地鐵盾構(gòu)穿越斷層施工力學(xué)響應(yīng)研究

田 寧

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 25002)

1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線云沈盾構(gòu)區(qū)間下穿斷層帶，地層松散，覆土厚度小，盾構(gòu)施工穩(wěn)定性較差，并且穿越斷層破碎帶，有較大的施工風(fēng)險(xiǎn)及隱患。長(zhǎng)達(dá)400m長(zhǎng)區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)下穿，易形成地層過(guò)大擾動(dòng)、影響地面行車安全。由于下穿地層不均勻，極易導(dǎo)致襯砌管片的縱向不均勻變形而損壞管片結(jié)構(gòu)。

2 建立模型及參數(shù)

以沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線云沈盾構(gòu)區(qū)間為研究背景，采用FLAC3D三維程序，計(jì)算范圍取縱向100m，其中，中風(fēng)化泥灰?guī)r30m、斷層40m、微風(fēng)化泥灰?guī)r30m;水平方向長(zhǎng)度約為70m，垂直方向隧道底部以下25m，模型上表面取至拱頂18m，盾構(gòu)直徑3m。

圍巖參數(shù)根據(jù)沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線云沈盾構(gòu)區(qū)間巖土工程勘察規(guī)范，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示，巖體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

按抗彎剛度等效的原則，管片作為一個(gè)等效體，并采用彈性三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)可研階段初步地應(yīng)力反演結(jié)果:σx(垂直隧道軸線水平方向)=σy=208.3 kPa(平行軸線水平方向)、σz=387.0 kPa(豎直方向)，左、右邊界及下邊界法向約束，上邊界為地表。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

隧道空間效應(yīng)的力學(xué)闡釋可以認(rèn)為由于隧道作業(yè)面對(duì)其附近圍巖的“虛擬支撐”作用，圍巖和管片相互作用，最終達(dá)到平衡。

3.1 圍巖變形特性分析

隨開(kāi)挖面的不斷向前推進(jìn)，圍巖變形隨距作業(yè)面距離的加大而逐步釋放。

(1)地表變形

盾構(gòu)施工穿越中風(fēng)化泥灰?guī)r、斷層及微風(fēng)化泥灰?guī)r，施工結(jié)束后，地表沉降曲線如圖1所示。

圖1 地表沿縱向沉降曲線

在評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性時(shí)，變形是重要數(shù)據(jù)之一。從圖1看出，最大沉降發(fā)生在斷層區(qū)段，地表沉降發(fā)生不均勻?qū)ΨQ，最大沉降達(dá)2.6 mm，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，地表變形很小，地層相對(duì)安全，圍巖穩(wěn)定性較好，不會(huì)引起塌方等不穩(wěn)定事故。

施工結(jié)束后，地表橫向沉降曲線如圖2所示。

圖2 不同下臥層地表沉降槽曲線

從圖2看出，模型兩端的中風(fēng)化泥灰?guī)r和微風(fēng)化泥灰?guī)r地表沉降相對(duì)很小，橫向沉降也集中于斷層地段，呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，橫向有效影響范圍為20m，相當(dāng)于3倍洞徑。

盾構(gòu)掘進(jìn)施工結(jié)束后，圍巖豎向、水平總體變形如圖3所示。

圖3 整體變形云圖(單位:m)

從圖3中看出，圍巖變形主要集中在斷層范圍內(nèi)，其位移明顯要大于周圍巖土體。豎向變形主要發(fā)生在斷層中間位置，而水平變形主要發(fā)生在地層變化接頭處，容易引起管片的錯(cuò)位破壞，因此要加強(qiáng)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而控制最終的變形，有利于管片襯砌整體穩(wěn)定性。

3.2 工作面核心土體擠出變形

20世紀(jì)80年代初，意大利Pietro Lunardi教授將隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變形效應(yīng)通過(guò)三維空間進(jìn)行分析，并輔之以大量的理論和試驗(yàn)研究，提出巖土控制變形分析(ADECO-RS)工法，其本質(zhì)為工作面預(yù)變形對(duì)隧道圍巖最終變形影響很大，并且將之運(yùn)用于隧道設(shè)計(jì)施工中。該工法把主要的注意力放在工作面前方一定范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定上，通過(guò)控制工作面前方圍巖的變形，來(lái)減小隧道開(kāi)挖后圍巖的變形，施工過(guò)程中盾構(gòu)端頭到達(dá)不同位置工作面擠出變形如圖4所示。

由圖4看出，工作面變形明顯，盾構(gòu)端頭到達(dá)中風(fēng)化泥灰?guī)r和微風(fēng)化泥灰?guī)r分界面時(shí)，工作面向工作面后方擠出變形最大為34 mm，說(shuō)明推力過(guò)小，應(yīng)適當(dāng)加大。盾構(gòu)端頭到達(dá)斷層中間位置，工作面向前擠出9 mm，說(shuō)明推力過(guò)大，應(yīng)大幅度減小。盾構(gòu)端頭到達(dá)斷層和微風(fēng)化泥灰?guī)r分界面，工作面基本不發(fā)生變形，說(shuō)明推力應(yīng)該略有減小。

圖4 施工工程中工作面擠出變形云圖

工作面到達(dá)不同位置時(shí)，工作面前方深部圍巖沿縱向變形曲線如圖5所示。

圖5 工作面前方深部水平巖體擠壓變形

從圖5可以看出，工作面穿越不同巖層前方深部水平巖體擠壓變形差異較大，最大的發(fā)生在工作面到達(dá)中風(fēng)化泥灰?guī)r和微風(fēng)化泥灰?guī)r分界面，結(jié)論與圖4類似。

3.3 襯砌管片變形特性

盾構(gòu)穿越斷層，必然導(dǎo)致襯砌管片不均勻變形，施工結(jié)束后，管片拱頂、邊墻及仰拱徑向變形如圖6所示。

圖6 管片結(jié)構(gòu)變形沿縱向變化曲線

從圖6看出，襯砌下沉邊墻和拱底基本對(duì)稱，而拱頂下沉沿縱向不對(duì)稱，并且位移突變影響范圍為斷層內(nèi)10m左右，而對(duì)于兩端硬巖基本沒(méi)有影響。因此，要對(duì)分界處的圍巖進(jìn)行處理，有效加固范圍為斷層內(nèi)10m地層。

3.4 襯砌管片力學(xué)響應(yīng)

盾構(gòu)穿越不均勻地層，必然導(dǎo)致襯砌管片不均勻變形，拱頂管片襯砌縱向應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖7所示。

從圖7看出，拱頂應(yīng)力沿縱向很不均勻，地層的物理力學(xué)性質(zhì)的突變，使得縱向應(yīng)力和最小主應(yīng)力發(fā)生突變。縱向應(yīng)力峰值發(fā)生在斷層中央，而最小主應(yīng)力峰值發(fā)生在斷層與硬巖接頭處。

仰拱管片襯砌縱向應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖8所示。

從圖8看出，仰拱襯砌管片應(yīng)力沿縱向很不均勻，由于施工順序的影響，縱向應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中風(fēng)化泥灰?guī)r和斷層分界面，之后，逐漸減小;而最小主應(yīng)力在不同地層接頭處發(fā)生突變，宜加大分界位置附近的襯砌管片及連接螺栓的強(qiáng)度。

圖7 管片結(jié)構(gòu)拱頂位置沿縱向受力分布曲線

圖8 管片結(jié)構(gòu)拱底沿縱向受力分布曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合盾構(gòu)穿越斷層掘進(jìn)全過(guò)程力學(xué)行為，針對(duì)沈陽(yáng)地鐵云沈區(qū)間工程，研究地層及管片的變形特性、力學(xué)響應(yīng)，得出如下主要結(jié)論:

(1)軸向地表最大沉降呈非對(duì)稱分布，最大沉降達(dá)2.6 mm，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。橫向沉降也集中于斷層地段，呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，橫向有效影響范圍為20m，相當(dāng)于3倍洞徑。洞周變形主要集中在斷層范圍內(nèi)，其位移明顯要大于周圍巖土體。豎向變形主要發(fā)生在斷層中間位置，而水平變形主要發(fā)生在地層物理性質(zhì)突變處，易導(dǎo)致管片錯(cuò)位破壞。

(2)工作面穿越不同巖層前方深部水平巖體擠壓變形差異較大，最大的發(fā)生在工作面剛到達(dá)斷層，峰值為34 mm，說(shuō)明推力過(guò)小，工作面前方有效加固距離為6m。盾構(gòu)端頭到達(dá)斷層中間位置，工作面向前擠出9 mm，說(shuō)明推力過(guò)大。盾構(gòu)端頭到達(dá)斷層和微風(fēng)化泥灰?guī)r分界面，工作面基本不發(fā)生變形，說(shuō)明推力應(yīng)該略有減小。

(3)砌管片邊墻和仰拱基本對(duì)稱，而拱頂下沉沿縱向不對(duì)稱，變形突變影響范圍為斷層內(nèi)10m左右，對(duì)于兩端硬巖管片變形基本沒(méi)有影響，宜加強(qiáng)斷層10m范圍內(nèi)管片襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)。

(4)地層的物理力學(xué)性質(zhì)的突變，使得縱向應(yīng)力和最小主應(yīng)力發(fā)生突變。拱頂縱向應(yīng)力峰值發(fā)生在斷層中央，而最小主應(yīng)力峰值發(fā)生在斷層與硬巖接頭處。仰拱襯砌管片應(yīng)力沿縱向很不均勻，縱向應(yīng)力峰值發(fā)生在中風(fēng)化泥灰?guī)r和斷層分界面，然后逐漸減小;而最小主應(yīng)力在不同地層接頭處發(fā)生突變。因此，宜加大分界位置附近的襯砌管片及連接螺栓的強(qiáng)度，提高管片襯砌整體穩(wěn)定性。

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