淺埋類矩形與單圓盾構隧道施工影響對比分析

彭領根

摘? 要：隨著地下空間的開發(fā)利用，能提高地下空間利用率的類矩形盾構在隧道工程中普及開來，但類矩形盾構在較淺土層的施工影響仍值得研究探討。文章通過軟件模擬盾構施工過程，與傳統(tǒng)單圓雙線隧道對比分析了類矩形隧道在淺埋情況下的施工影響。

關鍵詞：盾構隧道;類矩形盾構;影響分析

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0110-02

Abstract： With the development and utilization of underground space， quasi-rectangular shield， which can increase the interest rate of underground space， is widely used in tunnel engineering. However， the construction effect of quasi-rectangular shield in shallow soil is still worth studying and discussing. In this paper， the construction process of shield tunneling is simulated by software， and the construction effect of quasi-rectangular tunnels under shallow burial is compared with that of traditional single-circular double-track tunnels.

Keywords： shield tunnel; quasi-rectangular shield; impact analysis

隨著城市交通的發(fā)展，發(fā)達的地下軌道交通已經(jīng)成為一個城市發(fā)展繁榮的重要標志之一。在地下軌道交通的建設中，盾構法施工因其施工速度快，對周圍影響小的特點成為隧道工程首選的施工方法。圓形截面盾構隧道因其結構受力合理，施工中受盾構機旋轉(zhuǎn)影響及土層摩擦阻力較小，廣泛應用于隧道工程施工，但是圓形隧道的空間利用率較低，現(xiàn)今在視寸土為寸金的發(fā)達城市這種截面形狀的盾構方法較為不經(jīng)濟且浪費地下空間資源。因此，既能保證應有的使用功能，又能節(jié)約地下空間的異形斷面隧道不斷被研發(fā)出來，類矩形隧道便是其中應用較多的一種。類矩形隧道不僅斷面面積較小，且盾構施工一次便可建成，對周圍環(huán)境影響較小。由于盾構施工造成的影響與隧道埋深有不可忽略的關系，故本文通過有限元軟件midas GTS模擬探究了類矩形隧道在淺埋情況下施工是否比傳統(tǒng)單圓雙線隧道影響小。

1 建立盾構施工模型

1.1 模型材料參數(shù)

為使兩種盾構是在相同的環(huán)境下施工，故模型采用同一種土體來模擬，為了更清晰地對比兩種界面類型的盾構施工對周圍環(huán)境的影響，模型中使盾殼、管片和注漿的彈性模量較大，土體彈性模量較小，可減小因兩種隧道管片、注漿受圍巖土體的壓力產(chǎn)生變形引起土層沉降的影響。模型中個材料參數(shù)如表1。

1.2 模型尺寸參數(shù)

土體模型大小為120×100×45（長×寬×高，單位m），類矩形及單圓雙線隧道截面大小如圖1，類矩形隧道管片厚450mm，立柱厚359mm;單圓隧道管片外直徑62m，厚300mm，兩隧道中心距離12m;兩種隧道管片都為12m，注漿層厚30mm，上覆土厚度5m。

為真實模擬施工過程，利用對單元的激活與鈍化功能，使每個施工步盾構掘進兩個襯環(huán)，類矩形隧道為一次施工完成，單圓隧道分為左右同時，右線先于左線10、20、30施工步，右線施工完成左線開始（快60步），五種施工方案來模擬雙線隧道的施工。

2 模型結果分析

2.1 橫向土體變形分析

隧道施工過程中無論何種截面類型的盾構向前掘進都會擾動周圍的土層，從而引起地表沉降，盾構經(jīng)過后會在地面橫斷面方向形成沉降曲線。類矩形隧道和單圓雙線隧道不同順序施工造成橫向土體變形如圖2所示，類矩形隧道沉降曲線近似于“V”形，在隧道中心處發(fā)生最大沉降，沉降值達21mm;單圓雙線隧道在埋深5m的情況下施工，對土體造成的沉降曲線近似為“W”形，變形較大的位于兩條隧道上方位置，五種施工方案產(chǎn)生的沉降曲線較為接近，最大沉降值為4.3mm。

明顯可對比出在淺層5m埋深的情況下，類矩形隧道施工產(chǎn)生的沉降要比單圓雙隧道大，但類矩形隧道沉降槽寬度要小于單圓雙線隧道。其原因可能由于隧道埋深較淺，隧道上覆土體無法形成拱結構，單圓隧道單個施工時開挖面積較小，對上部土體擾動較小，而類矩形隧道為一次開挖，淺層土體中施工對上部土體擾動較大。

2.2 縱向土體變形分析

盾構在掘進過程中會對掌子面前方土體造成擠壓或土體損失，從而引起地表隆起或沉降;盾構機后方土體由于注漿壓力，摩擦阻力等原因造成的土體擾動也會造成土體的后期沉降。如圖3為類矩形隧道施工在縱斷面對土體造成的影響，選取單圓雙線隧道五種施工方案中雙線同時施工和發(fā)生沉降最大的方案與其對比;圖中橫坐標表示距離掌子面的距離（盾構前方為正），縱坐標表示地表沉降值;從圖中可以明顯比較出，類矩形盾構前方土體發(fā)生隆起，且在挖掘面位置發(fā)生明顯急劇沉降，而兩種方案的單圓隧道相對沉降較小;這是由于淺層土較容易擾動，而類矩形隧道開挖面較為集中，開挖面出現(xiàn)大面積的土體壓力不均勻，土體受擾動較大，則沉降較大。

在圖3還可發(fā)現(xiàn)在類矩形盾構機后方土體沉降波動較大，而單圓隧道在盾構通過后沉降會逐漸趨于平緩。這種現(xiàn)象除了土體受擾動較大的原因外，還可能與類矩形盾構注漿面積較大，注漿壓力和周圍土壓很難在短時間內(nèi)達到平衡有關，大面積的土體受擾后發(fā)生固結也是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因，具體是哪種因素占主導因素后續(xù)研究可深入探究該問題。

3 結論

通過模擬類矩形及單圓雙線隧道在淺層土層中施工，對比分析了類矩形盾構施工對土體產(chǎn)生的影響，結論如下：

（1）類矩形盾構施工產(chǎn)生橫向土體沉降曲線近似“V”形，且沉降值遠大于單圓雙線隧道，但其沉降槽寬度較小。

（2）類矩形盾構前方土體受干擾范圍較大，盾構后方土體沉降趨于穩(wěn)定速度較慢。

可知在淺層施工的類矩形隧道造成的影響同單圓雙線隧道相比較大，對施工控制要求較高。

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