上軟下硬地層地鐵盾構(gòu)施工地表沉降模擬分析

王 鵬,譚慶振,潘隨偉,任安琪,章善保

(1.馬鞍山學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000; 2.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

隨著城市化的高速發(fā)展,人們對(duì)于城市軌道交通的需求日益增加。盾構(gòu)法具有效率高、掘進(jìn)快、節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工中。上軟下硬地層隧道是在圍巖條件復(fù)雜、上下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)差異較大的地層中修建隧道。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中遇該地層時(shí),易引起盾構(gòu)機(jī)偏離原設(shè)計(jì)軸線造成的隧道縱向線形不佳等問(wèn)題[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)、工程實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬等方法研究上軟下硬地層單雙線盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降等的影響。吳波等[4]、何祥凡等[5]、賈寶新等[6]對(duì)上軟下硬地層單雙線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降進(jìn)行了理論研究,并對(duì)地層三維沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。武科等[7]通過(guò)FLAC3D建立了“八”字形上軟下硬地層盾構(gòu)隧道模型并進(jìn)行數(shù)值模擬,得出了地層沉降規(guī)律,并論述了超前支護(hù)措施的作用。周力軍等[8]、袁僑蔚等[9]、章邦超等[10]、馮慧君等[11]通過(guò)地鐵工程實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬分析上軟下硬地層隧道施工及不同軟硬巖復(fù)合高度比對(duì)地表沉降規(guī)律和不同因素的影響。地表沉降經(jīng)歷盾構(gòu)掌子面前方的變形期、開(kāi)挖擾動(dòng)期和固結(jié)沉降期,并主要發(fā)生在開(kāi)挖擾動(dòng)期。本文以某地鐵工程大嶺山東站—松山湖站的盾構(gòu)掘進(jìn)為研究背景,利用數(shù)值模擬軟件建立符合工程地質(zhì)的上軟下硬數(shù)值模型,并進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比分析上軟下硬地層單線和雙線盾構(gòu)掘進(jìn)及地質(zhì)硬層比對(duì)地表沉降規(guī)律的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某地鐵工程大嶺山東站—松山湖站區(qū)間長(zhǎng)約3 111 m。巖土層從上至下依次是黏性土素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、全強(qiáng)中風(fēng)化混合花崗巖。隧道洞身主要穿過(guò)全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。起點(diǎn)里程為右線CK33+637.390,終點(diǎn)里程為右線CK36+748.147。區(qū)間隧道采用雙線土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。左右線盾構(gòu)中心點(diǎn)距離為14 m,埋深為15.88～34.11 m,盾構(gòu)直徑為6 m,管片厚度為0.35 m,管片寬度為1.5 m,錯(cuò)縫拼接。采用同步注漿方式對(duì)管片進(jìn)行充填,由大嶺山東站至松山湖站先施工左線,后施工右線。盾構(gòu)區(qū)間平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間平面圖

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,巖土層為人工填土層、第四系殘積砂質(zhì)黏性土層、加里東期巖層。地下水屬于水文地質(zhì)II單元,主要是第四系松散巖類(lèi)孔隙水(一)和基巖裂隙水(二)。

在巖土工程勘察報(bào)告中,大嶺山東站—松山湖站區(qū)間橫斷面DBC80(距鉆探孔M1Z3-DDS23約13 m)附近的上軟下硬地層長(zhǎng)度約為70 m,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)掌子面硬巖厚度先增大后減小,形成上軟下硬地層,地面為荒地和新城路綠化帶,周?chē)鸁o(wú)建筑物。該處先采用地面深孔爆破,再進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn),最后采用微差爆破和不耦合裝藥等控制爆破。上軟下硬地層剖面見(jiàn)圖2。巖土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 上軟下硬地層剖面圖

1.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在地表沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向布置縱向和橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？v向監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為10 m。沿縱向每隔50 m布置一個(gè)橫斷面。監(jiān)測(cè)頻率為每天1次。變形較大或出現(xiàn)報(bào)警時(shí),增加監(jiān)測(cè)頻率并分析原因。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3,并將橫斷面DBC80設(shè)定為目標(biāo)掌子面。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 雙線隧道數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 雙線隧道數(shù)值模型

使用FLAC3D軟件將連續(xù)快速拉格朗日分析法應(yīng)用于巖土工程,該方法在解決相關(guān)問(wèn)題上具有優(yōu)越性[12]。選擇橫斷面DBC80進(jìn)行研究,隧道埋深為23 m,數(shù)值模型長(zhǎng)(x軸)80 m、寬(y軸)75 m、深(z軸)50 m,管片拼接為50環(huán),管片厚度為0.35 m,注漿層厚度為0.15 m。巖土體采用莫爾庫(kù)倫彈性模型,土方開(kāi)挖采用空模型null命令,管片采用liner襯砌單元。固定約束模型四周邊界和底邊界,頂部邊界自由。巖土體參數(shù)通過(guò)“prop range z”賦值。土方開(kāi)挖后,通過(guò)襯砌單元賦值管片參數(shù),先模擬左線盾構(gòu)施工,再模擬右線盾構(gòu)施工。上軟下硬地層數(shù)值模型共劃分309 200個(gè)網(wǎng)格單元和319 209個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。

圖4 上軟下硬地層數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模型管片參數(shù)

數(shù)值模擬時(shí)盾構(gòu)管片的彈性模量為30.0 GPa,密度為2.5 g/cm3,泊松比為0.2。利用等代層模擬盾構(gòu)注漿過(guò)程。盾構(gòu)管片拼裝時(shí)激活襯砌單元,模擬盾尾管片拼裝過(guò)程。在管片與巖土體之間注漿時(shí),激活注漿等代層單元,漿液彈性模量為23 MPa[10]。

3 地表沉降規(guī)律及硬層比影響

3.1 單雙線隧道地表沉降變形分析

對(duì)橫斷面DBC80進(jìn)行數(shù)值模擬。盾構(gòu)掘進(jìn)前先平衡初始地應(yīng)力,將位移和位移速率降為0,模擬巖土體開(kāi)挖前的穩(wěn)定狀態(tài)。掘進(jìn)一個(gè)管片寬度,建立一次襯砌,依次循環(huán)至左線掘進(jìn)貫通,再掘進(jìn)右線隧道至雙線貫通。在左右線盾構(gòu)中心線(x=-7 m和x=7 m)對(duì)應(yīng)的地表各布置50個(gè)縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在以橫斷面DBC80地表布置73個(gè)橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別監(jiān)測(cè)地表的縱向沉降、橫向沉降。先行左線后行右線盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)值模擬云圖如圖5所示。

(a)左線盾構(gòu)掘進(jìn)至橫斷面DBC80變形

(b)右線盾構(gòu)掘進(jìn)至橫斷面DBC80變形

(c)雙線隧道貫通變形

單雙線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比如圖6所示。左線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降實(shí)測(cè)值和模擬值的變化基本一致,均近似呈V形變化。兩個(gè)沉降值均在左線盾構(gòu)中心位置最大,最大值分別為8.2 mm和8.71 mm。先行左線后行右線盾構(gòu)引起的地表橫向沉降實(shí)測(cè)值和模擬值的變化也基本一致,均近似呈W形變化。橫向沉降實(shí)測(cè)值和模擬值的最大值分別為12.3 mm和12.79 mm。

圖6 地表橫向沉降對(duì)比

模擬結(jié)束后,分別調(diào)取左線和右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至橫斷面DBC80、左線隧道貫通、雙線隧道貫通時(shí)的地表縱向沉降模擬值。其實(shí)測(cè)值和模擬值的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。由圖7可知,左、右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至橫斷面DBC80和左線、雙線隧道貫通時(shí)的地表縱向沉降實(shí)測(cè)值和模擬值的變化規(guī)律基本一致。左線和右線目標(biāo)掌子面沉降模的擬值分別為2.86 mm和5.35 mm。目標(biāo)掌子面后25 m的地表縱向沉降基本穩(wěn)定,且目標(biāo)掌子面前約15 m的地表縱向沉降變化也較小,因此盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)前后地表沉降的影響范圍約為40 m。由圖2和圖7可知:當(dāng)盾構(gòu)穿越由軟入硬地層時(shí),地表縱向沉降逐漸減小,其模擬值和實(shí)測(cè)值分別由11.1 mm減小至8.65 mm和由10.4 mm減小至7.4 mm;當(dāng)盾構(gòu)穿越由硬入軟地層時(shí),地表縱向沉降逐漸增加,其模擬和實(shí)測(cè)值分別由8.65 mm增加至13.92 mm和由7.4 mm增加至14.7 mm,縱向距離為60～75 m;模擬值逐漸減小的原因是與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)掌子面較近。

圖7 地表縱向沉降對(duì)比

3.2 硬層比對(duì)地表橫向沉降的影響

上軟下硬復(fù)合地層對(duì)地表沉降影響較大,為了研究需要,將盾構(gòu)掌子面范圍內(nèi)的硬層厚度(中風(fēng)化混合花崗巖8-3)與盾構(gòu)外徑的比值定義為硬層比。分別研究硬層比為0%(掌子面無(wú)8-3地層)、16.7%、33.3%、50%、66.7%、83.3%和100%(掌子面全部為8-3地層)。利用FLAC3D軟件建立均勻分布的地質(zhì)模型并分別進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道上方的地質(zhì)參數(shù)保持不變,僅改變掌子面硬巖厚度。分析數(shù)據(jù)可以得出不同硬層比條件下左線貫通和雙線貫通時(shí)地表橫向沉降變化規(guī)律(見(jiàn)圖8)。

由圖8可知,左線貫通和雙線貫通時(shí),地表橫向沉降最大值均隨硬層比的增加逐漸減小。當(dāng)硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時(shí),對(duì)地表橫向沉降最大值的影響相對(duì)較小。當(dāng)變化率為0.7%～1.7%時(shí),可認(rèn)為全斷面為軟層或硬層。當(dāng)硬層比為16.7%～83.3%時(shí),左線和雙線地表橫向沉降變化均較大,且變化率分別為30.6%和32.9%。

圖8 硬層比對(duì)地表橫向沉降影響

3.3 硬層比對(duì)地表縱向沉降的影響

圖9為不同硬層比條件下模擬獲得的左線和右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至橫斷面DBC80時(shí)地表縱向沉降的變化規(guī)律。隨著硬層比的增加,左線和右線狀態(tài)下的地表縱向沉降值均逐漸減小。當(dāng)硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時(shí),對(duì)地表縱向沉降的影響相對(duì)較小。當(dāng)硬層比為16.7%～83.3%時(shí),左線和雙線的地表縱向沉降變化相對(duì)較大。盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)掌子面前后地表沉降的影響范圍約為40 m,其中掌子面前方5 m至后方15 m的范圍內(nèi)地表沉降變化率最大,即曲線斜率最高。

(a)左線目標(biāo)掌子面前后地表縱向沉降

(b)右線目標(biāo)掌子面前后地表縱向沉降

4 結(jié)論

(1)單線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表橫向沉降規(guī)律以盾構(gòu)中心線(x=-7 m)為基準(zhǔn),呈現(xiàn)出近似的V形;雙線盾構(gòu)掘進(jìn)以雙線隧道中心(x=0 m)為基準(zhǔn),呈現(xiàn)出近似的W形。模擬值和實(shí)測(cè)值變化規(guī)律基本一致。

(2)單線和雙線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),刀盤(pán)前后40 m左右的地表變形較大,且盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方5 m至后方15 m范圍內(nèi)地表沉降速度最大。

(3)地表縱向沉降隨地質(zhì)硬層比的增加而減小,硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時(shí),對(duì)地表縱向沉降影響相對(duì)較小,硬層比為16.7%～83.3%時(shí),地表縱向沉降變化較大,因此可將硬層比為83.3%、16.7%作為上軟下硬復(fù)合地層研究的上下限。