砂卵石地層盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表沉降影響數(shù)值分析

趙旭偉 談 晶 于清浩

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，200070，上海;2.長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院，130033，長(zhǎng)春;3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，102600，北京∥第一作者，工程師)

砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定層，其力學(xué)特性和物理特性與軟土、黃土及復(fù)合地層差別很大，地層中的卵石顆粒在無水狀態(tài)下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，受擾動(dòng)后地層反應(yīng)靈敏。該地層巖體松散、無膠結(jié)、自穩(wěn)能力差、單個(gè)石塊強(qiáng)度高;顆粒之間空隙大、粘聚力小、滲透系數(shù)大［1］。

土壓平衡盾構(gòu)(EPB)在長(zhǎng)距離、大面積砂卵石地層中掘進(jìn)會(huì)遇到地表沉降大、掘進(jìn)效率低，渣土流動(dòng)性差、刀盤刀具磨損嚴(yán)重，開挖面穩(wěn)定較難控制等諸多問題［2－3］。

我國(guó)地質(zhì)情況具有很強(qiáng)的區(qū)域性，已建地鐵城市盾構(gòu)穿越的地層主要有軟土地層、復(fù)合地層、黃土地層、軟流塑地層等。目前，對(duì)軟土盾構(gòu)隧道引起地層移動(dòng)和變形規(guī)律的研究較為深入，對(duì)復(fù)合地層和黃土地層施工擾動(dòng)也進(jìn)行了大量的研究，而對(duì)砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律和控制方法的研究較少。該地層的特殊性及區(qū)域性也導(dǎo)致目前還沒有砂卵石地層成熟的土體變形理論和沉降規(guī)律可以參考。

本文以成都地鐵1號(hào)線2標(biāo)人民北路——天府廣場(chǎng)3個(gè)區(qū)間站為背景，利用有限元軟件ANSYS建立三維數(shù)值模型，研究土壓平衡盾構(gòu)在不同的掘進(jìn)壓力、注漿等代層厚度、隧道覆土厚度、隧道凈距等條件下的地表沉降規(guī)律，從整體上把握盾構(gòu)施工主要參數(shù)影響因素，提出了各參數(shù)控制性建議。希望為以后類似地層盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)意見，創(chuàng)造更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 計(jì)算過程

1.1 模型情況及邊界條件

模型選取成都地鐵1號(hào)線2標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間某60 m段為研究對(duì)象，各土層厚度按照實(shí)際情況選取，土層參數(shù)按照地堪報(bào)告讀取。如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型及邊界條件示意圖

模型X、Y、Z方向計(jì)算范圍為，隧道直徑D=6.0 m，管片厚度0.3 m。左右線隧道間距13 m。模型上表面取至地表(埋深取16 m)，下面取至隧道底部以下17.5 m(約3D);橫向取至隧道外側(cè)30 m(5D);沿線路縱向取60 m。其中Z軸正向?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)方向，隧道間距線中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。按照施工經(jīng)驗(yàn)，此范圍能夠滿足研究需要。

模型采用位移邊界條件，底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，表面取為自由邊界。網(wǎng)格劃分采用六面體單元，土體采用D－P本構(gòu)模型，管片采用8個(gè)節(jié)點(diǎn)的solid 45實(shí)體單元。管片寬度1.5 m。由于1號(hào)線2標(biāo)盾構(gòu)實(shí)際施工過程中左右線推進(jìn)間隔約1個(gè)月，為盡可能真實(shí)模擬實(shí)際工況，隧道采取先開挖左線后開挖右線的方式。即左線60 m貫通后，再開挖右線。考慮計(jì)算速度，每3 m開挖一步，經(jīng)過20個(gè)循環(huán)，開挖完成一條線路。隧道開挖采用單元生死法。網(wǎng)格劃分模型如圖2及圖3。

圖2 有限元整體網(wǎng)格劃分模型圖

圖3 管片整體網(wǎng)格劃分模型圖

1.2 初始應(yīng)力場(chǎng)及土體力學(xué)參數(shù)

有限元法計(jì)算隧道開挖需要確定初始應(yīng)力場(chǎng)。初始應(yīng)力場(chǎng)是指開始施工前的地應(yīng)力場(chǎng)。它是有限元計(jì)算的迭代基礎(chǔ)，其設(shè)置的正確與否直接影響計(jì)算結(jié)果。一般初始應(yīng)力場(chǎng)包括土體自重應(yīng)力和地面建筑物引起的附加應(yīng)力兩部分。計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)有兩種常用方法:一是根據(jù)變形實(shí)測(cè)值反分析而得出;二是通過現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)測(cè)得的某些點(diǎn)的地應(yīng)力值，回歸分析得出。有限元數(shù)值模擬一般可采用兩種方法來施加初始地應(yīng)力:一是在邊界上施加相應(yīng)面力荷載，內(nèi)部施加自重荷載，通過求解而得到的地應(yīng)力場(chǎng)作為初始地應(yīng)力場(chǎng);二是初始應(yīng)力按自重應(yīng)力直接輸入高斯點(diǎn)，形成一個(gè)初始地應(yīng)力場(chǎng)。本文不考慮附加應(yīng)力情況，認(rèn)為初始應(yīng)力場(chǎng)即為原始土體的自重應(yīng)力產(chǎn)生的，同時(shí)假設(shè)土體固結(jié)完成，初始位移設(shè)置為零。右線隧道開挖至30 m斷面模型如圖4。土體有限元計(jì)算的相關(guān)參數(shù)見表1。其中，管片結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，彈性模量 E=3.45 GPa，泊松比 μ =0.17。

圖4 右線隧道開挖至30 m斷面模型圖

表1 土體力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 土倉(cāng)壓力對(duì)地表沉降的影響

本文采取施加面力荷載的辦法模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的土倉(cāng)壓力。掘進(jìn)壓力 P分別取 0.15 MPa、0.25 MPa、0.35 MPa、0.45 MPa，研究不同土倉(cāng)壓力下盾構(gòu)掘進(jìn)土體變形規(guī)律，如圖5。

圖5 土倉(cāng)壓力對(duì)地表沉降影響規(guī)律

由圖5可以看出，增大掘進(jìn)壓力有利于減少地表沉降;該地層條件(H=15.5 m、D=6.0 m、P=0.15 MPa)下，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降在19 mm左右。當(dāng)P逐漸增加至0.35 MPa時(shí)，地表沉降減少到17 mm左右，可見在一定壓力范圍內(nèi)，增加面力荷載對(duì)地表沉降影響較小;當(dāng)面力荷載增加至0.45 MPa時(shí)，地表沉降明顯減少至13 mm左右，說明地表沉降隨土倉(cāng)壓力增加跳躍式減少。綜合考慮砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工機(jī)器負(fù)荷及刀盤刀具磨損，增加面力荷載雖然可以有效控制地表沉降，但磨損造成的頻繁停機(jī)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度及施工安全。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，建議該地層條件下土倉(cāng)壓力設(shè)定在0.25～0.35 MPa之間。

2.2 盾尾注漿對(duì)地表沉降的影響

本文采用盾構(gòu)推進(jìn)模擬注漿常用處理方法。即引入等代層概念，通過改變不同等代層的厚度研究盾構(gòu)掘進(jìn)沉降規(guī)律。等代層厚度 G分別取0、15 cm、25 cm、35 cm。

同步注漿材料為水泥、砂、粉煤灰，故參考水泥土的泊松比取為0.2，彈性模量結(jié)合施工中的洞周釋放荷載綜合考慮。管片和等代層采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(solid45號(hào))。管片和等代層之間及等代層與土體之間的接觸采用面－面接觸單元，目標(biāo)面采用contact170，接觸面采用contactl74號(hào)單元。管片和等代層之間的接觸，管片單元為目標(biāo)面，等代層單元為接觸面;等代層與土體之間的接觸，等代層單元為目標(biāo)面，土體單元為接觸面。計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 不同等代層厚度對(duì)地表沉降影響規(guī)律

由圖6可以看出，不設(shè)等代層(G=0)地表沉降較大，在40 cm左右，考慮實(shí)際施工過程盾尾間隙及刀盤超挖，沉降值將遠(yuǎn)超過成都地鐵安全控制標(biāo)準(zhǔn)(+10～－30 mm);當(dāng)G=15 cm時(shí)，地表沉降迅速減少到22 mm左右;G=25 cm時(shí)，地表沉降在17 mm左右;G=35 cm時(shí)，地表沉降減少到7 mm左右。可見，同步注漿能有效控制地表沉降，沉降值隨注漿層厚度增大而減少。實(shí)際施工過程中同步注漿壓力會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定的劈裂擴(kuò)散效應(yīng)，加之砂卵石地層土體粘聚力較差，等代層厚度過大，將增加土體擾動(dòng)范圍。結(jié)合路段施工經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，建議砂卵石地層同步注漿層厚度在20 cm左右。

2.3 覆土厚度對(duì)地表沉降的影響

城市地鐵的一個(gè)重要技術(shù)問題便是確定合理埋深。盾構(gòu)隧道埋深受多種因素影響，如使用條件、運(yùn)營(yíng)功能、工程地質(zhì)、地表建筑等。一般地鐵設(shè)計(jì)往往采用高站位低區(qū)間的設(shè)計(jì)模式，加之城市地鐵往往穿越建筑物、河流等多種工況，因此探尋不同埋深隧道沉降規(guī)律較為重要。本文采用數(shù)值方法研究不同埋深對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 覆土厚度(H=9 m、12 m、15 m、20 m)地表沉降規(guī)律

圖8 覆土厚度(H=6 m、8 m)地表沉降影響規(guī)律

由圖7、8可以看出，當(dāng)埋深H=9 m時(shí)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降為25 mm左右;H=12 m時(shí)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降小于20 mm;H=15 m時(shí)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降在17 mm左右;H=20 m時(shí)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降在15 mm左右;H=6 m時(shí)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降較大，約為40 mm。故增大隧道埋深有利于減少盾構(gòu)施工引起的地表沉降。總結(jié)其規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H＞15 m時(shí)，增加埋深對(duì)地表沉降影響不大，當(dāng)H＜1.5D時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)地表影響較大，沉降槽由1個(gè)過渡到2個(gè)，沉降最大值在隧頂附近;地表沉降影響范圍隨埋深增加逐漸增大，這是由于H增大沿開挖面45°擴(kuò)散范圍更廣，數(shù)值模擬趨勢(shì)滿足基本沉降規(guī)律。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，建議砂卵石地層隧道埋深合理值2～2.5D(H=12 ～15 m)之間，最小不小于1.5D。若隧道埋深在1.5～2D之間需采用嚴(yán)格的推進(jìn)控制措施，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降。

2.4 隧道間凈距對(duì)地表沉降的影響

地鐵區(qū)間隧道一般采用盾構(gòu)法施工，由于城市上部環(huán)境復(fù)雜，下部管線繁多，為了使地鐵線路靈活躲避重要管線及建筑物基礎(chǔ)，大多數(shù)隧道線路均采用雙線雙洞設(shè)計(jì)。雙向隧道的凈距、坡度，曲線半徑成為盾構(gòu)隧道另一個(gè)關(guān)鍵性控制因素。本文通過數(shù)值模擬方法，研究盾構(gòu)施工在不同間距L的情況下，地表沉降規(guī)律及影響范圍。分別取L=6 m、7 m、8 m、10 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同凈距地表沉降規(guī)律

由圖9可知，L≤D時(shí)，左右線盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響較大，最大沉降接近30 mm，地表出現(xiàn)2個(gè)沉降槽，當(dāng)6 m ＜L＜7 m時(shí)，地表沉降槽由2個(gè)過渡到1個(gè)，沉降量逐漸減少;當(dāng)L＞7 m時(shí)，增加隧道間距，盾構(gòu)施工引起的最大沉降值幾乎沒有變化，但地表沉降槽由1個(gè)過渡到2個(gè)，雖然增加隧道間距加大了地表沉降槽影響范圍，但沉降槽最大值主要影響范圍變化不大，相反有助于減少隧道中心處地表沉降值。

結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，建議砂卵石盾構(gòu)隧道間距L＞D。當(dāng)D=6 m時(shí)，7 m≤L≤10 m較好。

3 結(jié)論

本文研究了盾構(gòu)在不同埋深、等代層厚度、掘進(jìn)壓力等工況下的沉降規(guī)律，以便為設(shè)計(jì)、施工提出相關(guān)參數(shù)控制性建議。關(guān)于ANSYS軟件在砂卵石地層的數(shù)值模擬和施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)檢驗(yàn)，西南交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)及北京交通大學(xué)都曾做過類似研究，在把握整體性沉降規(guī)律方面ANSYS數(shù)值模擬可以滿足精度要求，本文不做重復(fù)檢驗(yàn)。

本文的主要結(jié)論如下:

(1)根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，建議砂卵石地層條件下土倉(cāng)壓力設(shè)定在0.25～0.35 MPa之間。

(2)結(jié)合路段施工經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，建議砂卵石地層同步注漿層厚度在20 cm左右。

(3)建議砂卵石地層隧道埋深合理值為2～2.5D(H=12 ～15 m)之間，最小不小于1.5D。埋深在1.5～2D之間需采用嚴(yán)格的推進(jìn)控制措施，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降。

(4)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，建議砂卵石盾構(gòu)隧道間距L＞D。當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)斷面D=6 m時(shí)，7 m≤L≤10 m較好。

［1］趙旭偉.砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體變形及控制方法［D］.長(zhǎng)春:吉林建筑工程學(xué)院，2010.

［2］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］陳正勛，何泰源，陳福勝.卵礫石層潛盾隧道設(shè)計(jì)考慮研析［J］.隧道建設(shè)，2007(S2):273.

［4］張海波.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬［D］.南京:河海大學(xué)土木學(xué)院，2005.

［5］王占生，王夢(mèng)恕.盾構(gòu)施工對(duì)周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，12(2):45.

［6］李永利，趙旭偉.地鐵盾構(gòu)隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析［J］.城市軌道交通研究，2010，13(8):83.