 最大坡度26‰, 最小坡度2‰, 隧道頂部埋深為10.2～30.4 m。沿線穿越的巖層主要為J2s-Sm砂巖泥巖(軟巖)、J2s-Ss砂巖(硬巖), 屬于典型的上軟下硬復(fù)合地層。經(jīng)設(shè)計(jì)勘察后, 綜合考慮采用單護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)刀盤直徑為6.88 m, 采用高強(qiáng)混凝土管片錯(cuò)縫拼接, 管片厚35 mm, 每環(huán)掘進(jìn)1.5 m。沿線主要控制性建(構(gòu))筑物有宏達(dá)建材公司、內(nèi)環(huán)快速路、鴻禧酒店等, 對(duì)地層變形要求十分嚴(yán)格。

2 復(fù)合地層數(shù)值模型

針對(duì)依托工程的地質(zhì)條件及工程特點(diǎn), 采用FLAC3D軟件對(duì)TBM掘進(jìn)時(shí)復(fù)合地層變形進(jìn)行數(shù)值分析。模型材料采用莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則, 管片采用liner單元模擬。管片參數(shù)為: 法向、切向剛度均為6.4 × 1012Pa; 拉強(qiáng)度為4 MPa; 摩擦角為25°; 內(nèi)聚力為8 MPa。地層材料參數(shù)見表1。圖1為采用的三維模型, 模型空間尺寸為100.0 m(方向)、80.0 m(方向)、100.0 m(方向), 隧道開挖方向?yàn)檩S負(fù)向。模型左右邊界施加水平約束, 隧道軸線和模型底面節(jié)點(diǎn)施加位移約束。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù) 材料彈性模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/kPa 砂質(zhì)泥巖108433.2588 砂巖1710542.22073

圖1 三維模型

結(jié)合工程實(shí)際, 選取上軟下硬復(fù)合地層、均質(zhì)地層及傾斜上軟下硬復(fù)合地層(傾斜角30°)3種工況進(jìn)行數(shù)值分析, 模型計(jì)算時(shí)先分別生成初始應(yīng)力場(chǎng), 然后依次進(jìn)行shell單元施加超前支護(hù)、model null開挖、施加TBM刀盤推力及l(fā)iner單元模擬管片等程序進(jìn)行計(jì)算。圖2為3種工況下的計(jì)算位移云圖。由圖2可知, 均質(zhì)地層及上軟下硬復(fù)合地層工況下計(jì)算得到的位移左右對(duì)稱, 而傾斜工況下位移呈左大右小的非對(duì)稱模式, 這與傾斜條件下左邊地層條件較差密切相關(guān), 同時(shí)也說(shuō)明了模型計(jì)算的正確性。3種工況下隧道左右墻體的豎向位移均較小, 而隧道頂部及底部則出現(xiàn)較大的位移, 各工況下隧道頂部最大計(jì)算位移分別為-7.26、-8.62和-9.11 mm, 隧道底部最大計(jì)算位移分別為3.68、4.15和5.27 mm。各工況下計(jì)算得出的隧道收斂位移均較小, 且均向洞內(nèi)收斂, 說(shuō)明圍巖強(qiáng)度高、整體固結(jié)好, 這與工程實(shí)際較為吻合。

圖2 不同工況下隧道位移云圖

圖3為不同工況下隧道頂部縱向沉降曲線。由圖3可知, 3種工況下掌子面前方約1倍直徑處頂部開始發(fā)生明顯位移, 隨后掌子面后方位移迅速增大, 并于掌子面后方約1倍直徑處位移速度變緩, 變化速率逐漸減小, 于掌子面后方3～5倍直徑處趨于0。整個(gè)隧道縱向沉降曲線呈明顯的“S”型曲線。對(duì)比不同工況下的沉降曲線可知, 均質(zhì)軟地層條件下沉降最大, 傾斜復(fù)合地層沉降量次之, 而上軟下硬地層沉降量最小。同時(shí)需要指出的是上軟下硬地層和傾斜復(fù)合地層工況下掌子面前方的沉降位移較為一致, 且沉降量均較小。

圖3 不同工況下隧道縱向沉降曲線

3 監(jiān)控量測(cè)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)手段對(duì)地層變形進(jìn)行控制分析。監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要有地表沉降、隧道收斂、建筑物傾斜及沉降等。其中地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿開挖方向每5 m布置1組監(jiān)測(cè)點(diǎn), 間距5～10 m。以沿線K3 + 580斷面的沉降點(diǎn)進(jìn)行分析, 該組斷面共布設(shè)了9個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn), 通過(guò)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制成橫向地表沉降曲線(圖4)。監(jiān)測(cè)結(jié)果圖4顯示, 斷面地表沉降呈偏態(tài)的單凹槽狀, 最大沉降值位于中心右側(cè)附近, 最大沉降值為7.0 mm, 比3種工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果均小, 這與實(shí)際工程中注漿量及注漿壓力的控制有關(guān)。圖5為K3 + 580斷面最大地表沉降點(diǎn)(DB-5)的歷時(shí)曲線, 由圖5可知, 隨著隧道的掘進(jìn), 地表沉降曲線大致可分為4個(gè)階段, 即TBM到達(dá)前的上升階段、達(dá)到后的快速沉降階段、緩慢變形階段以及TBM離開后的平穩(wěn)階段。

圖4 K3 + 580斷面沉降監(jiān)測(cè)曲線

圖5 DB-5地表沉降監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)復(fù)合地層條件下TBM施工誘發(fā)的變形規(guī)律進(jìn)行了研究, 得到以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)有限差分軟件模擬了復(fù)合地層條件下隧道掘進(jìn), 數(shù)值結(jié)果顯示隧道掘進(jìn)后頂部及底部受到的影響最大, 最大變形量分別為9.11 mm和5.27 mm, 而隧道周邊收斂變形相對(duì)較小。

(2) 隧道開挖時(shí)地層出現(xiàn)超前變形, 約掌子面前方1倍直徑處便有明顯位移, 并于掌子面后方3～5倍直徑處趨向于穩(wěn)定。隧道縱向沉降曲線表現(xiàn)出明顯的“S”型曲線。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示, 地層差異對(duì)地表沉降有較大影響, 其橫向地表沉降曲線由標(biāo)準(zhǔn)的單槽曲線轉(zhuǎn)化為偏態(tài)的單凹槽狀曲線。

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(責(zé)任編校: 江河)

Study of the ground deformation of tunnel TBM construction in composite ground

Sun Heming, Hu Xipeng, Zhang Shuxiang, Wang Wenguang, Zhang Linan

(China First Highway Engineering Co LTD, Beijing 100024, China)

Based on a certain constructing tunnel of Chongqing Transit circle line, the deformation characteristics of surrounding rock affected by the TBM tunneling in composite ground are studied by FLAC3D and site monitoring. Ground deformation in tunneling with three kinds of conditions (upper-soft lower-hard ground, composite incline ground and homogeneous ground) is conducted. The simulation results show that both the deformation at the top and bottom of the tunnel are large, but the peripheral displacements are relatively small. The settlement at the top of tunnel increases at the distance of 1 times of diameter before the tunnel face, which tends to be steady at the distance of 3～5 times diameter after the tunnel face. The whole longitudinal settlement curve behaves a typical “S-curve”. From site monitoring results, lateral surface subsidence is presented as a single groove shape. The simulation is consistent with the site monitoring results.

tunnel engineering; composite ground; TBM; site monitoring

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.019

U 451

A

1672–6146(2017)01–0083–03

孫鶴明,442459859@qq.com。

2106–11–10