雙線盾構隧道開挖地表沉降規律研究

□王躍力（河南省水利第一工程局）

雙線盾構隧道開挖地表沉降規律研究

□王躍力（河南省水利第一工程局）

隧道開挖會對周圍土體產生擾動，部分土體應力的釋放將打破原有土體的應力平衡，在新的應力場平衡的過程中，常常伴隨著土層變形。有時候土層變形過大，地表沉降引起塌方，嚴重影響著施工質量和作業人員安全。本文正是基于此，結合我國某市地鐵二號線8標工程實例，采用數值模擬的方法對不同間距隧道開挖地表沉降規律進行研究，能夠為類似工程施工提供一定程度的參考依據。

雙線；不同間距；地表沉降；規律

一、引言

目前，為緩解城市交通環境的壓力、提高市民生活質量并促進城市經濟建設發展，修建地鐵已在我國各大城市廣泛開展。然而，隧道開挖必然會打破原有土層的應力平衡，引起周圍土體產生較大變形，地表沉降較大，嚴重的可能引起塌方。比如杭州地鐵塌方。這種影響在雙線隧道開挖施工中體現的尤為明顯。因此，研究不同線間距隧道開挖時地表沉降規律，具有重要的現實意義。

二、工程概況

某市地鐵二號線土建8區間設計全長1268.4m，盾構法施工，線間距20.96～50m。該市屬于北溫帶半濕潤的季風性氣候，同時受海洋、大陸性氣候控制。一年中降雨多集中在6～9月份，年平均降雨量為720mm。一年平均氣溫為7～8℃，最高氣溫38.7℃,最低氣溫-33.1℃。

三、計算模型及參數選取

土體本構模型選取Mohr-Coulomb彈塑性模型。

Mohr-Coulomb屈服面公式為：

式中ψ是q-p應力面上Mohr-Coulomb屈服面的傾斜角，稱為材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；Rm（cQj）按下式計算，其控制了屈服面在P平面上的形狀；Q是極偏角，定義為cos（3Q），r是第三應力偏量不變量J3。

圖1

圖1給出了Mohr-Coulomb屈服面在子午面和π平面上的形狀，由圖可以比較其與Drucker-Prager屈服面，Tresca屈服面，Mises屈服面之間的對比。

式中Ψ是剪漲角；cl0是初始粘聚力，即沒有塑性變形時的粘聚力。ε為子午面上的偏心率，它控制了G在子午面上的形狀與函數漸近線之間的相識度。若ε=0.0，塑性勢面在子午面上將是一條傾斜向上的直線，ABAQUS中默認為0.1。

計算中采用“生死單元”的方法模擬材料的變換。模型尺寸取100m×60m,隧道埋深27m,開挖直徑D=6.24m。所需參數如

表1：

表1 計算參考數據

四、計算結果分析

圖2間距20.96m盾構開挖地表沉降曲線圖

圖3 間距31.20m盾構開挖地表沉降曲線圖

計算結果表明：從上面的地表位移變化云圖和地表沉降曲線可以看出，單線盾構開挖對地表的擾動在地表沉降主要體現在15m左右的范圍，且地表單線開挖的地表沉降一般達到8mm左右。隧道在右線開挖后在短期內進行左線開挖，兩條線水平間距離得越近，地表影響的范圍重疊的越嚴重，從圖2可以看出，在水平間距20.96m開挖時，重疊后的地表沉降在100天土體固結后達到15mm左右，是單線隧道開挖100天后沉降的2倍左右，而隨著水平間距的擴大，這種重疊效應逐漸降低，從圖2、3、4的影響趨勢可以看出，當間距為37.44m時候，基本相互影響不大。

圖4 不同水平間距盾構開挖100天后地表沉降曲線圖

五、結論

（1）盾構隧道開挖，土體應力釋放，在新的應力平衡場下土體顆粒位置發生改變，地表產生沉降。盾構單線開挖地表沉降較大范圍分布在15m左右的范圍內，且因盾構對土體擾動較小，在100天后的單線隧道沉降最大值為8mm以內。

（2）盾構雙線隧道，一條隧道開挖后在短期內進行第二條隧道開挖，土體產生的擾動將會產生不同程度的疊加。隨著雙線水平間距的減小，這種疊加更加嚴重，在盾構開挖水平間距為20.96m時候，盾構引起的地表沉降在100天后趨近于15mm，這是間距為37.44m時候的1.5倍，單線隧道的2倍。

［1］張云，殷宗澤，徐永福.《盾構法隧道引起的地表變形分析》,巖石力學與工程學報，2002，V 21（3）388-392.

［2］張慶賀，廖少明，胡向東，楊林德.《隧道與地下工程災害防護》北京：人民交通出版社，2009.

［3］陳衛忠，伍國軍，賈善坡.《A BA Q U S在隧道及地下工程中的應用》.北京：中國水利水電出版社，2010.

王躍力(1963-)，男，工程師，從事水利建筑檢測工作。

2011-07-02