左右線盾構(gòu)超越施工影響下的土體變形規(guī)律研究*

陳 東 周傳波 李超人 王 超 張 震 蔣 楠

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，430000，武漢；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,430074,武漢∥第一作者,助理工程師)

左右線盾構(gòu)超越施工影響下的土體變形規(guī)律研究*

陳 東1周傳波2李超人1王 超2張 震2蔣 楠2

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，430000，武漢；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,430074,武漢∥第一作者,助理工程師)

以武漢地鐵3號線區(qū)間隧道工程為背景,針對右線盾構(gòu)超越左線盾構(gòu)施工這一工程實(shí)際,通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法,研究施工過程中地表橫向、縱向沉降變化以及深層土體的橫向水平位移變化。研究結(jié)果表明:地表沉降與沉降槽寬度在右線盾構(gòu)通過后明顯增大;縱向地表在右線盾構(gòu)通過前先小幅沉降,右線盾構(gòu)通過后迅速沉降,當(dāng)右線盾構(gòu)離開監(jiān)測斷面40 m后沉降趨于穩(wěn)定;不同深度土體的橫向水平位移也不相同,最大位移發(fā)生在隧道埋深一半左右。因此,盾構(gòu)超越施工對先建隧道的影響非常明顯。

盾構(gòu)隧道; 左右線盾構(gòu)超越施工; 地表沉降; 水平位移

First-author′s address Wuhan Metro Group Co.,Ltd.,430000,Wuhan,China

近年來，隨著城市地鐵建設(shè)的升溫,雙線平行隧道盾構(gòu)法施工引起土體變形已得到充分研究,主要研究方法分為經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法以及數(shù)值模擬方法。1969年,Peck在大量施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,假定土體不排水、沉降槽體積等于土體開挖損失體積,提出了著名的Peck公式[1],指出地表橫向沉降曲線呈正態(tài)分布。國內(nèi)學(xué)者在Peck公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn):文獻(xiàn)[2-4]對盾構(gòu)隧道施工過程中三維土體沉降進(jìn)行了研究,建立了修正的三維Peck公式。文獻(xiàn)[5-8]建立了近間距雙線平行盾構(gòu)隧道數(shù)值模型,分析了后建隧道對先建隧道的影響,并對比分析了不同施工參數(shù)下土體沉降規(guī)律。但這些研究大多基于兩臺盾構(gòu)施工間距超過100 m的情況,對于雙線盾構(gòu)超越施工引起的土體變形規(guī)律研究較少,此前只對上海軌道交通7號線錦秋路站—上海大學(xué)站區(qū)間進(jìn)行過類似研究[9]。由于城市地下施工環(huán)境的復(fù)雜性以及施工過程中突發(fā)狀況的不可預(yù)知性,盾構(gòu)超越施工發(fā)生的可能性依然存在,因此,對雙線盾構(gòu)超越施工引起土體變形這一特殊規(guī)律需做進(jìn)一步研究。

本研究依托武漢地鐵3號線市民之家站—宏圖大道站區(qū)間工程實(shí)際,建立雙線近距平行隧道盾構(gòu)法施工數(shù)值模型,利用數(shù)值分析與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式,從左線隧道開挖地表橫向沉降變化規(guī)律、右線盾構(gòu)在超越左線盾構(gòu)施工過程中地表橫向沉降變化規(guī)律、地表沉降隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)的變化關(guān)系、不同深度土層橫向水平位移在右線盾構(gòu)通過前后的變化規(guī)律等四個方面進(jìn)行研究。

1 工程概況

武漢地鐵3號線市民之家站—宏圖大道站區(qū)間穿越長江Ⅱ級階地,區(qū)間第四系地層廣泛分布,厚達(dá)42～63 m;主要穿越土層從上至下依次為雜填土、素填土、黏土、粉質(zhì)黏土。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對盾殼與管片外徑之間的空隙同步注漿。根據(jù)巖土工程勘察報告,各土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 不同材料的力學(xué)參數(shù)

2014年4月,左線盾構(gòu)始發(fā);2014年6月,右線盾構(gòu)始發(fā)。2015年1月,左線盾構(gòu)因特殊情況遭嚴(yán)重?fù)p壞,此時兩盾構(gòu)相距約120 m,盾構(gòu)上方為宏圖大道,周圍無重要建筑物。為不延誤工期,在左線盾構(gòu)維修期間,實(shí)施右線盾構(gòu)超越工程。

在超越施工過程中,嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面平衡壓力、推進(jìn)速度、糾偏量、同步注漿量和漿液質(zhì)量,并加密監(jiān)測,研究右線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對土體變形及左線隧道的影響,并及時調(diào)整施工參數(shù)。超越施工完成后,持續(xù)監(jiān)測直至變形趨于穩(wěn)定,根據(jù)變形情況進(jìn)行二次注漿。

2 三維數(shù)值模型

模型長度為180 m,左、右邊界相距80 m,深度為50 m。隧道埋深20 m,兩隧道軸線間距15 m,洞徑為6 m,管片厚0.3 m、寬1.5 m。數(shù)值計算邊界條件為底部全約束、左右兩側(cè)約束X方向位移。采用摩爾-庫倫模型,利用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計算,建立數(shù)值模型(見圖1)。

在模擬過程中,開挖面支護(hù)壓力采用0.7倍地層應(yīng)力,每3 m一個循環(huán),模擬斷面開挖、管片安裝及注漿過程。左線首先開挖,當(dāng)左線掘進(jìn)到120 m處時停工,右線開挖直至貫通,模擬右線盾構(gòu)超越左線盾構(gòu)過程中土體變形。

圖1 FLAC3D數(shù)值模型

3 超越施工前左線盾構(gòu)開挖引起地表橫向沉降分析

為對比超越施工前后地表橫向沉降變化,在超越施工前,取隧道掘進(jìn)方向Y=30 m、60 m、90 m、120 m處進(jìn)行地表橫向沉降分析。左線隧道開挖穩(wěn)定后地表橫向沉降模擬值與實(shí)測值如圖2、圖3所示。

圖2 地表沉降模擬值

圖3 地表沉降實(shí)測值

對比圖2與圖3可知,沉降曲線以左線隧道軸線為軸近似對稱分布,隧道拱頂上方地表沉降最大,距離隧道軸線越遠(yuǎn)沉降值越小；數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)測值較吻合,表明數(shù)值模擬可用于分析和預(yù)測盾構(gòu)掘進(jìn)引起土體的變形。根據(jù)圖2可知,沉降曲線基本符合Peck公式正態(tài)分布規(guī)律,沉降槽寬度約為40 m。而實(shí)測數(shù)據(jù)由于監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置較少,沉降曲線未能呈現(xiàn)此規(guī)律。

此外,各處沉降并不相同,其中Y=60 m處沉降值最大,Y=120 m處沉降值最小。這是由于上覆雜填土及素填土厚度在該處最大,這兩種土體受擾動變形較大,因此該處沉降較大；而Y=120 m處是左線隧道停工斷面,前方土體未開挖,周圍土體受擾動較小,因此沉降值較小。

4 右線盾構(gòu)超越施工過程中土體變形

4.1 沉降位移云圖分析

右線貫通后,地表及Y=60 m處橫截面Z向位移云圖如圖4、圖5所示。

圖4 地表位移云圖

圖5 Y=60 m處截面位移云圖

分析圖4可知,地表各處沉降并不相同,在橫向方向上,由于沉降槽的影響,隧道拱頂上方及兩隧道中間沉降最大,向兩側(cè)依次減小;在縱向方向上,隨著Y接近左線隧道停工斷面(Y=120 m),地表橫向沉降范圍增大,當(dāng)Y遠(yuǎn)離停工斷面,沉降范圍隨之減小,最大沉降發(fā)生在30 m

(1) 隨著右線盾構(gòu)接近左線隧道停工斷面,隧道開挖對土體的擾動效應(yīng)增強(qiáng),土體變形增大。

(2) 上覆雜填土及素填土厚度在上述區(qū)間較大,因此地表沉降較大。

觀察圖5可知,Y=60 m處截面沉降位移云圖呈現(xiàn)出一定的對稱性,但總體偏向右線隧道一側(cè)；左線隧道拱頂上方土體沉降最大,達(dá)75.8 mm；沉降范圍從拱頂一直延伸至地表及隧道兩側(cè),地表最大沉降值約為30 mm；隧道底部由于開挖引起應(yīng)力卸荷產(chǎn)生隆起,最大隆起值達(dá)54.8 mm。

4.2 橫向地表沉降分析

取隧道掘進(jìn)方向Y=30 m、60 m、90 m、120 m處進(jìn)行分析。右線盾構(gòu)超越完成地表沉降穩(wěn)定后,地表橫向沉降曲線如圖6所示。

圖6 右線盾構(gòu)通過后地表沉降值

對比圖2、圖6可知,右線盾構(gòu)通過后,地表橫向沉降曲線變化很大,沉降槽寬度增加,沉降值增大。其中,地表沉降曲線在隧道中心線兩側(cè)不對稱,最大沉降發(fā)生在兩隧道中心線靠近右線隧道一側(cè)。這是因?yàn)橛揖€盾構(gòu)在左線盾構(gòu)擾動過的土層施工,擾動后土體強(qiáng)度、密實(shí)度、彈性模量等降低,施工引起的土體損失率大于左線隧道,因此在橫向沉降曲線上,最大沉降偏向右線隧道一側(cè)。此外,右線盾構(gòu)越接近左線隧道開挖面,這種擾動現(xiàn)象就越加明顯,具體表現(xiàn)見圖2、圖6中Y=30 m和Y=120 m處橫向沉降值變化。

4.3 地表沉降隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)變化

沿兩隧道中心線(X=40 m)取Y=30 m、60 m、90 m、120 m處進(jìn)行分析,地表沉降與右線盾構(gòu)掘進(jìn)位置的關(guān)系曲線見圖7。

分析圖7可知,在右線盾構(gòu)通過前后,地表監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)歷先小幅沉降后迅速沉降到最后穩(wěn)定的過程。右線盾構(gòu)通過前,由于縱向沉降槽的影響,地表開始沉降,但沉降值較小。當(dāng)盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面時,并不立即產(chǎn)生大量沉降,而是在盾構(gòu)通過一段距離后才開始迅速沉降,這是由于盾構(gòu)施工對土體的擾動效應(yīng)在空間上具有一定的滯后性。當(dāng)右線盾構(gòu)距離監(jiān)測點(diǎn)斷面40 m后,地表沉降才開始趨于穩(wěn)定。

圖7 縱向地表沉降曲線

對比圖7中4條沉降曲線可知,監(jiān)測點(diǎn)位置越接近左線隧道停工斷面,右線盾構(gòu)通過后地表沉降速度越快,且沉降完成時間越短。這是因?yàn)殡S著左、右線隧道開挖斷面的接近,土層對二次擾動的敏感性增大。

4.4 深層土體的橫向水平位移

沿兩隧道中心線(X=40 m),Y=60 m處不同深度土體在右線盾構(gòu)通過前后的橫向水平位移變化如圖8所示。

圖8 深層土體水平位移

由圖8可知,土體橫向水平位移偏向左線隧道一側(cè)。這是由于左線隧道先期施工導(dǎo)致周圍土體向左線隧道中心偏移,右線盾構(gòu)通過后,土體向右線隧道一側(cè)移動,但變化不大,因此橫向水平位移始終偏向左線隧道一側(cè)。

不同深度土體的橫向水平位移并不相同,最大位移發(fā)生在隧道埋深一半左右,最大值為11.5 mm。這是由于地表距隧道中心較遠(yuǎn),以豎直沉降為主,水平位移較小;而隧道埋深附近土層由于受到盾構(gòu)頂進(jìn)推力引起的擠壓作用及注漿的影響,水平位移變化不大。

5 結(jié)論

(1) 右線盾構(gòu)超越施工過程中,地表橫向沉降與單線隧道開挖時相比,沉降槽寬度增加,沉降值增加,最大沉降偏向右線隧道一側(cè)。

(2) 雙線平行隧道施工需保證一定間距,2臺盾構(gòu)縱向間距越接近,沉降槽的疊加沉降就越明顯。為保證盾構(gòu)施工安全和有效控制地表沉降,除非特殊情況,2臺盾構(gòu)應(yīng)保持一定的間距,避免超越施工。

(3) 隧道中心線的縱向地表在右線盾構(gòu)通過前由于縱向沉降槽的影響先略微沉降,隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)迅速沉降,當(dāng)右線盾構(gòu)通過監(jiān)測點(diǎn)斷面40 m后沉降趨于穩(wěn)定。

(4) 土體的橫向水平位移在不同深度并不相同,在隧道埋深一半左右時位移最大,左線隧道引起的土體水平位移明顯大于右線隧道。

[1] PECK R B.Deep excavations and tunneling in soft ground[C]∥ Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City:State of the Art Report,1969:225.

[2] 陳春來,趙城麗,魏綱,等.基于Peck公式的雙線盾構(gòu)引起的土體沉降預(yù)測[J].巖土力學(xué),2014,35(9):2562.

[3] WEI G.Prediction of soil settlement caused by double-line parallel shield tunnel construction [J].Disaster Advances,2013,6(6):23.

[4] 胡斌,劉永林,唐輝明,等.武漢地鐵虎泉—名都區(qū)間隧道開挖引起的地表沉降研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(5):908.

[5] 林志,朱合華,夏才初.雙線盾構(gòu)隧道施工過程相互影響的數(shù)值研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2009,5(1):85.

[6] 林志,朱合華.近間距雙線大直徑泥水盾構(gòu)施工相互影響研究[J].巖土力學(xué),2006,27(7):1181.

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

[8] 王鵬,周傳波,劉亞輝,等.武漢地鐵三號線土層盾構(gòu)開挖引起地表沉降研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2015,42(1):75.

[9] 白云,戴志仁,徐飛,等.后掘盾構(gòu)超越先掘盾構(gòu)對地層變形的影響研究[J].土木工程學(xué)報,2011,44(2):128.

Study on Soil Deformation Induced by Surpass Construction of Double-line Shield Tunnel

CHEN Dong, ZHOU Chuanbo, LI Chaoren, WANG Chao, ZHANG Zhen, JIANG Nan

Taking the tunnel engineering of Wuhan metro Line 3 as the background, and according to the particular situation of the right-line shield tunnel surpassing the left-line, numerical simulation and on-site monitoring are combined to study the horizontal and vertical ground settlement, as well as the deep soil horizontal displacement. The research indicates that the ground settlement and settlement slot width increase significantly after the right-line shield getting through, the ground would go down before the right-line shield arrives and then go down rapidly, the settlement would remain stabile when the right shield leaves 40 m away from the monitoring section. The horizontal displacement is not the same at different soil depths, the maximum displacement locates at half depth of the tunnel. It's clear that the surpass construction has great impact on the built tunnels.

shield tunnel; double-line tunnel surpass construction; ground settlement; horizontal displacement

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372312);武漢市“黃鶴英才(科技)計劃”項(xiàng)目;中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552113);中央高校 基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CUGL140817)

U 455.43;TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.01.010

2015-05-04)