城市地鐵TBM雙線隧道地層沉降分析及控制對(duì)策

王會(huì)新

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250101)

1 引言

城市地鐵網(wǎng)絡(luò)是城市發(fā)展的加速劑，可以提升城市居民的出行便利度。直到2020年[1]，有45個(gè)城市開(kāi)通軌道運(yùn)營(yíng)線路共計(jì)7 978.19 km。我國(guó)幅員遼闊，每個(gè)城市地層情況也不盡相同，不少硬巖城市如青島、深圳[2－3]開(kāi)始將TBM技術(shù)應(yīng)用在城市隧道中。然而TBM目前廣泛應(yīng)用于山嶺隧道的修建中，在城市地鐵隧道應(yīng)用較少[4－5]。在城市隧道施工時(shí)，往往要面臨復(fù)雜的地層環(huán)境，導(dǎo)致地層變形與地層沉降，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷害。因此，TBM隧道開(kāi)挖引起地層沉降的機(jī)理研究對(duì)于施工安全具有重要意義[6]。

張海波[7]等人采用三維有限元法研究因隧道施工導(dǎo)致的地表沉降與變形，得到地層變化與地表沉降規(guī)律。宮亞峰[8]、潘海澤[9]等人基于Peck公式對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律進(jìn)行相關(guān)研究，提出了相應(yīng)參數(shù)的取值范圍。武科[10]等人利用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，分析了既有建筑物對(duì)新建地鐵隧道的影響，并提出有效控制措施，優(yōu)化了施工工法。張穩(wěn)君[11]等人基于Peck公式與現(xiàn)有研究結(jié)果，在考慮固結(jié)沉降的因素下，提出了可計(jì)算雙線隧道非同步開(kāi)挖所引起的地表變形公式。孫鶴明[12]等通過(guò)數(shù)值模擬方法，針對(duì)復(fù)合地層研究了TBM施工沉降槽范圍與建筑物沉降的空間關(guān)系。陳春來(lái)[13]等基于Peck公式，提出了雙線隧道平行施工中土體損失造成的三維土體沉降計(jì)算公式。以上研究對(duì)于揭示隧道掘進(jìn)導(dǎo)致地表沉降機(jī)理具有重大意義，但以上研究都未考慮隧道掘進(jìn)順序?qū)Φ貙映两档挠绊?，?duì)于后續(xù)TBM掘進(jìn)施工缺少準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手段。

為了解決上述問(wèn)題，本文依托青島地鐵某TBM區(qū)間隧道掘進(jìn)工程，基于FLAC3D建立隧道開(kāi)挖的雙線模型，驗(yàn)證雙線隧道施工導(dǎo)致地層變形的疊加效應(yīng)，并結(jié)合工程實(shí)際，提出沉降控制對(duì)策，為后續(xù)施工提供依據(jù)。

2 工程概況

本文依托工程為青島地鐵某區(qū)間隧道，該區(qū)間為雙線隧道，如圖1所示。隧道上方為車行公路，寬度為20 m，地下1～3 m埋有電力管線，來(lái)往車輛較多，道路兩側(cè)多為老式居民樓。該區(qū)間所處地貌為剝蝕丘陵地貌，地形略有起伏。

圖1 青島地鐵某區(qū)間隧道平面

為保證工程施工安全，采取分序施工，先開(kāi)挖左線隧道，再開(kāi)挖右線隧道。區(qū)間隧道地質(zhì)情況如圖2所示，從上至下依次為素填土(厚度為2 m)、粉質(zhì)黏土(厚度為4 m)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(厚度為8 m)、中風(fēng)化花崗巖(厚度為6 m)、微風(fēng)化花崗巖(厚度為30 m)。

圖2 地質(zhì)剖面(單位:m)

該雙線TBM隧道采用的盾構(gòu)機(jī)型號(hào)為DSUC6300，總長(zhǎng)度為135 m，刀盤直徑為6.3 m，管片厚0.3 m，采用回填注漿進(jìn)行加固處理，先通過(guò)預(yù)留的孔洞向圍巖與管片的空隙回填豆礫石，再注入漿液，待漿液固結(jié)后，則注漿完成。

3 雙線隧道計(jì)算模型與分析方法

3.1 開(kāi)挖計(jì)算原理

在雙線隧道掘進(jìn)過(guò)程中，將巖土視為理想的彈塑性模型，在發(fā)生剪切破壞前符合彈性模型理論，發(fā)生破壞后則遵守塑性流動(dòng)法則，采用摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則作為巖土體剪切破壞準(zhǔn)則。

式中:c為巖土體黏聚力；φ為巖土體內(nèi)摩擦角。

隧道管片由C50混凝土澆筑而成，一般不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，因此可用彈性模型進(jìn)行模擬；在計(jì)算過(guò)程中回填層已注漿固結(jié)，也可視為彈性模型。

式中:σ為應(yīng)力；ε為變形；E為彈性模量；ν為泊松比。

3.2 模型建立

根據(jù)地勘報(bào)告自上而下分層建立地層模型，依次為素填土層、粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層和微風(fēng)化花崗巖層。隧道襯砌管片采用C50混凝土，彈性模量34 500 MPa，回填層主要為豆礫石及注漿后的充填層，彈性模量取1 000 MPa，具體取值見(jiàn)表1。根據(jù)圣維南原理，設(shè)置隧道左右邊界為隧道外徑的3倍左右，隧道底部距離為外徑的4倍左右，整個(gè)計(jì)算模型寬60 m、高50 m，縱向長(zhǎng)度為45 m?；炷凉芷穸葹?.15 m。模型上表面為自由邊界，下表面為固定邊界，側(cè)面設(shè)置垂直約束。在模擬掘進(jìn)過(guò)程中，先開(kāi)挖左線隧道，再開(kāi)挖右線隧道，開(kāi)挖采用NULL單元進(jìn)行模擬，每次開(kāi)挖1.5 m。共創(chuàng)建257 280個(gè)單元、263 749個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

表1 模型力學(xué)特性參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

數(shù)值計(jì)算模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要沿縱向布置于隧道正上方，以及左右線隧道中間縱向軸線的上方。橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置于模型中部正上方，與隧道軸線垂直，具體布置如圖4所示。

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

青島市某區(qū)間隧道穿越地層為中風(fēng)化花崗巖與微風(fēng)化花崗巖，相比于一般土體，具有較高的力學(xué)特性，沉降值保持在毫米級(jí)別。

4.1 縱向地表沉降分析

分析開(kāi)挖次序?qū)λ淼揽v向地表沉降的影響，隧道左線上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖5所示?？梢钥闯?，在左線隧道開(kāi)挖完畢后，測(cè)線最大沉降為0.65 mm；當(dāng)雙線隧道開(kāi)挖完畢后，測(cè)線最大沉降為0.88 mm，右線開(kāi)挖導(dǎo)致的沉降占總沉降的35%；隨著縱向距離的增加，地表沉降略有減小，這是因?yàn)榭v向距離不斷增加，則更容易受到約束邊界的影響。

圖5 隧道左線上方地表沉降值

圖6為隧道左線上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨隧道掘進(jìn)的沉降曲線，圖像左側(cè)為左線隧道掘進(jìn)過(guò)程，右側(cè)為右線隧道掘進(jìn)過(guò)程。左線掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)掌子面逐漸靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，沉降速率變大，當(dāng)掌子面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，沉降速率逐漸變小。右線掘進(jìn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率明顯變小，但引起的沉降值不可忽略。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨隧道掘進(jìn)沉降曲線

4.2 橫向地表沉降分析

為研究開(kāi)挖次序?qū)λ淼罊M向沉降的影響，選取模型中間測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。當(dāng)雙線隧道開(kāi)挖完畢后，地表沉降量最大值位于兩隧道連線中點(diǎn)，為0.91 mm，左線開(kāi)挖與右線開(kāi)挖造成的地表沉降規(guī)律幾乎相同，呈對(duì)稱分布。越接近右線隧道，受右線隧道掘進(jìn)的擾動(dòng)也就越大，疊加效應(yīng)越明顯。

圖7 橫向地表沉降曲線

4.3 洞室周圍地層位移分布

如圖8所示，左線隧道與右線隧道具有相同的地層變形規(guī)律，即拱頂沉降、拱底隆起，左線隧道的拱頂沉降值為2.6 mm，右線隧道的沉降值為1.6 mm。由于右線隧道的掘進(jìn)導(dǎo)致左線隧道圍巖發(fā)生了應(yīng)力重分布，致使左線隧道圍巖沉降值略大于右線隧道。

圖8 隧道掘進(jìn)地層位移云圖

5 沉降控制對(duì)策

從計(jì)算結(jié)果可以看出，后挖隧道對(duì)先行隧道的影響不可忽略，尤其是兩條隧道間距較小時(shí)，沉降疊加效應(yīng)明顯。所以在施工過(guò)程中要保證兩條線施工錯(cuò)開(kāi)一定距離，避免同時(shí)施工由于作業(yè)面距離過(guò)近劇烈擾動(dòng)而出現(xiàn)沉降疊加效應(yīng)，導(dǎo)致地層變形和地表沉降過(guò)大。另外對(duì)于城市硬巖地層TBM雙線隧道沉降控制措施，普遍采用豆礫石回填以及注漿充填的方法，在施工時(shí)建議采用滲透性高、凝結(jié)時(shí)間短的漿液注漿回填。保證豆礫石吹填過(guò)后短時(shí)間內(nèi)充填層能發(fā)揮支撐作用，在TBM通過(guò)后的較短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮其早期強(qiáng)度。

6 結(jié)論

本文以青島地鐵某區(qū)間雙線隧道作為工程背景，通過(guò)有限差分軟件FLAC3D建立雙線隧道開(kāi)挖模型，研究了開(kāi)挖次序?qū)Φ貙映两档挠绊?，主要得到以下結(jié)論:

(1)后挖隧道的掘進(jìn)會(huì)對(duì)先行隧道產(chǎn)生疊加效應(yīng)，后挖隧道對(duì)先行隧道產(chǎn)生的沉降約占總沉降值的35%。橫向地表沉降呈對(duì)稱分布，最大值位于兩隧道連線中點(diǎn)。

(2)先行隧道與后挖隧道的地層變形具有相同的規(guī)律，均為拱頂沉降、拱底隆起；后挖隧道會(huì)對(duì)先挖隧道的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，引起應(yīng)力重分布，造成疊加效應(yīng)，從而使得先行隧道的拱頂沉降量略大于后挖隧道的拱頂沉降量。

(3)后挖隧道對(duì)先行隧道的影響不容忽略，在施工過(guò)程中可以增大隧道間距離，從而減弱疊加效應(yīng)，或者采用滲透性高、凝結(jié)時(shí)間短的漿液輔助豆礫石充填，保證施工安全順利進(jìn)行。