雙線盾構(gòu)隧道斷面及相對空間位置對地表沉降的影響

糜瑞杰，楊雙鎖，鮑飛翔，楊歡歡，袁 勛

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

雙線隧道廣泛地應(yīng)用于城市地鐵工程中。地表沉降是評價(jià)地鐵雙線隧道施工質(zhì)量的重要評價(jià)指標(biāo)，控制地表沉降主要是為了盡可能減少地鐵施工對城市地表道路、地面建筑物等的不良影響。影響地表沉降的因素有設(shè)計(jì)因素和施工因素[1]。施工因素包括土倉壓力、出渣速度、同步注漿等，可以通過施工過程中工藝、技術(shù)、方法的合理調(diào)整來控制這些因素對地表沉降的影響。隧道斷面直徑、凈埋深、凈間距等決定雙線盾構(gòu)隧道相對空間位置的設(shè)計(jì)因素對地表沉降的影響也很大；在設(shè)計(jì)方案確定后，其影響也就基本確定。因此對雙線隧道斷面及相對空間位置與地表沉降特征的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究十分有必要。

韓昌瑞等[2]的研究表明，雙線隧道沉降曲線形狀與埋深和間距有關(guān)；陳春來等[3]針對杭州地鐵研究了土體深度和兩隧道軸線距離與地表沉降曲線和沉降值的關(guān)系；魏綱等[4]根據(jù)不同埋深和間距的比值對雙線隧道的近距離進(jìn)行了界定。但是，目前研究的隧道埋深是地表到隧道中心的距離，間距是兩隧道中心之間的距離，沒有考慮隧道斷面尺寸的影響。另外，黏性土層條件下的相關(guān)研究還很少。

本文考慮了隧道斷面的影響，將凈埋深定義為隧道外輪廓到地表的最近距離，凈間距定義為兩隧道外輪廓之間最近距離。通過數(shù)值模擬計(jì)算黏性土層條件下不同斷面直徑以及不同隧道凈間距和凈埋深對雙線盾構(gòu)隧道地表沉降的影響，以掌握黏性土層條件下地鐵雙線隧道斷面大小及相對空間位置對地表沉降特征影響的相關(guān)規(guī)律，為平行雙線盾構(gòu)隧道的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

在實(shí)際工程中，關(guān)于雙線隧道凈埋深與凈間距對地表沉降影響的研究往往只能根據(jù)已經(jīng)確定的凈埋深和凈間距進(jìn)行，所得結(jié)果的應(yīng)用范圍較為局限。隨著數(shù)值模擬方法的不斷完善，越來越多的實(shí)際問題可以通過數(shù)值模擬來進(jìn)行充分而全面的研究[5]。FLAC3D能夠很好地模擬隧道開挖，與實(shí)際地表沉降較為接近。筆者選取隧道開挖直徑、凈埋深和凈間距這三種主要影響因素，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對雙線隧道地表沉降特征與機(jī)理進(jìn)行了研究。

1.1 數(shù)值模擬影響因素

1.1.1 土層條件

在實(shí)際施工環(huán)境中，不同埋深的隧道周圍土層特征必然不同。為了更直觀地展示隧道開挖直徑、凈間距和凈埋深對地表沉降的貢獻(xiàn)，在數(shù)值模擬中假設(shè)土層是單一均質(zhì)黏性土層。黏性土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 黏性土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of cohesive soils

1.1.2 隧道開挖直徑、凈間距和凈埋深的選取

單洞單線地鐵隧道宜選用直徑為6～7 m的盾構(gòu)施工[6]?，F(xiàn)在國內(nèi)地鐵普遍采用的是直徑6 m的隧道，盾構(gòu)機(jī)直徑6.30 m左右。本文數(shù)值模擬選取的隧道開挖直徑D分別為5.00,6.50,8.00,9.50,11.00 m.

修建雙線隧道，首先要確定隧道間距。《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，地下結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合施工發(fā)放、結(jié)構(gòu)形式、斷面大小、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及環(huán)境條件等因素，合理確定埋置深度及與相鄰隧道的距離，并符合下列規(guī)定——盾構(gòu)法施工的并行隧道的凈間距不宜小于隧道外輪廓直徑。本文數(shù)值模擬所選取的隧道凈間距L分別為6.50,9.75,13.00,16.25,19.50 m.

一般盾構(gòu)隧道需要最小覆土為1.0～1.5D[7].在現(xiàn)代城市地下工程施工中，淺盾構(gòu)隧道一般埋深在2倍洞徑以上，50 m以下，多數(shù)為20～30 m之間。本文數(shù)值模擬所選取的隧道凈埋深H分別為6.50,13.00,19.50,26.00,32.50 m.

雙線隧道相對空間位置如圖1所示。

圖1 雙線隧道相對空間位置圖Fig.1 Relative spatial location of double-line tunnel

1.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

在相同凈埋深和凈間距的情況下進(jìn)行了5次數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究隧道直徑變化對雙線隧道地表沉降特征的影響。對隧道凈間距和凈埋深均劃分了五個(gè)水平，進(jìn)行了25次數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究在凈埋深分別為6.50,13.00,19.50,26.00,32.50 m的情況下，不同凈間距的雙線隧道地表沉降的變化特征。因素水平表如表2所示。

1.3 雙線盾構(gòu)隧道計(jì)算參數(shù)

參考既有的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，取左右邊界為隧道外徑的4倍，隧道底部為隧道外徑的3倍，模型具體大小根據(jù)埋深和隧道間距取值進(jìn)行計(jì)算[8]。假定各土層是單一的均質(zhì)土層，地應(yīng)力由重力場自動生成。模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直移動。上邊界是地表，為自由邊界，采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則?？紤]注漿等模擬施工過程，盾構(gòu)管片寬度1 200 mm，采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.3，外徑6.20 m，厚度為350 mm.

表2 因素水平表Table 2 Table of influencing factors level

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

凈埋深和凈間距不變、不同開挖直徑條件下的地表沉降曲線如圖2所示。可以看出，隧道開挖直徑越大，地表沉降量越大；但是地表沉降曲線的基本形狀均不發(fā)生變化，雙線隧道不對稱性越來越明顯。這是因?yàn)?，開挖直徑越大，先行隧道對后行隧道周圍土體的擾動作用越大，導(dǎo)致后行隧道引起的地表沉降量遠(yuǎn)大于先行隧道引起的地表沉降量。這說明隧道開挖直徑對地表沉降的影響主要表現(xiàn)為地表沉降量最大值的變化和地表沉降曲線不對稱性的程度。

圖2 不同開挖直徑的橫向地表沉降曲線Fig.2 Lateral surface settlement curves with different diameters of excavation

位移等值線圖如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯簝糸g距比較小時(shí)兩隧道之間的相互擾動作用比較明顯，地層沉降量較大；隧道頂部的地層位移最大，地層位移在傳遞到地表的過程中不斷減小。

當(dāng)H=D=6.50 m時(shí)，不同凈間距L的地表沉降如圖5所示。由圖5可看出，無論L值如何變化，地表沉降曲線都不滿足正態(tài)分布。由此可知，凈埋深與隧道開挖直徑比值等于1時(shí)，地表沉降曲線不滿足正態(tài)分布；同時(shí)驗(yàn)證了上文提到的隧道最小覆土的要求，間接驗(yàn)證了所建模型的正確性，此時(shí)采用Peck法預(yù)測地表沉降時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重。

圖3 位移等值線(L=6.50 m,H=13.00 m)Fig.3 Double-line displacement contour map

圖4 位移等值線圖(L=16.25 m,H=13.00 m)Fig.4 Double-line displacement contour map

圖5 不同凈間距的橫向地表沉降曲線(H=D=6.50 m)Fig.5 Lateral surface settlement curves with different net spacing

由圖6、圖7可知，當(dāng)埋深一定時(shí)，隨著凈間距的增加，隧道曲線由“V”型變?yōu)槠降着璧匦?，再變?yōu)椤癢”型。由圖8可知，當(dāng)雙線隧道凈埋深為5D時(shí)，在給定的隧道凈間距條件下，地表沉降曲線全部為“V”型，說明隧道凈埋深和凈間距均對雙線隧道曲線的形狀有著很大的影響。

通過25組數(shù)值模擬試驗(yàn)可知：當(dāng)隧道凈埋深與隧道凈間距比值C<1.50時(shí)地表沉降曲線為“W”型；C=1.50時(shí)為平底盆地型；C>1.50時(shí)為“V”型。C=1.50可以看作是雙線地表沉降曲線的臨界條件，當(dāng)凈間距增大或者凈埋深減小時(shí)地表沉降曲線為“W”型，反之為“V”型。故雙線隧道凈埋深和凈間距的比值C是決定雙線平行盾構(gòu)隧道的地表沉降曲線由“V”型變?yōu)椤癢”型的決定性因素。

由圖6-圖8可知，隧道凈間距相同時(shí)，隧道凈埋深越大，地表最大沉降量越大；隧道凈埋深相同時(shí)，隧道凈間距越大，地表最大沉降量越小。還可發(fā)現(xiàn)，在隧道埋深相同的情況下，“V”型工況的地表最大沉降量普遍大于“W”型。當(dāng)?shù)乇沓两登€為“V”型時(shí)，兩平行雙線盾構(gòu)隧道可以認(rèn)為是一條近似的盾構(gòu)隧道；這時(shí)兩條隧道之間相互的擾動影響比較大，地表沉降量相對較大，影響范圍較小。當(dāng)?shù)乇沓两登€為“W”型時(shí)，兩平行雙線盾構(gòu)隧道的地表沉降曲線可以近似地認(rèn)為由兩條隧道采用土體疊加原理疊加而得；這時(shí)兩條隧道之間相互的擾動影響相對比較小，主要地表沉降疊加不相交，地表總沉降量控制較好，但是影響范圍相對較大。地表沉降曲線由“V”型變?yōu)椤癢”型可以看作為兩條隧道之間相互影響開始減弱的臨界條件。因此，在可能的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面因素的影響，選取合適的相對空間位置，盡量使地表沉降曲線的地表沉降量最大值和沉降影響范圍都能很好地滿足施工要求。

圖6 不同凈間距的橫向地表沉降曲線(H=13.00 m)Fig.6 Lateral surface settlement curves with different net spacing

圖7 不同凈間距的橫向地表沉降曲線(H=19.50 m)Fig.7 Lateral surface settlement curves with different net spacing

圖8 不同凈間距的橫向地表沉降曲線(H=5D)Fig.8 Lateral surface settlement curves with different net spacing

2 實(shí)例分析

深圳地區(qū)和南京地區(qū)的土層條件與本文數(shù)值模擬所采用的土層參數(shù)比較相似，故本文選取了李俊猛[10]有關(guān)深圳雙線隧道和南康[11]有關(guān)南京雙線隧道引起的地表沉降研究數(shù)據(jù)，對上述模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

表3所示為深圳地區(qū)雙線隧道引起的地表沉降相關(guān)參數(shù)[10]。由表3可知，雙線隧道的凈間距保持不變，凈埋深為10,13,13,16 m時(shí)的凈埋深與凈間距比值C分別為0.59，0.76，0.76，0.94，均小于臨界條件1.50，地表沉降曲線均為“W”型。說明該數(shù)據(jù)與本文得到的結(jié)果相一致。

表3 深圳雙線隧道地表沉降相關(guān)參數(shù)[10]Table 3 Parameters related to ground settlement of Shenzhen double-line tunnel[10]

表4所示為南京雙線隧道所引起的地表沉降相關(guān)參數(shù)[11]。由表4可知：雙線隧道凈間距保持不變、凈埋深為7.85 m時(shí)，凈埋深與凈間距比值C為1.17，小于臨界值1.50，地表沉降曲線均為“W”型；凈埋深為13.25，13.85 m時(shí)，C分別為1.98，2.07，均大于臨界值1.50，地表沉降曲線均為“V”型。上述實(shí)測的地表沉降曲線很好地驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性。由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，隧道直徑不同時(shí)上述模擬結(jié)果同樣適用。

由深圳地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，隧道地表沉降量隨埋深的增大而減小。南京地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)因影響因素較多，隧道地表沉降隨埋深呈現(xiàn)不規(guī)律變化。文獻(xiàn)[4]中提到，地鐵埋深小于30 m時(shí)，地表沉降量隨埋深增大而增大，地表擾動范圍也增大；這與本文的研究結(jié)果相同，但是與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的偏差。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，埋深越大，地層變形傳遞到地表的距離越大，而且地層中存在的拱結(jié)構(gòu)對地層變形的傳遞起到隔斷的作用，導(dǎo)致地表沉降量減小。所以，可能由于FLAC3D是有限元差分模擬軟件，無法模擬出地層中的拱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致模擬出來的地表沉降量隨埋深的增大而增大。這一點(diǎn)需要進(jìn)一步的研究。

表4 南京雙線隧道地表沉降相關(guān)參數(shù)[11]Table 4 Parameters related to ground settlement of Nanjing double-line tunnel[11]

3 結(jié)論

對黏性土土層特性條件下平鐵雙線隧道斷面大小及相對空間位置與地表沉降特征的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 隧道開挖直徑對地表沉降曲線的基本形狀幾乎沒有影響，但是隧道開挖直徑越大，地表沉降量越大，雙線隧道不對稱性越來越明顯。

2) 隧道凈埋深等于隧道開挖直徑(即H=D)時(shí)，地表沉降曲線不符合Peck曲線，此時(shí)應(yīng)慎重考慮運(yùn)用Peck法預(yù)測地表沉降。

3) 雙線平行盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降曲線由“V”型變?yōu)椤癢”型的決定性因素是雙線隧道凈埋深與凈間距的比值C.在黏性土層條件下，當(dāng)C≤1.50時(shí)地表沉降曲線為“W”型，C=1.50時(shí)為平底盆地型，C>1.50時(shí)為“V”型。在本文的研究中，選取的土層為單一黏性土層，后續(xù)可以就不同地區(qū)的實(shí)際土層條件下雙線隧道的地表沉降曲線變化特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4) 同一凈埋深時(shí)，“V”型的地表沉降量最大值相對于“W”型的地表沉降量最大值較大，“V”型的地表沉降影響范圍相對于“W”型的地表沉降影響范圍較小。因此，在可能的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面因素的影響，選取合適的相對空間位置，盡量使地表沉降曲線的地表沉降量最大值和沉降影響范圍都能很好地滿足施工要求。

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