雙線盾構(gòu)隧道開挖地表沉降變形規(guī)律研究

劉俊生，盧金芳，徐棟棟

(1.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019； 2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

近年來，我國城市地下軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，在諸多地下施工方法中，盾構(gòu)法憑借其效率高、成本低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于城市地下交通建設(shè)中。然而，隨著隧道修建數(shù)量的增多，分布范圍的擴(kuò)大，其經(jīng)常穿越復(fù)雜的地層條件，且由于地下巖土體本身構(gòu)造的復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致隧道開挖過程中經(jīng)常引起對隧道洞內(nèi)施工人員生命安全、機(jī)具設(shè)備安全造成危害并可能引發(fā)隧道上方地表生態(tài)環(huán)境破壞的地質(zhì)災(zāi)害，如隧道洞內(nèi)涌、突水，涌、突泥，泥石流，塌方等[1～5]。受工期的限制，或因勘察、設(shè)計(jì)精度不足和施工質(zhì)量問題帶來的隧道施工地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，不僅給工程建設(shè)造成了極大的困難，更給隧道施工人員安全問題以及地面周圍環(huán)境的安全造成了極大的威脅[6～8]。廣州地鐵瀝～大區(qū)間盾構(gòu)穿越上軟下硬地層時(shí)發(fā)生約 8 m×8 m的塌方事故，造成上方河堤下陷；南寧地鐵魯班路站在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)開倉換刀時(shí)發(fā)生坍塌事故，造成一人死亡兩人失蹤；北京地鐵10號線六～蓮區(qū)間有線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于未根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整土倉壓力和存在超挖的情況，分別于2011年6月和8月兩次發(fā)生地表塌陷事故；從2015年10月～11月期間，南京地鐵北京東路段盾構(gòu)施工區(qū)間在不到一個(gè)月內(nèi)發(fā)生5次地表塌陷事故，一度造成交通癱瘓，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

雙線隧道開挖時(shí)，當(dāng)后施工的隧道對周圍地層擾動通過土體傳遞到先施工隧道時(shí)，會對先施工的隧道本身和周圍地層產(chǎn)生二次擾動，如果擾動較大，可能會造成管片受力不均產(chǎn)生錯位、地表土體產(chǎn)生二次沉降等影響。白海衛(wèi)等[10]基于武漢和杭州地鐵地表變形實(shí)測數(shù)據(jù)，采用Peck公式進(jìn)行擬合，并在Peck公式的基礎(chǔ)上對進(jìn)行參數(shù)修正，得到適用于預(yù)測雙線隧道的修正公式；糜瑞杰等[11]考慮了雙線隧道斷面尺寸、相對位置等影響因素，對雙線隧道開挖引起的圍土卸載變形展開研究，結(jié)果表明雙線隧道沉降曲線特性與隧道埋深和相對位置的比值密切相關(guān)。

本文依托徐州軌道交通2號線盾構(gòu)施工區(qū)間，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，得到現(xiàn)場施工過程中地表土體的橫、縱向沉降變形時(shí)空分布規(guī)律和發(fā)展歷程以及雙線隧道施工過程中對地表沉降變形的擾動影響，并采用ABAQUS有限元軟件，建立三維盾構(gòu)隧道開挖模型，得到雙線盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降變形規(guī)律和相互擾動機(jī)理。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)

徐州軌道交通2號線姚莊站～文博園站區(qū)間地質(zhì)剖面圖見圖1所示。隧道邊墻隨隧道起伏穿過的土層依次位于：黏土5-3-4層、全風(fēng)化頁巖10-7A-1層、全風(fēng)化頁巖10-7B-1層、中風(fēng)化灰?guī)r10-1-3層、強(qiáng)風(fēng)化頁巖10-7B-2層。

區(qū)間施工方法主要為盾構(gòu)法，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。區(qū)間穿越的土層主要有5-3-4黏土，隧道頂部埋深 9.8 m～15.5 m。

區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越黏土地層以硬塑黏土為主，各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 姚～文區(qū)間地質(zhì)剖面圖 土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.2 測點(diǎn)布置

地表沉降是施工最基本的監(jiān)測項(xiàng)目，它最能直接反映周圍環(huán)境的變化情況。通過地表沉降及時(shí)了解隧道周圍地表變形情況，及時(shí)分析，確保隧道掘進(jìn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。在隧道上方地表沿隧道模擬開挖方向選取三個(gè)橫斷面，正上方選取一個(gè)縱斷面布置測點(diǎn)，每個(gè)橫斷面布置7個(gè)位移測點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場工程實(shí)際測點(diǎn)布置距離，考慮模型尺寸縮比，確定模型試驗(yàn)測點(diǎn)的布置距離為 30 cm，縱斷面沿開挖方向共布置7個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)距離為 25 cm，具體測點(diǎn)布置位置如圖2所示。

圖2 地表測點(diǎn)布置圖

3 地表沉降變形規(guī)律數(shù)值分析

3.1 計(jì)算假設(shè)

由于現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境比較復(fù)雜，為方便研究盾構(gòu)隧道開挖土體變形的時(shí)空效應(yīng)，故簡化模型，控制主要影響因素，對數(shù)值分析模型作出如下假定：

(1)模擬土層采用均質(zhì)、各向同性的彈塑性土體，土體性質(zhì)沿深度方向不發(fā)生變化；

(2)不考慮地下水的滲透作用；

(3)襯砌-注漿等代層-土體之間接觸光滑，三者之間的變形簡化為協(xié)調(diào)變形；

(4)盾構(gòu)管片間隙假設(shè)被注漿等代層完全充填，不考慮注漿不良的情況。

3.2 模型參數(shù)

(1)定義材料本構(gòu)模型

根據(jù)材料的不同力學(xué)性質(zhì)響應(yīng)，分別定義不同材料的本構(gòu)模型，隧道混凝土襯砌和注漿等代層采用線彈性本構(gòu)模型表示，周圍土層采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。

(2)定義材料物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)參數(shù)、周圍地層條件、襯砌和注漿等代層參數(shù)均根據(jù)工程實(shí)際參數(shù)選取，現(xiàn)場施工中，襯砌選用C50混凝土，土層具體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3.3 荷載和邊界條件

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中的荷載主要考慮：土體自重、掌子面推進(jìn)力和注漿壓力。注漿壓力假定均勻環(huán)向分布，在盾構(gòu)推進(jìn)后立即施加注漿壓力，根據(jù)工程現(xiàn)場盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)間和距離，待開挖完成后，取消注漿壓力，激活注漿等代層；掌子面的推進(jìn)力沿深度方向線性變化，計(jì)算公式如圖3所示。

圖3 掌子面推力計(jì)算圖

圖中：P0=K0γZ，Z為上覆土深度；K0為靜止土壓力系數(shù)；P0為覆土深度Z處的土壓力；γ為土的重度；H為覆土厚度。

模型的邊界條件是指在模型的環(huán)向四周設(shè)定X和Y方向的約束，水平底面設(shè)定X、Y和Z方向的約束，限制其位移，模型上表面模擬地表，所以不施加任何約束，為自由邊界。

3.4 建立數(shù)值模型

隧道模型幾何尺寸需要考慮盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所引起的土體變形影響范圍，幾何尺寸如果過大會造成計(jì)算時(shí)間變長，效率變低，而幾何尺寸過小則會導(dǎo)致計(jì)算范圍小于研究范圍，影響結(jié)果分析。結(jié)合研究文獻(xiàn)和工程現(xiàn)場實(shí)際情況，盾構(gòu)隧道推進(jìn)對地表的影響范圍大約為隧道直徑的3倍～5倍。本節(jié)數(shù)值模型基于徐州軌道交通2號線姚莊-文博園盾構(gòu)隧道施工區(qū)間，簡化計(jì)算模型，取盾構(gòu)機(jī)長度 12 m，模型中將盾構(gòu)機(jī)等代為殼單元，隧道埋深為 12 m，直徑 6.44 m，襯砌厚度 0.3 m。具體物理力學(xué)性能參數(shù)如表2所示：

其他材料數(shù)值參數(shù)取值 表2

計(jì)算模型尺寸為70 m×50 m×60 m(長×寬×高)，即沿隧道縱向長度為 60 m。土體共劃分網(wǎng)格單元 159 720個(gè)，注漿等代層、襯砌層和盾構(gòu)機(jī)各劃分單元 8 640個(gè)。模型尺寸如圖4，模型網(wǎng)格劃分圖如圖5，模型各部件如圖6：

圖4 模型尺寸示意圖

圖5 三維模型示意圖

3.5 工況和施工過程模擬

(1)施工工況

為研究不同影響因素下，盾構(gòu)隧道圍土卸載變形特性，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)定不同工況進(jìn)行模擬，具體工況見表3所示。

數(shù)值模擬工況 表3

(2)施工過程模擬

ABAQUS中用modelchange(分為激活(active)和殺死(inactive))命令來模擬隧道土體的開挖以及襯砌等部件的激活和取消。開挖時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際設(shè)定每個(gè)開挖步為 2 m。具體的施工過程模擬如下(以只開挖右線為例說明)：

①激活所有土體單元，暫不激活其他所有部件，施加邊界約束和荷載；

②殺死右線第一個(gè)開挖步1.2 m的土體，激活右線盾構(gòu)機(jī)第一環(huán)，施加第一個(gè)開挖步掌子面推進(jìn)力，激活第一環(huán)同步注漿壓力；

③依次循環(huán)，至第七步時(shí)，殺死第一環(huán)盾構(gòu)機(jī)單元，激活第一環(huán)注漿等代層，殺死第一環(huán)注漿壓力；

④按順序重復(fù)b、c兩步，直至開挖完成。

4 結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)不僅會引起隧道正上方地表的沉降，還會導(dǎo)致軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土體沉降變形，研究隧道軸線兩側(cè)土體的沉降變形規(guī)律和影響范圍，可為確定隧道安全區(qū)和盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)的依據(jù)。本節(jié)整理了區(qū)間內(nèi)左右線各3個(gè)斷面橫向地表沉降數(shù)據(jù)，分析其變形規(guī)律，為方便表示，將測點(diǎn)DBCR70-1～DBCR70-9(R3)和DBCL75-1～DBCL75-9(L3)所在的斷面用D1表示，測點(diǎn)DBCR75-1～DBCR75-9(R8)和DBCL80-DBCL80～9(L8)所在的斷面用D2表示，測點(diǎn)DBCR80-1～DBCR80-9(R9)和DBCL85-DBCL85～9(L9)所在的斷面用D3表示。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中監(jiān)測斷面的沉降歷程曲線如圖7所示，左線隧道開挖后，雙線隧道地表沉降曲線如圖8所示。

圖7 R13斷面地表橫向沉降歷程曲線

從圖7中可以看出，盾構(gòu)距監(jiān)測斷面3個(gè)位置時(shí)的沉降曲線均大致呈對稱分布，最大沉降量均發(fā)生在隧道中心軸線處，隧道直徑兩倍范圍內(nèi)的地表均發(fā)生了明顯沉降，具體分析曲線如下：

(1)盾構(gòu)刀盤距斷面-20 m處時(shí)，地表發(fā)生較小沉降，中心線處發(fā)生最大沉降量 4.25 mm，約占最終沉降量的20%；

(2)當(dāng)盾構(gòu)穿越監(jiān)測斷面，距離監(jiān)測面 20 m時(shí)，地表發(fā)生明顯沉降，中心線最大沉降量為 13.4 mm，占最終沉降量的67.9%，隧道中心線 10 m范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的明顯沉降， 10 m外沉降量呈較小趨勢；

(3)當(dāng)盾構(gòu)刀盤距斷面60 m處時(shí)，此時(shí)地表區(qū)域穩(wěn)定，最大沉降量也達(dá)到極值，中心線處地表最大沉降量為 19.73 mm。

從圖8可以看出，左線隧道開挖完成后，兩隧道上面地表沉降曲線呈“W”形，右線隧道中心線上方最大沉降量由 19.73 mm增大至 20.55 mm，右線隧道沉降曲線右側(cè)受左線隧道施工影響較大，影響范圍內(nèi)沉降量整體增大，表明右線施工范圍在左線隧道施工影響區(qū)域內(nèi)。左線隧道的地表中心線最大沉降量為 18.89 mm。

圖8 左線開挖后D3斷面地表橫向沉降曲線

4.2 數(shù)值結(jié)果分析

(1)左右線施工間距60 m條件下隧道地表橫向沉降規(guī)律

假定工況為右線隧道先掘進(jìn)60 m后，再掘進(jìn)左線隧道，對兩線隧道掘進(jìn)過程中的周圍土體變形進(jìn)行整理分析，右線隧道掘進(jìn)過程中盾構(gòu)距截面不同位置時(shí)地表橫向沉降變形曲線如圖9所示，左線開挖不同距離時(shí)地表橫向沉降變形曲線如圖10所示。

圖9 盾構(gòu)距截面不同位置時(shí)地表橫向沉降變形曲線

從圖9可以看到，沉降曲線沿右線隧道中心線兩側(cè)呈正態(tài)分布，隧道中心線處沉降量最大，向兩側(cè)逐漸減小。右線隧道掘進(jìn)完成 20 m后，初始開挖面隧道中心線處產(chǎn)生最大沉降量為 6.1 mm，掘進(jìn) 40 m和 60 m的最大沉降量分別為 11.1 mm和 15.4 mm。從圖9還可以看出地表隧道5倍直徑處仍產(chǎn)生輕微沉降，表明沉降影響范圍大于5倍隧道直徑。

圖10 左線開挖不同距離時(shí)地表橫向沉降變形曲線

從圖10可以看出，左線隧道開挖后，對右線隧道地表沉降均產(chǎn)生較大影響，右線地表沉降曲線可以看到，左線隧道開挖后，對右線隧道左側(cè)土體產(chǎn)生的影響較小，對右線隧道中心線至左線隧道中心線土體產(chǎn)生影響較大，右線隧道中心沉降量從 17.3 mm增加至 20.7 mm。隨著左線隧道開挖的進(jìn)行，在左線隧道中軸線處逐漸產(chǎn)生最大沉降量，最終橫斷面沉降曲線呈現(xiàn)“W”分布。

(2)不同施工距離下雙線隧道地表橫向沉降變形規(guī)律

假定隧道先后開挖距離為0 m、30 m和 60 m，研究不同開挖距離對雙線隧道地表橫向沉降規(guī)律的影響，具體沉降變形規(guī)律如圖11所示。

圖11 不同開挖距離時(shí)雙線隧道地表橫向沉降變形曲線

從圖11可以看出，當(dāng)兩線隧道開挖距離為 0 m(即同時(shí)開挖時(shí))，隧道地表呈現(xiàn)對稱雙峰凹槽型曲線，兩隧道中間軸線為曲線對稱軸，隨著開挖距離的增加，對后開挖的左線隧道沉降量影響不大，但是對先行開挖的右線隧道影響較大，后開挖的左線隧道會繼續(xù)引起右線隧道地表土體的沉降，曲線也呈非對稱“W”分布，雙線同時(shí)施工造成的地表沉降值比左右線間隔一定距離施工要大。

4.3 地表沉降實(shí)測與數(shù)值對比分析

數(shù)值分析方法相較于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位測試能夠模擬多因素作用下的圍土卸載變形特性，能夠更好地模擬現(xiàn)場盾構(gòu)掘進(jìn)的全過程以及對周圍地層的擾動，本節(jié)對比分析了同一種地層條件下室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析結(jié)果中地表橫向沉降變形的規(guī)律，驗(yàn)證本文數(shù)值分析和模型試驗(yàn)方法的可靠性。單線隧道開挖引起地表沉降的模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值結(jié)果對比分析如圖12所示，雙線隧道開挖引起地表橫向沉降的現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值結(jié)果對比分析如圖13所示。

圖12 不同研究方法下單線隧道地表橫向沉降曲線

從圖12可以看出，三條地表橫向沉降變形曲線均符合Peck沉降曲線分布規(guī)律，在隧道中心線處地表最大沉降值相差約 2 mm左右，曲線兩端沉降量相差不到 1 mm。可見，雖沉降量存在一定的誤差，但本文室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析兩種方法所計(jì)算的沉降曲線均可以還原現(xiàn)場沉降曲線的變形規(guī)律。

從圖13中可以看出，實(shí)測D1和D2斷面的沉降量明顯小于D3斷面和數(shù)值分析的沉降量，差值約為 4 mm左右，由于現(xiàn)場地層是非均質(zhì)的，因此，三個(gè)監(jiān)測斷面的沉降量存在差值符合現(xiàn)場實(shí)際情況。同時(shí)可以看到，D3斷面的沉降曲線與數(shù)值分析的結(jié)果無論在沉降量的大小還是在變形趨勢上擬合度均較高，因此，本文的數(shù)值分析方法具有可靠性。

圖13 不同研究方法下雙線隧道地表橫向沉降曲線

5 結(jié) 論

基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和三維數(shù)值分析，對雙線盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降變形規(guī)律進(jìn)行研究，對比實(shí)測和數(shù)值分析的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)距監(jiān)測斷面-20 m、20 m和 60 m位置時(shí)的沉降曲線均大致呈對稱分布，最大沉降量均發(fā)生在隧道中心軸線處，盾構(gòu)穿越監(jiān)測斷面后，沉降迅速增大，距監(jiān)測斷面一定距離后，地表趨于穩(wěn)定，隧道直徑兩倍范圍內(nèi)的地表均發(fā)生了明顯沉降。

(2)左線隧道開挖后，均導(dǎo)致右線隧道沉降進(jìn)一步增大，總體增量在 1 mm～3 mm，左線隧道上方地表最終沉降量均小于右線，雙線地表沉降曲線呈“W”分布。

(3)雙線隧道施工受施工距離間隔影響作用明顯，后施工的隧道會引起先施工隧道地表土體產(chǎn)生二次沉降，沉降曲線逐漸呈“W”分布。