基于改進GAP法雙線盾構隧道下穿高鐵路基沉降研究

李文博 許有俊 范俊毅 北京工業大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室 100124

基于改進GAP法雙線盾構隧道下穿高鐵路基沉降研究

李文博 許有俊 范俊毅 北京工業大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室 100124

根據GAP法的基本原理，通過對模型的改進和數值計算，以某地鐵雙圓盾構隧道下穿高速鐵路路基工程為依托，對雙線盾構隧道下穿高鐵路基沉降規律進行預測。研究表明:路基頂面最大沉降量為8.84mm，最大沉降坡度為0.401‰；沉降槽較平坦，形態為單峰，先行隧道施工引起的路基頂面沉降值大于后行隧道引起的路基頂面沉降值。

地鐵；盾構隧道；下穿；高速鐵路；路基沉降；預測

1 引言

近些年來，隨著我國城市的發展，許多大城市開始修建地鐵，地鐵的開挖會不可避免地擾動洞周土體，導致地表沉降，為減小地鐵隧道施工對周圍環境的影響，我們有必要對地表沉降進行準確的預測和嚴格控制。其中GAP法的地表沉降預測模型在國內外得到廣泛的認可與應用。Verruijit 和Booker[1]在Sagaseta法的基礎上，認為隧道開挖后收斂變形的形式為隧道均勻徑向收縮，得到了地表的豎向位移公式，但該方法得到沉降曲線比實測結果要寬，Lee和Rowe[2]假定土體為彈塑性材料，用三維彈塑性有限元分析了加拿大安大略省的桑德貝隧道，引入總間隙參數(主要包括開挖面推進引起的徑向變形，盾構機周圍的超挖，盾尾壁厚，拼裝襯砌的空間），反映將隧道開挖推進和隧道施工引起的地層損失。總間隙參數G定義為:

式中:Gp為物理間隙，Gp=2 A+δ，其中A為盾尾壁厚，δ為拼裝襯砌空間，U3D為等效的三維徑向位移，W為與施工質量有關的參數。韓煊[3]對這兩種模型進行了比較，從理論和數值模擬兩方面論證了不均勻收斂模式比均勻收斂模式更加符合實際情況。

有鑒于此，本文在不均勻收斂模型的基礎上，對GAP法收斂模型進行改進，并應用于雙線盾構隧道下穿高鐵路基沉降規律研究中。為設計和施工提供指導。

2 改進的GAP法模型

（1）在盾構施工過程中，由于土體卸荷回彈以及盾構機壁厚和注漿的影響，一般襯砌與開挖外輪廓線的相對位置關系處于上述二者關系之間，即二者中心既不重合邊界也不相切，準確描述二者的關系對于模擬開挖效應具有重要影響。參數為:

1）土體損失率: VS

其中，G為開挖面直徑與襯砌外圍直徑之差，C為圓心C1與C2間的距離。

（2）為了更好的對地表沉降進行分析及預測，本文在改進收斂模型的基礎上，以FLAC2D為計算工具，研究了地表沉降隨著埋深的變化特征。

3 改進的GAP法的工程應用

3.1 工程概況

某地鐵雙線盾構區間隧道垂直下穿高速鐵路路基，盾構直徑6.2m，隧道中心間距13.0m，埋深（距地面標高地表）17.39m。高速鐵路路基填方高5.0m，路基CFG樁復合地基加固深度為15.15m，盾構隧道管片外輪廓距路基CFG復合地基加固區底部約2.24m5。

3.2 數值計算建模

（1） 模型的確定

模型上邊界取至路基表面，下邊界至少在隧道底部3.0D以下，橫向取至距隧道中線兩側各8.0D。

（2） 計算參數的確定

根據巖土勘察報告，為了簡化計算，將土層看成均一土層合并為1層，土層參數詳見表1。

表1 土層參數表

3.3 計算結果

圖1 左線開挖引起的地層豎向位移云圖（m）

圖2 雙線開挖引起的地層豎向位移云圖（m）

圖3 盾構隧道引起的路基表面沉降規律

（1）左線隧道開挖完成后隧道拱頂下沉10 m m，地表最大沉降值為5.53mm，沉降槽寬度約32m，最大沉降坡度為0.345‰。

（2）右線隧道開挖完后，地表沉降槽的形態未發生變化，地表影響范圍相對增加，沉降槽寬度約44m，最大沉降坡度為0.401‰，最大沉降值為8.84mm，峰值向右（先行隧道方向）偏移11m。

（3）左線隧道開挖引起的地表最大沉降值為5.53mm，右線為3.31mm，左線引起的地表沉降值比右線大。

4 結論

通過對三維數值模擬結果的分析，主要得到以下結論:

（1）盾構隧道從CFG復合地基加固區底部2.24m穿越時，基于改進GAP法計算結果為8.84mm，最大沉降坡度為0.401‰。

（2）基于改進GAP法計算出的路基頂面沉降槽較平坦，其主要原因是CFG樁復合地基加固處理措施提高了地基的承載能力，改善了加固范圍內土體的物理力學性質，提高了復合地基的抗變形能力。

（3）雙線盾構隧道掘進過程中，先行隧道施工引起的地表沉降值略大于后行隧道引起的地表沉降值。

（4）沉降槽形態為單峰形態，并沒有出現雙圓隧道典型的雙峰形態，主要是因為兩隧道的中心線間距較小，當間距小于或等于3D時，雙線隧道左、右線施工引起的地表沉降疊加分布與單孔隧道的地表沉降分布非常相似，沉降槽曲線為“單峰”形態，且槽底較寬。

［1］丁銘績.高速鐵路CFG樁樁板復合地基工后沉降數值模擬[J].中國鐵道科學.2008,29(3)∶1-5.

［2］張印濤.地下開挖導致鄰近砌體古建筑物損壞評價及其保護研究[D]北.京工業大學博士研究生論文.2007.

［3］Attewell, P.B., & Woodman, J.P.1982.Predicting the dynamics of ground settlement and its derivitives caused by tunnelling in soil.Ground Engineering, 15(7), －1322 & 36.

［4］韓煊, 李寧.隧道開挖不均勻收斂引起地層位移的預測模型.巖土工程學報.2006,22(4)∶369～372.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.11.010

國家科技支撐計劃項目“城市地下空間建設技術研究與工程示范”（2006BAJ27B05）資助

李文博（1985－），男，內蒙古人，在讀博士。主要從事隧道、地下空間方等面的研究。