合肥膨脹土地層淺埋雙洞地鐵隧道施工參數(shù)優(yōu)化研究

陳煒韜， 董宇蒼， 方 霖， 于 麗， 舒東利

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

合肥市作為華東地區(qū)重要的交通樞紐，正處在地鐵建設(shè)快速發(fā)展時(shí)期。然而在地鐵建設(shè)過(guò)程中，遇到了如合肥地區(qū)膨脹土地層、地鐵近接施工對(duì)周邊結(jié)構(gòu)安全性影響大等眾多難題。膨脹土地層具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的變形特性，在膨脹、收縮變形過(guò)程中，能產(chǎn)生較高的膨脹力，如果在隧道施工期間沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，可能?huì)引起圍巖膨脹坍塌、隧道底鼓、襯砌開(kāi)裂等危害[1-2]； 城市地鐵施工地質(zhì)條件本身就極為復(fù)雜，加上近接施工容易對(duì)圍巖造成過(guò)度擾動(dòng)，使圍巖狀況更為不利[3-4]，若施工不當(dāng)，極易造成地表沉降過(guò)大、隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至?xí)斐商鹿蔥5]。

目前，國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者已對(duì)膨脹土地層、隧道近接施工等問(wèn)題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[6-8]研究了膨脹土的膨脹機(jī)制，建立了雙電層理論與滲透理論； 繆林昌[9]提出了引入飽和度參數(shù)的非飽和土彈塑性本構(gòu)模型; 徐永福[10-11]提出了非飽和膨脹土結(jié)構(gòu)性凝聚力和結(jié)構(gòu)性內(nèi)摩擦角的概念，并給出了彈塑性本構(gòu)模型； 晁峰等[12]通過(guò)研究特定地區(qū)膨脹附加應(yīng)力場(chǎng)對(duì)深基坑土壓力的影響，得出在計(jì)算深基坑結(jié)構(gòu)時(shí)，附加膨脹土壓力的量值考慮為34.2 kPa； 畢維紅等[13]采用ABAQUS數(shù)值軟件對(duì)深圳軌道交通二期1號(hào)線隧道工程進(jìn)行模擬，研究了開(kāi)挖右線隧道對(duì)左線既有隧道圍巖應(yīng)力分布、地表沉降、隧道襯砌應(yīng)力變形等的影響； 李斯海[14]采用數(shù)值模擬手段對(duì)廈門(mén)仙岳山雙孔小凈距隧道施工過(guò)程進(jìn)行研究，得出隨著中柱間距減小，圍巖穩(wěn)定性變差，襯砌結(jié)構(gòu)所受荷載增加，結(jié)構(gòu)面臨失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)論。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究成果調(diào)研可知，對(duì)膨脹土的研究大多集中于膨脹機(jī)制、特性方面，對(duì)于膨脹力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響研究還不全面；近接施工研究重點(diǎn)是對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，并且近接方式也主要為平行、正交方式，而雙洞同時(shí)施工且近接方式為間距漸變的施工研究較少。因此，本文以合肥市軌道交通1號(hào)線為背景，采用熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方法，對(duì)雙洞隧道合理凈距、雙洞隧道掌子面合理距離等施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，給出合理的淺埋暗挖雙洞地鐵隧道施工參數(shù)。

1 工程背景

合肥市軌道交通1號(hào)線二期工程土建9標(biāo)段線路位于合肥市肥西縣境內(nèi)，采用淺埋暗挖法施工，暗挖區(qū)間全長(zhǎng)143 m，線路在暗挖區(qū)間里程46 m處由單洞隧道分為雙洞隧道，兩隧道間距由3.57 m逐漸變?yōu)?4 m。暗挖區(qū)間線路示意圖如圖1所示。

暗挖區(qū)間主要穿越地層巖性為連續(xù)分布的黏土，含氧化鐵、少量鐵錳結(jié)核及灰白色高嶺土，斷面粗糙，干強(qiáng)度高。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，得到膨脹土地層物理參數(shù)，見(jiàn)表1。暗挖區(qū)間膨脹土地層地表裂隙如圖2所示。

圖1 暗挖區(qū)間線路圖

地層膨脹潛勢(shì)自由膨脹率/%重度/(kN/m3)泊松比彈性模量/MPa黏聚力/kPa摩擦角/(°)黏土弱53.820.000.2112.0076.0816.37

(a) 膨脹土地層

(b) 裂縫開(kāi)展

地鐵隧道開(kāi)挖直徑為6.4 m，初期支護(hù)采用超前小導(dǎo)管、噴射混凝土、格柵鋼架措施，二次襯砌厚度為0.3 m，采用C35混凝土。隧道斷面如圖3所示。

2 膨脹土附加膨脹應(yīng)力場(chǎng)模擬方法

本文從膨脹巖吸水膨脹、失水收縮的宏觀特性入手，認(rèn)為這一過(guò)程類似于材料熱脹冷縮溫度效應(yīng)，采用FLAC3D數(shù)值軟件中的熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一變化過(guò)程。

圖3 單洞隧道斷面圖(單位： mm)

2.1 理論基礎(chǔ)

FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件中的熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合是通過(guò)重新形成增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即從總應(yīng)變?cè)隽恐袦p去由于溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽俊Ｓ捎诟飨蛲圆牧现凶杂蔁崤蛎浿划a(chǎn)生均勻的體應(yīng)變，而不產(chǎn)生角度變形，因此剪應(yīng)變?cè)隽坎皇苡绊?。熱?yīng)變?cè)隽颗c溫度增量的關(guān)系如下：

Δεij=λtΔTσij。

(1)

式中： Δεij為應(yīng)變分量變化量，i、j=1，2，3；λt為線性熱膨脹系數(shù)； ΔT為溫度變化量;σij為應(yīng)力分量，i、j=1，2，3。

因此，彈性材料的本構(gòu)關(guān)系為：

(2)

式中：εij為正應(yīng)變分量，εii為切應(yīng)變分量，i、j=1，2，3；t為時(shí)間變量;α1為比奧系數(shù)；Fi為體積力；K、G分別為體積模量和剪切模量。

假設(shè)膨脹土是各向同性線性膨脹的，膨脹土的應(yīng)力場(chǎng)平衡微分方程為：

(3)

式中：xj為x軸方向上的坐標(biāo)；ρ為巖體密度；E為巖體彈性模量；α為線膨脹系數(shù)；W為含水率；ν為泊松比。

2.2 膨脹土熱膨脹系數(shù)標(biāo)定

根據(jù)暗挖區(qū)間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知，暗挖區(qū)間膨脹土自由膨脹力為60 kPa。建立1 m×1 m×1 m單元體模型，在計(jì)算模型頂部施加60 kPa膨脹力，通過(guò)不斷調(diào)整熱力學(xué)模塊中的熱膨脹系數(shù)，使模型表面位移最終為0，從而得出等效熱膨脹系數(shù)。單元體模型如圖4所示，反演結(jié)果見(jiàn)表2。

(a) 模型加載

(b) 豎向位移應(yīng)力圖

Table 2 Back calculation results of equivalent thermal expansion coefficient

計(jì)算次數(shù)膨脹系數(shù)β模型頂面位移/mm膨脹率/%13.0×10-51.340.13422.7×10-50.0150.001532.2×10-5-0.420.04242.0×10-5-0.860.086

經(jīng)過(guò)反演分析，當(dāng)?shù)刃崤蛎浵禂?shù)β=2.7×10-5時(shí)，模型頂面位移為0.015 mm，其膨脹率只有0.001 5%。因此，暗挖區(qū)間膨脹土等效熱膨脹系數(shù)β=2.7×10-5。

2.3 模型驗(yàn)證

采用熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合模擬方法，模擬膨脹土地層條件下的隧道開(kāi)挖過(guò)程，并繪制出地表沉降曲線，與暗挖區(qū)間實(shí)測(cè)地表沉降曲線進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、合理性。

根據(jù)隧道斷面形式建立計(jì)算模型，覆土厚度為6 m，隧道跨度為6.4 m，高6.65 m。模型上部至地表、仰拱底至隧道下邊界各取10.2 m； 以隧道中軸線為原點(diǎn)，計(jì)算模型左右邊界各取25.5 m，計(jì)算模型寬51 m，長(zhǎng)67 m，高22.8 m。計(jì)算模型如圖5所示，隧道結(jié)構(gòu)從圖3取值，土層參數(shù)從表1取值。

(a) 模型建模

(b) 膨脹力

提取膨脹土地層模擬工況下地表沉降計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地表沉降數(shù)據(jù)，繪制地表沉降曲線對(duì)比圖，如圖6所示。由圖6可知： 距離隧道中心10 m范圍內(nèi)，膨脹土地層工況下的地表沉降值和實(shí)測(cè)的地表沉降值高度吻合； 在距隧道中心10 m范圍外，有一定的偏差，最大偏差值為2.47 mm，偏差量較小。通過(guò)對(duì)比，得出計(jì)算模型地表沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表沉降曲線較為吻合，由此說(shuō)明此數(shù)值模擬計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確模擬膨脹土地層暗挖隧道施工過(guò)程。

圖6 地表沉降對(duì)比曲線

3 膨脹土淺埋雙洞隧道合理凈距分析

3.1 模擬工況及計(jì)算模型

由于合肥地鐵1號(hào)線淺埋暗挖區(qū)間兩隧道凈距由3.57 m漸變?yōu)?4 m，根據(jù)凈距變化過(guò)程，以洞跨B為單位，采用膨脹力計(jì)算模型對(duì)8種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，如表3所示。由于計(jì)算模型較多且相似，因此僅給出凈距為0.5B、1.0B的計(jì)算模型示意圖，其余不再列出。計(jì)算模型如圖7所示。

表3 不同凈距模擬工況表

(a) 模型整體圖

(b) 凈距0.5B局部模型

(c) 凈距1.0B局部模型

左、右隧道結(jié)構(gòu)各設(shè)置3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模型上表面以3 m間距布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地表沉降變化規(guī)律。隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

3.2 不同凈距地表沉降結(jié)果分析

分別提取不同凈距下隧道開(kāi)挖引起的地表沉降結(jié)果，將各工況數(shù)據(jù)綜合繪制成圖，如圖9所示。各工況地表沉降最大值見(jiàn)表4。

分析圖9可知： 當(dāng)兩隧道凈距小于1.0B時(shí)，地表最大沉降位置出現(xiàn)在距離左線隧道中心10 m位置，且地表沉降曲線呈“V”字型；當(dāng)兩隧道凈距大于1.0B時(shí)，地表最大沉降量出現(xiàn)位置在距離左線隧道中心23 m位置，且地表沉降曲線呈“W”字型。

(a) 左線隧道

(b) 右線隧道

圖9 不同凈距隧道地表沉降對(duì)比圖

Fig. 9 Comparison of ground surface settlement curves of tunnels with different clear distances

表4不同工況下最大地表沉降值

Table 4 Maximum ground surface settlements under different conditions

模擬工況最大地表沉降/mm規(guī)范限制值/mm是否超限141.2330.00超過(guò)240.5830.00超過(guò)339.8830.00超過(guò)433.8430.00超過(guò)528.8230.00不超過(guò)625.2630.00不超過(guò)725.7630.00不超過(guò)824.1230.00不超過(guò)

由表4可知，凈距在小于1.5B時(shí)的各工況最大地表沉降均大于規(guī)范值要求。因此，若僅考慮地表沉降因素，兩隧道凈距應(yīng)大于1.5倍洞徑。

3.3 襯砌內(nèi)力結(jié)果分析

根據(jù)隧道襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制內(nèi)力增量圖，如圖10所示。由圖10分析可知，凈距對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩影響規(guī)律為： 隨著凈距的增加，結(jié)構(gòu)彎矩增量總體呈減小趨勢(shì)，凈距的影響范圍為0～3倍洞徑；在0.5B～1B凈距內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩增量急劇降低，在凈距為1B時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)彎矩增量值為10%左右；在1B～2B凈距內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩增量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)； 當(dāng)凈距大于3B時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)彎矩增量基本為0。凈距對(duì)結(jié)構(gòu)軸力的影響規(guī)律為：在0.5B～2B凈距內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)拱頂、左邊墻處的軸力增量線性減小至0，而右邊墻軸力增量急劇減小至0；在凈距大于2B后，隧道結(jié)構(gòu)軸力增量幾乎為0。

(a) 彎矩增量

(b) 軸力增量

Fig. 10 Internal force increments of tunnel lining with different clear distances

通過(guò)分別分析凈距對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩、軸力影響規(guī)律可知，若僅考慮襯砌結(jié)構(gòu)受力因素，兩隧道凈距應(yīng)大于1.5倍洞徑。

3.4 圍巖塑性區(qū)結(jié)果分析

不同凈距工況下圍巖塑性區(qū)分布如圖11所示?？梢钥闯鰞艟嘈∮?.0B時(shí)，圍巖塑性區(qū)貫通，中間巖柱破壞; 隧道凈距大于1.0B時(shí),圍巖塑性區(qū)不貫通，中間巖柱不發(fā)生塑性破壞。

(a) 凈距0.50B(b) 凈距0.56B(c) 凈距0.60B(d) 凈距1B

(e) 凈距1.5B(f) 凈距2.0B(g) 凈距2.5B(h) 凈距3.0B

圖11不同凈距圍巖塑性區(qū)分布

Fig. 11 Plastic zone distributions of surrounding rock of tunnel with different clear distances

綜合上述分析可知，若考慮隧道開(kāi)挖時(shí)地表沉降因素，兩隧道凈距應(yīng)大于1.5倍洞徑；若考慮襯砌結(jié)構(gòu)受力因素，兩隧道凈距應(yīng)大于1.5倍洞徑；若考慮開(kāi)挖圍巖塑性分布因素，兩隧道凈距應(yīng)大于1.0倍洞徑。因此，建議兩隧道凈距應(yīng)大于1.5倍洞徑。

4 雙洞隧道掌子面合理距離分析

為了減少隧道施工工期，在開(kāi)挖左線隧道時(shí)可以同時(shí)開(kāi)挖右線隧道，但兩隧道的掌子面必須保持一定距離才能保證施工的安全性，且二次襯砌也要及時(shí)跟進(jìn)，以減小后行洞對(duì)先行洞的影響。

4.1 模擬工況及計(jì)算模型

計(jì)算參數(shù)取值與前一節(jié)相同，建立附加膨脹應(yīng)力場(chǎng)下的兩隧道漸變間距模型，模型縱向取60 m，長(zhǎng)71 m，寬23 m，如圖12所示。

(a) 整體網(wǎng)格圖

(b) 襯砌網(wǎng)格圖

通過(guò)選取固定斷面作為監(jiān)測(cè)斷面的方式，排除由于雙洞隧道凈距的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。選取距離隧道洞口20 m處的斷面為監(jiān)測(cè)斷面，分析不同掌子面間距下，隧道開(kāi)挖通過(guò)此斷面時(shí)地表位移及拱頂位移的變化,監(jiān)測(cè)斷面如圖13所示。分別分析不同掌子面距離對(duì)圍巖、隧道結(jié)構(gòu)的影響，以確定合理的掌子面距離。計(jì)算模型工況見(jiàn)表5。

圖13 監(jiān)測(cè)斷面

模擬工況掌子面距離/m15210320430540650

4.2 不同掌子面距離下地表沉降結(jié)果分析

分析不同掌子面距離下橫向、縱向地表沉降規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。由圖14分析可知： 從單洞開(kāi)挖地表沉降分析，橫向地表沉降呈“V”字型分布，單洞開(kāi)挖50 m后最大地表沉降為25 mm，單洞開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大地表沉降為26.8 mm，兩者數(shù)據(jù)較為吻合； 隨著兩隧道掌子面距離增大，隧道間相互影響越來(lái)越小，其橫向及縱向地表沉降最大值也越來(lái)越??； 兩掌子面距離小于40 m時(shí)，橫向、縱向地表沉降最大值都大于30 mm，已經(jīng)超出了地表沉降的規(guī)范限制值； 兩掌子面距離大于40 m時(shí)，左右洞開(kāi)挖的影響相對(duì)較小，地表沉降最大值小于規(guī)范限制值。因此，若僅考慮地表沉降因素，兩掌子面距離應(yīng)大于40 m。

(a) 橫向地表沉降

(b) 縱向地表沉降

Fig. 14 Horizontal and vertical ground surface settlement rules of tunnel with different distances between two tunnels

4.3 不同掌子面距離下拱頂沉降結(jié)果分析

不同掌子面距離開(kāi)挖的拱頂沉降數(shù)值如圖15所示。

圖15 不同掌子面距離拱頂縱向沉降曲線

Fig. 15 Longitudinal settlement curves of crown top of tunnel with different distances between two tunnels

由圖15可知： 掌子面距離為5 m時(shí)，引起的左洞拱頂沉降增量達(dá)到了30.99%，對(duì)隧道的位移影響較大； 而掌子面距離為40 m時(shí)，沉降增量降低到 7.25%，對(duì)隧道的影響相對(duì)較小。因此，若僅考慮拱頂沉降因素，若以增量10%作為控制標(biāo)準(zhǔn)，兩掌子面距離應(yīng)大于40 m。

4.4 不同掌子面距離下圍巖塑性區(qū)結(jié)果分析

不同掌子面距離圍巖塑性區(qū)分布如圖16所示。由圖16可知： 隨著兩隧道掌子面距離增加，兩隧道中間區(qū)域圍巖塑性區(qū)貫通范圍逐漸減小； 當(dāng)兩掌子面距離小于30 m時(shí)，兩隧道中間圍巖塑性區(qū)貫通；當(dāng)兩掌子面距離大于30 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)不貫通。因此，若僅考慮圍巖塑性區(qū)分布因素，兩隧道掌子面距離應(yīng)大于30 m。

(a) 5 m (b) 10 m (c) 20 m (d) 30 m (e) 40 m

圖16不同掌子面距離圍巖塑性區(qū)分布圖

Fig. 16 Plastic zone distributions of surrounding rock of tunnel with different distances between two tunnels

綜合上述分析可知，若考慮隧道開(kāi)挖時(shí)地表沉降因素，兩掌子面距離應(yīng)大于40 m；若考慮隧道拱頂沉降因素，兩掌子面距離應(yīng)大于40 m；若考慮兩隧道中間圍巖塑性區(qū)分布因素，兩掌子面距離應(yīng)大于30 m。因此，建議兩掌子面距離應(yīng)大于40 m。

5 結(jié)論與建議

本文以合肥市軌道交通1號(hào)線為背景，采用熱力場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方法，對(duì)淺埋雙洞地鐵隧道合理凈距、雙洞掌子面合理距離施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，主要結(jié)論如下。

1)采用熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方法來(lái)模擬膨脹土吸水膨脹、失水收縮的宏觀特性對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響作用，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的正確性、合理性。

2)當(dāng)兩隧道凈距大于1.5倍洞徑時(shí)，最大地表沉降值為28.82 mm，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力增量小于20%，雙洞中柱塑性區(qū)不貫通。建議雙洞隧道間距大于1.5倍洞徑。

3)當(dāng)兩隧道掌子面距離大于40 m時(shí)，地表沉降小于30 mm，拱頂沉降增量為7.25%，兩隧道中柱塑性區(qū)不貫通。建議兩隧道掌子面距離大于40 m。

本文主要通過(guò)全地層設(shè)置等效膨脹系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)膨脹作用模擬過(guò)程，但尚未研究應(yīng)力場(chǎng)對(duì)膨脹率的影響，今后可以進(jìn)一步深入研究。

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