砂卵石地層管幕施工中地層擾動的數(shù)值模擬

劉新建, 張 倍, 邊 金, 羅文江, 趙 輝

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124； 3.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100124；4.中鐵十九局集團(tuán)有限公司， 北京 100124)

砂卵石地層管幕施工中地層擾動的數(shù)值模擬

劉新建1, 張 倍2,3, 邊 金2,3, 羅文江4, 趙 輝4

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124； 3.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100124；4.中鐵十九局集團(tuán)有限公司， 北京 100124)

為判斷工程施工對地層的擾動程度，依托礦山法新建北京地鐵8號線木樨園橋南站—大紅門站區(qū)間正線下穿既有10號線盾構(gòu)區(qū)間工程，提出以土層沉降作為施工擾動微變形判斷依據(jù)，進(jìn)行鋼管頂進(jìn)施工現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型，研究砂卵石地層中管幕施工對地層擾動變形的影響。結(jié)果表明，管幕施工對上部地層的擾動以沉降為主；砂卵石地層中管幕預(yù)支護(hù)體系能夠減小隧道施工對上部土層的擾動；在管幕預(yù)支護(hù)體系作用下進(jìn)行新建隧道的施工，能夠?qū)⒓扔薪Y(jié)構(gòu)的沉降變形控制在允許范圍內(nèi)。研究結(jié)果可為相關(guān)地下工程管幕預(yù)支護(hù)體系設(shè)計(jì)、施工提供參考。

砂卵石地層； 管幕法； 施工擾動； 微變形控制； 數(shù)值模擬

管幕法是在結(jié)構(gòu)體外圍預(yù)先進(jìn)行鋼管頂進(jìn)，并在鋼管側(cè)面利用鎖扣連接，在鎖扣空隙內(nèi)填充止水材料，形成一個(gè)能抵御上部荷載的超前支護(hù)體系，以起到隔斷周圍水土的帷幕結(jié)構(gòu)作用，從而減小對上部土體、既有建(構(gòu))筑物和周圍環(huán)境的擾動[1]。作為地下空間開發(fā)的一種暗挖施工輔助工法，管幕法具有對周圍環(huán)境擾動小、施工空間限制低、對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，因此在一些施工空間狹小，周邊環(huán)境復(fù)雜的地下空間施工中，運(yùn)用管幕作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，既能保證施工的安全進(jìn)行，又能減少對周圍環(huán)境的影響。目前，對于砂卵石地層中管幕施工近距下穿既有線微變形控制的研究較少，特別是砂卵石地層中管幕施工穿越既有運(yùn)行地鐵隧道的擾動研究更是鮮見。礦山法新建北京地鐵8號線木樨園橋南站～大紅門站正線下穿既有10號線盾構(gòu)區(qū)間工程，新建隧道下穿既有隧道穿越土層主要是砂卵石地層。鎖扣管幕的施工過程復(fù)雜，土層變形控制極其嚴(yán)格，傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法難以準(zhǔn)確有效地對管幕施工進(jìn)行定量分析預(yù)測。筆者采用現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)與空間三維有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法模擬管幕施工對周圍土體及既有結(jié)構(gòu)沉降變形的影響。

1 工程概況

礦山法新建8號線木大區(qū)間正線(木樨園橋南站～大紅門站)近接下穿既有10號線盾構(gòu)區(qū)間(大紅門站～石榴莊站)，下穿區(qū)間長度43 m，距離既有區(qū)間最近處2.5 m。新建區(qū)間隧道與上方的盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 既有隧道與新建隧道剖面位置關(guān)系

該工程是全國首例近距離下穿既有正在運(yùn)行區(qū)間隧道的工程。既有10號線處于正常運(yùn)營狀態(tài)，對于隧道變形控制非常嚴(yán)格，要求穿越施工引起的既有線沉降不超過3 mm，隆起不超過2 mm。

工程采用“鎖扣管幕+全斷面深孔注漿”方案進(jìn)行施工，即在隧道上導(dǎo)洞距離拱頂0.5 m處頂進(jìn)27根φ299 mm鋼管幕，并進(jìn)行注漿加固，管幕施工完成后對開挖面進(jìn)行全斷面深孔注漿，隨后進(jìn)行隧道的開挖。

鎖扣管幕對上部土體可以起到很好的支護(hù)作用，防止砂卵石坍塌，同時(shí)可以保證上部土體在注漿作用時(shí)整體沉降或者隆起，避免局部不均勻變形。文中主要研究鎖扣管幕的施工及其對地層的擾動。根據(jù)工程詳細(xì)勘查報(bào)告，新建隧道下穿既有隧道穿越土層主要是砂卵石地層。管幕施工方案見圖2。

圖2 管幕施工位置

2 施工擾動判斷依據(jù)

土的擾動大體是指由于外界機(jī)械作用造成的土的應(yīng)力釋放，體積、含水量或孔隙水壓力變化，特別是土體結(jié)構(gòu)或組構(gòu)的破壞和變化[3]。施工引起的擾動對土體性質(zhì)的影響機(jī)理極其復(fù)雜，如何評估工程施工對環(huán)境的擾動程度，一直是學(xué)術(shù)界致力研究的課題。土層擾動定量評價(jià)的方法有殘余孔隙水壓法[3]、體積壓縮法[4]、不排水模量法[5]、擾動因子法[6]、p-q-e評價(jià)法[7]、剪切應(yīng)變法[8]、切線模量法[9]等。有研究表明，管幕施工引起的地表變形與盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律極為相似[10-11]。黎春林等[12]提出考慮施工擾動出現(xiàn)塑性區(qū)，采用土體應(yīng)力比和土體擾動度等指標(biāo)判斷施工擾動范圍。以上各種擾動評價(jià)和擾動區(qū)的判斷準(zhǔn)則是建立在土體應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙比、孔隙水壓力、體積模量、應(yīng)力歷史等一個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)上。

在管幕近距離穿越既有運(yùn)行隧道施工中，對于地層沉降要求極為嚴(yán)格。表1給出了既有結(jié)構(gòu)變形控制限值，管幕施工引起的既有線結(jié)構(gòu)沉降和隆起均不宜超過1 mm，屬微變形控制范疇。微變形控制中土層位移是最為重要的控制指標(biāo)，實(shí)際施工中，采用精密的位移傳感器可以較準(zhǔn)確地測量地層的微變形。因此，文中以土層的沉降值作為判斷施工擾動的主要因素，即認(rèn)為施工引起的土層沉降越大則引起的土層擾動越大，以沉降作為評估工程施工對環(huán)境擾動的指標(biāo)，并以此為依據(jù)進(jìn)行鋼管頂進(jìn)施工實(shí)驗(yàn)和管幕施工數(shù)值模擬研究。

表1 既有結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測控制值

Table 1 Monitoring and control of deformation monitor-ing of existing structures construction

監(jiān)測項(xiàng)目s/mm預(yù)警值報(bào)警值控制值豎向上浮0.70.81.0豎向沉降2.12.43.0

3 管幕單管頂進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.1 孔位及測點(diǎn)布置

設(shè)計(jì)在左線人防擴(kuò)大端掌子面下半導(dǎo)洞左側(cè)中部位置預(yù)先進(jìn)行單根鋼管頂進(jìn)施工實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)鋼管正上方由地表向下打孔安裝多點(diǎn)位移計(jì)，布置六個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距0.5 m，由下自上依次編號分別為A～F。其中最底部測點(diǎn)A距離3#實(shí)驗(yàn)鋼管頂端0.5 m。設(shè)計(jì)孔位及測點(diǎn)見圖3。

圖3 孔位及測點(diǎn)布置

3.2 土層位移

頂管實(shí)驗(yàn)施工過程中，通過多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測土層位移。各測點(diǎn)位移結(jié)果見圖4。距離管幕上方0.5 m處的監(jiān)測點(diǎn)A沉降值為0.014 mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)該點(diǎn)沉降值過小與實(shí)際不符，可能是安裝位移計(jì)過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致該處位移計(jì)失靈，故將此點(diǎn)按照離散點(diǎn)處理。管幕施工過程中各測點(diǎn)最終豎向位移區(qū)間及其趨勢線見圖5，其中,s為測點(diǎn)最終沉降量；h為測點(diǎn)距離管幕上方高度。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)隨鋼管頂進(jìn)沉降曲線

Fig. 4 Monitoring point settlement curves with pipe jacking

圖5 監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移曲線

分析圖5可知，鋼管頂進(jìn)至監(jiān)測點(diǎn)下方附近時(shí)，開始對地層產(chǎn)生擾動，擾動主要以土層沉降為主，土層沉降隨鋼管頂進(jìn)持續(xù)增加，繼續(xù)頂進(jìn)10 m后各位移監(jiān)測點(diǎn)的沉降趨于穩(wěn)定。監(jiān)測點(diǎn)B為頂管實(shí)驗(yàn)施工引起的地層沉降最大位置，最大沉降值為0.12 mm。距離鋼管正上方高度超過2 m時(shí)，最終沉降已不足0.04 mm。由各測點(diǎn)最終豎向位移曲線分析也可知，單根鋼管頂進(jìn)施工中，隨著土層與鋼管距離增加，周圍土層的擾動呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)衰減趨勢。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型與力學(xué)參數(shù)

采用FLAC3D軟件建立簡化三維模型,見圖6。

圖6 計(jì)算模型

由圖6可見，土體劃分為五層，由上自下依次為填土、粉細(xì)砂、圓礫卵石、粉質(zhì)黏土、砂卵石。各層土體及注漿區(qū)均采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，鋼管間鎖扣及注漿采用彈性介質(zhì)模擬，鋼管及隧道襯砌采用殼單元模擬。參照所依托工程的地質(zhì)勘察資料，采用加權(quán)平均法確定土的物理力學(xué)參數(shù)。管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)和新建隧道與既有線的空間位置關(guān)系見圖7，模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2、3。

圖7 新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系

Fig. 7 Spatial relationship between new structure and existing structure

表2 土和注漿材料參數(shù)

表3 鎖扣和殼單元材料參數(shù)

模型的上邊界為地表，豎向共取47 m，平行鋼管頂進(jìn)方向取37 m，垂直鋼管頂進(jìn)方向取44 m。地表為自由邊界，不考慮地面超載作用，模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平移動，底部限制豎向位移。管幕鋼管的頂進(jìn)方法為：先頂進(jìn)中間位置的鋼管，然后由中間向兩側(cè)依次對稱頂進(jìn)剩余的鋼管。施工過程為：第1～27根鋼管頂進(jìn)及鎖扣注漿—袖閥管注漿加固—深孔注漿加固—全斷面注漿—隧道開挖和施加襯砌。采用應(yīng)力釋放來模擬鋼管頂進(jìn)對土層的擾動，應(yīng)力釋放率取0.9，分十步等比例釋放完成，比例系數(shù)為0.99。

4.2 單根鋼管施工

4.2.1 測點(diǎn)布置

為了研究單根鋼管頂進(jìn)施工過程對地層變形的影響，在第一根鋼管正上方距離鋼管頂進(jìn)端17 m的位置布置六個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)(圖8)，由下自上依次編號為a～f，與鋼管的凈間距分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 m。

圖8 測點(diǎn)布置

4.2.2 土層位移

第一根鋼管頂進(jìn)施工過程，各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分布曲線如圖9所示，各測點(diǎn)土層最終位移曲線如圖10所示。

圖9 單根鋼管頂進(jìn)過程測點(diǎn)沉降曲線

圖10 單根鋼管頂進(jìn)完成測點(diǎn)最終位移曲線

單根鋼管施工數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：鋼管頂進(jìn)對管上方的土層擾動表現(xiàn)為引起土層沉降；距離鋼管上方越遠(yuǎn)的土層沉降變形越??；管幕單根鋼管施工時(shí)，隨著土層與鋼管距離增加，周圍土層的擾動呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)衰減趨勢。

數(shù)值分析中各測點(diǎn)的最大位移值和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果能夠較好地吻合，證明了數(shù)值模擬采用的分析模型和參數(shù)取值比較可靠，能夠較好地模擬實(shí)際工程土層的擾動。

4.3 穿越過程既有線沉降位移

4.3.1 測點(diǎn)布置

單根管幕數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬所取參數(shù)的可靠性，基于此繼續(xù)模擬管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和新建隧道下穿既有線施工過程。如圖8所示，在管幕穿越既有線的中間位置布置五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，距離管幕頂端正上方高度分別為0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m，由下自上依次編號1～5。

4.3.2 土層位移

管幕結(jié)構(gòu)施工完成后土層位移云圖和監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分布見圖11、12。

圖11 管幕施工完成后土層位移云圖

Fig. 11 Displacement cloud of soil after completion of pipe construction

圖12 管幕施工監(jiān)測點(diǎn)豎向位移曲線

Fig. 12 Vertical displacement curves of monitoring point in pipe construction

分析圖11和圖12可知，管幕多根鋼管施工對土層的主要擾動為引起管幕上方土層的沉降，對管幕左、右側(cè)及下方的土層擾動較?。浑S著管幕鋼管頂進(jìn)數(shù)量的增加，管幕上方土層的沉降值逐漸增大，沉降隨鋼管頂進(jìn)數(shù)量的增加呈現(xiàn)二次拋物線增大趨勢;對于距離管幕上方較遠(yuǎn)(大于2 m)的土層，沉降隨鋼管頂進(jìn)數(shù)量的增加而增大的趨勢線逐漸接近于直線。由圖12也可知，管幕施工完成后，距離管幕頂部最近的測點(diǎn)并不是沉降最大的位置，說明已頂進(jìn)的鋼管對其上方附近的土體具有支擋作用；管幕施工引起既有結(jié)構(gòu)的沉降為0.833 mm(小于1 mm)，滿足變形控制要求。

5 結(jié) 論

(1)管幕單根鋼管頂進(jìn)施工中，隨著土層與鋼管距離增加，周圍土層的擾動呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)衰減趨勢。

(2)管幕多根鋼管施工對管幕上部土層的擾動以沉降為主，擾動隨著土層與管幕距離的增加而減弱，管幕頂部土層沉降最大。管幕上方土層沉降隨著管幕鋼管頂進(jìn)數(shù)量的增加呈現(xiàn)二次拋物線增大趨勢。

(3)砂卵石地層管幕預(yù)支護(hù)體系可以將既有結(jié)構(gòu)沉降變形控制在允許范圍內(nèi)，滿足沉降控制要求。

[1] 鐘駿杰. 新型的地下暗挖法: 管幕工法的設(shè)計(jì)與施工[J].中國市政工程, 1997(2): 45-46.

[2] 顏振聰. 下穿鐵路隧道長大管幕施工精度控制技術(shù)[J]. 福建建筑, 2010(2): 113-115.

[3] Hvorslev M J.Subsurface exploration and sampling of soils for civil engineering purposes[M].New York: American Society of Civil Engineers, 1949.

[4] Schmertmann J H. Estimating the true consolidation behaviorof clay from laboratory test results[M]. New York: American Society of Civil Engineers, 1955.[5] Ladd C C, Lambe T W. The strength of “undisturbed” clay determined from undrained tests[M]. ASTM： Laboratory Shear Testing of Soils, 1964.

[6] Desai C S, Toth J. Disturbed state constitutive modeling based on stress-strain and nondestructive behavior[J]. International Journal of Solids and Structures, 1996, 33(11): 1619-1650.

[7] 張孟喜. 受施工擾動土體的工程性質(zhì)研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué), 1999.

[8] 徐永福. 土體受施工擾動影響程度的定量化識別[J]. 大壩觀測與土工測試, 2000, 24(2): 8-10.

[9] 黃 斌. 擾動土及其量化指標(biāo)[D]. 杭州： 浙江大學(xué), 2006.

[10] 余劍鋒, 廖建三. 頂管施工過程中地層變形的三維有限元模擬[J]. 廣州建筑, 2006， 34(2): 14-17.

[11] 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(bào), 2005, 24(5): 755-760.

[12] 黎春林, 繆林昌. 盾構(gòu)隧道施工土體擾動范圍研究[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(3): 759-766.

(編校 荀海鑫)

Simulation of formation disturbance in construction of sand and gravel stratum

LiuXinjian1，ZhangBei2,3，BianJin2,3，LuoWenjiang4，ZhaoHui4

(1.Beijing Rail Transit Construction Management Co. Ltd., Beijing 100124, China; 2.Key Laboratory of Urban Security & Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;3.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation, Beijing 100124, China;4.China Railway 19 Bureau Group Co. Ltd., Beijing 100124, China)

This paper is aimed at identifying the degree to which projects disturb strata. The research involves establishing the new route of the Muxiyuanqiao South Station and Daxingmen Station using the mine method; based on the measured data, developing the three-dimensional numerical model using the FLAC3D software; and thereby investigating the influence of the pipe construction on the perturbation deformation in the sand and gravel stratum. The results show that the disturbances of the upper strata by the curtain construction are dominated by sediment; the pre-support system in the sand and gravel strata could reduce the disturbance of the upper soil layer by the tunnel construction; and the construction of the new tunnel under the action of the pipe pre-support system allows the existing structure of the settlement deformation to be controlled within the allowable range. The study could provide references for the design and construction of the pre-support system for the underground engineering.

sand and gravel stratum; pipe curtain method; construction disturbance; microdeformation control; numerical simulation

2017-03-15;

2017-07-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572276)

劉新建(1978-)，男，廣西省田東人，高級工程師，碩士，研究方向：地鐵施工安全控制，E-mail:346427165@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.014

U455.43

2095-7262(2017)05-0515-05

A