盾構(gòu)隧道下穿河堤引起的地表沉降數(shù)值分析

閆立來

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，太原 030032)

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，越來越多的一、二線城市開始建設(shè)地鐵，在我國南方地區(qū)，因河流的存在，隧道建設(shè)過程中不可避免地穿越河堤.因此，研究盾構(gòu)隧道下穿河堤引起的地表沉降意義重大.近些年，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要有：石杰紅等[1]、李小青等[2]以某城市地鐵盾構(gòu)推進(jìn)為例，分析比較了4 種不同施工方案所引起的地表沉降量，并分析了其變化規(guī)律，為后期地鐵設(shè)計(jì)及施工提供了指導(dǎo)；程學(xué)武[3]、王林等[4]和王榮[5]以某地鐵下穿河堤為例，分析了沉降發(fā)生的原因及相應(yīng)采取的工程治理措施，并采用有限元軟件Raxis 對(duì)地層加固前后區(qū)間隧道穿越施工工況進(jìn)行模擬，這些研究表明了通過注漿加固可以提高盾構(gòu)隧道覆土范圍土體工程力學(xué)性能， 還能有效減低整個(gè)地層的位移及盾構(gòu)管片彎矩?cái)?shù)值；張達(dá)棟[6]和劉菁[7]針對(duì)黃土地層中盾構(gòu)施工引起地表沉降問題，通過理論分析和數(shù)值模擬提出了盾構(gòu)隧道地表沉降預(yù)測(cè)解析方法，研究了等代層模量與土艙壓力對(duì)地表沉降槽寬度和最大沉降量的影響；馮慧君等[8]、童學(xué)軍等[9]和王非等[10]依托某地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)工程，基于數(shù)值軟件建立隧道掘進(jìn)過程的有限元模型，從隧道開挖引起地表沉降的角度，分析了先挖線路對(duì)后挖線路變形特征的影響.

本文主要以某隧道下穿河堤為例，采用大型有限元軟件Abaqus 建立數(shù)值模型，先將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，再通過單因素控制變量的方法，分析了隧道掘進(jìn)壓力、填土的壓縮模量、注漿水平以及圍巖的應(yīng)力釋放比對(duì)地表沉降的影響及變化規(guī)律.研究結(jié)果可為類似工程提供參考.

1 工程概況

某地區(qū)擬建隧道需要下穿河堤，隧道設(shè)計(jì)埋深基本為28～35 m，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工.在該區(qū)段內(nèi)，主要以雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土以及卵礫石為主，從上至下厚度依次為3，22，17和18 m.其中隧道下穿區(qū)域以淤泥質(zhì)黏土為主，隧道直徑為7.0 m，埋深取32 m.工程區(qū)內(nèi)地下水較為豐富.圖1 為隧道斷面示意圖.

圖1 隧道斷面示意/m

2 數(shù)值建模

圖2為采用大型有限元軟件Abaqus建立的計(jì)算模型.如圖2 所示，本文按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，隧道中心埋深為32.0 m，為了減小模型尺寸帶來的影響，模型左右、前后邊界以及底部均進(jìn)行位移和邊界約束.計(jì)算過程中土體的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型.由于對(duì)稱性，只取隧道的左半側(cè)進(jìn)行建模分析，模型的長、寬、高分別為40，40 和60 m，網(wǎng)格共計(jì)9 856 個(gè)，均采用實(shí)體單元.襯砌采用C60混凝土，厚度取60 cm，與土體之間的泥漿采用等代層進(jìn)行模擬.所謂等代層，即在施工過程中為減小地層損失常常在管片拼裝之后，在管片里側(cè)進(jìn)行注漿加固形成的注漿層.本文中等代層厚度取25 cm，見圖3.表1給出了模型從上至下的土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù).

圖2 數(shù)值模型

圖3 等代層示意

表1 土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖4a)為數(shù)值模型初始應(yīng)力平衡之后的豎向應(yīng)力云圖，由圖可知，豎向應(yīng)力從上至下依次增大，符合實(shí)際規(guī)律，說明模型已經(jīng)平衡完成；圖4b)為隧道開挖26 m 時(shí)的應(yīng)力云圖，由圖可知，隧道開挖后周圍圍巖應(yīng)力釋放，應(yīng)力水平降低.

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，以隧道中心處地表沉降為例，將隧道開挖引起的地表沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5 所示.由圖5 可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大沉降值為28.2 mm，數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的最大值為27.3 mm，雖然兩者存在誤差，但是差別小于4%，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)吻合度良好，說明了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和良好性.

圖4 豎向應(yīng)力云圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 沉降影響因素分析

為了研究隧道施工參數(shù)與土體參數(shù)對(duì)隧道開挖引起的河堤地表沉降，本節(jié)主要通過改變隧道掘進(jìn)壓力、填土的壓縮模量、注漿水平以及圍巖的應(yīng)力釋放比來分析各參數(shù)的影響，可為控制隧道開挖引起的地表沉降提供參考.

3.2.1 隧道掘進(jìn)壓力

圖6 為不同掘進(jìn)壓力對(duì)地表沉降的影響.由圖6 可知，地表沉降隨掘進(jìn)壓力的增加而增大.當(dāng)掘進(jìn)壓力取200，300，400，500 和600 kPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大沉降量分別為27.8，30.1，32.8，34.6 和37.9 mm，相比于掘進(jìn)壓力取200 kPa，掘進(jìn)壓力取300，400，500 和600 kPa 時(shí)最大地表沉降值分別增大了8.3%，18.0%，24.5%和36.3%，地表最大沉降基本上隨著掘進(jìn)壓力的增大均勻增大；同時(shí)也說明，一定程度上減小掘進(jìn)壓力可以減小地表沉降.為了更直觀地顯示隧道開挖產(chǎn)生的沉降，圖7 給出了掘進(jìn)壓力為600 kPa 時(shí)的開挖位移云圖.

圖6 隧道掘進(jìn)壓力對(duì)地表沉降的影響

圖7 隧道掘進(jìn)引起的地表沉降云圖

3.2.2 填土壓縮模量

圖8 為不同填土壓縮模量對(duì)地表沉降影響.

圖8 隧道填土壓縮模量對(duì)地表沉降影響

由圖8 可知，隨著填土壓縮模量的增大，地表沉降隨之減小.當(dāng)填土的壓縮模量為2，3 和4 MPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大沉降量分別為37.4，34.9 和32.7 mm，相比于壓縮模量取2 MPa，填土的壓縮模量為3 和4 MPa 時(shí)最大地表沉降值分別減小了6.7%和12.6%，地表最大沉降基本上隨著填土壓縮模量的增大均勻減?。煌瑫r(shí)也說明，一定程度上增大填土的壓縮模量可以減小地表沉降.

3.2.3 注漿水平

為了分析注漿水平帶來的影響，繪制出不同注漿水平時(shí)的地表曲線，如圖9 所示.文中分別以不考慮等代層以及等代層模量取2 和20 GPa進(jìn)行對(duì)比分析.由圖9 可知，隨著等代層模量的增大，地表沉降隨之減小.當(dāng)不考慮等代層和等代層模量取2 和20 GPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大沉降量分別為28.7，24.5 和22.6 mm；較不考慮等代層時(shí)，等代層取2 和20 Gpa 時(shí)最大地表沉降值分別減小了14.6%和21.3%，地表最大沉降基本上隨著等代層模量的增大均勻減??；而適量增大等代層模量可以有效減小地表沉降，但是當(dāng)?shù)却鷮幽Ａ磕Ａ咳≈颠^大時(shí)，可能會(huì)引起經(jīng)濟(jì)效益低下.

圖9 注漿水平對(duì)地表沉降影響

3.2.4 圍巖應(yīng)力釋放比

圖10 圍巖應(yīng)力釋放量對(duì)地表沉降影響

圖10 為不同圍巖應(yīng)力釋放量對(duì)地表沉降影響.

由圖10 可知，隨著圍巖應(yīng)力釋放比的增大，地表沉降隨之增大.當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放比取20%，30%和40%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大沉降量分別為32.6，33.7和34.3 mm；相比于圍巖應(yīng)力釋放比取40%，填土的壓縮模量為20%和30%時(shí)最大地表沉降值分別減小了5.0%和1.7%，地表最大沉降隨圍巖應(yīng)力釋放比減小而減小，但是幅度并不明顯.

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大沉降值與數(shù)值模擬結(jié)果差別小于4%，且數(shù)據(jù)吻合度良好.

2)地表最大沉降隨著掘進(jìn)壓力的增大均勻增大，減小掘進(jìn)壓力可以減小地表沉降.

3)地表最大沉降隨著填土壓縮模量的增大均勻減小，增大填土的壓縮模量可減小地表沉降.

4)地表最大沉降隨著等代層模量的增大均勻減小，適量的增大等代層模量可以有效減小地表沉降，但是當(dāng)其取值過大時(shí)，可能會(huì)引起經(jīng)濟(jì)效益低下.

5)地表最大沉降隨著圍巖應(yīng)力釋放比的減小而減小，但是幅度不明顯.