軟土地區(qū)重疊盾構(gòu)隧道施工空間效應(yīng)的數(shù)值分析

□文/牛俊濤 史鵬

軟土地區(qū)重疊盾構(gòu)隧道施工空間效應(yīng)的數(shù)值分析

□文/牛俊濤 史鵬

某地鐵區(qū)間含有一段重疊盾構(gòu)隧道，兩條隧道最近處約為1.9 m，施工難度極大。文章以此工程為背景，采用有限元數(shù)值分析，對(duì)重疊隧道不同空間夾角、空間距離等情況下，新建隧道對(duì)既有隧道的影響規(guī)律進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。

軟土地區(qū)；重疊盾構(gòu)隧道；數(shù)值分析；空間效應(yīng)；地鐵

1　工程概況

本文所涉及的區(qū)間約440 m范圍設(shè)置上下重疊隧道段，其中重疊段最小凈距約為1.9 m。重疊隧道從平行段逐步過(guò)渡到斜向重疊，再由斜向重疊過(guò)渡到平行段。隧道外徑約為6.2m。

2　土層物理力學(xué)性質(zhì)

場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原的東南緣，地貌類型單一，屬濱海平原相，地勢(shì)較平坦。隧道所處地層不同土層厚度及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型物理力學(xué)參數(shù)

3　數(shù)值分析

3.1材料模型和基本假定

有限元分析提供了眾多的本構(gòu)模型供選擇。適用于巖土工程的材料模型包括Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型（簡(jiǎn)稱D-P模型）、劍橋模型等。盡管人們普遍認(rèn)為劍橋模型更適合模擬巖土材料，特別是粘土，但是劍橋模型運(yùn)用的主要問(wèn)題在于模型參數(shù)眾多，不易確定參數(shù)取值。綜合考慮，本文使用D-P模型來(lái)模擬土體。

一般地質(zhì)勘測(cè)告中會(huì)提供Mohr-Coulomb準(zhǔn)則參數(shù)，而Mohr-Coulomb準(zhǔn)則并不太適用于粘土體的計(jì)算，因此，需要在兩個(gè)準(zhǔn)則所用參數(shù)之間進(jìn)行換算。

式中：c、φ分別為M-C準(zhǔn)則中的粘聚力和內(nèi)摩擦角；σc為單軸抗壓強(qiáng)度；β、K分別為D-P準(zhǔn)則中的內(nèi)摩擦角和流變應(yīng)力比，一般情況下0.778≤K≤1。

3.2模型的建立

兩隧道間的相對(duì)位置關(guān)系以左右線凈距及左右線中心點(diǎn)連線與豎直方向的夾角β表示，見圖1。

圖1　隧道相對(duì)位置

數(shù)值計(jì)算中，模型尺寸的邊界確定對(duì)結(jié)果的影響非常大，所選取的計(jì)算范圍足夠大，可能更大程度地消除邊界效應(yīng)的影響。然而，擬定的邊界過(guò)大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)配置要求過(guò)高以及計(jì)算耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，因此，在邊界尺寸的確定時(shí)，既要考慮在幾何形態(tài)上要盡可能精確地描述實(shí)際工程，又能滿足正常的計(jì)算資源要求。根據(jù)PECK沉降槽理論，沉降半寬B=2.5i，i按照式（4）計(jì)算

式中：Z為隧道埋深；φ為土體內(nèi)摩擦角。

最終計(jì)算模型范圍確定為寬×高=81 m×62 m。模擬開挖時(shí)為避免邊界應(yīng)力突然釋放，應(yīng)使開挖面邊界應(yīng)力逐漸釋放。模擬過(guò)程中利用施工步驟中的LDF命令在步驟內(nèi)逐步減少開挖面邊界應(yīng)力從而達(dá)到應(yīng)力逐步釋放的效果，選取應(yīng)力釋放率為0.4。

為探討重疊隧道開挖的空間效應(yīng)，擬進(jìn)行16組工況進(jìn)行分析計(jì)算，各工況詳情見表2。

表2　工況編號(hào)

工況1、5、9、13右線在左線隧道正上方；工況4、8、12、16左右線隧道相互平行；其余各工況右線位于左線隧道右上方。以上各工況右線隧道埋深均為22m，左線隧道埋深隨凈距增大而增大。模擬施工工序采用“先下后上”，即先開挖下線隧道，待沉降穩(wěn)定再進(jìn)行上線隧道的開挖。

4　數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1空間夾角的影響

比較工況1～4，當(dāng)重疊隧道夾角為0°時(shí)，既有隧道拱頂沉降值最大，沉降值達(dá)到13.4 mm，隨著重疊隧道間夾角的增大，既有隧道拱頂沉降值逐步減小，兩隧道平行時(shí)，新建隧道造成的既有隧道拱頂沉降值最小；比較重疊隧道夾角變化引起的既有隧道位移矢量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾角為0°時(shí)，既有隧道稱“豎鴨蛋”變形，豎向位移占主導(dǎo)因素；當(dāng)夾角為90°時(shí)，既有隧道稱“橫鴨蛋”變形，水平位移占主導(dǎo)因素；當(dāng)夾角為22°、45°時(shí)，既有隧道的位移明顯朝向新建隧道，見圖2。

從以上分析可知，重疊隧道間的夾角是新建隧道引起的既有隧道附加位移比較敏感的因素，隨著夾角的變化，既有隧道呈現(xiàn)不同的位移變化，當(dāng)夾角為0°時(shí)，新建隧道引起的既有隧道附加位移最大，夾角在0°～45°時(shí)變化時(shí)，新建隧道所引起的既有隧道附加位移變化量很大，而夾角在45°～90°時(shí)變化時(shí)，附加位移變化量較小。工況5～8、工況9～12及工況13～16與工況1～4結(jié)果相似。

4.2空間距離的影響

由圖3可知，隨著重疊隧道間距離的增大，新建隧道所引起的既有隧道附加位移量逐步減小，重疊隧道間距從1/3D變化到2D時(shí)，附加位移量減小了將近50%，然而考慮新建隧道引起既有隧道附加位移量的衰減時(shí)，間距的變化并沒(méi)有夾角的變化敏感，重疊隧道夾角由0°到45°時(shí)，新建隧道引起既有隧道附加位移量減小了約為83.6%；以工況1、5、9、13為例，新建隧道引起既有隧道附加位移，在豎向和水平向上，隨著重疊隧道間距增大均呈現(xiàn)遞減狀況，既有隧道變形均呈現(xiàn)“豎鴨蛋”，只是量級(jí)的不同，這也說(shuō)明，新建隧道引起既有隧道變形的形狀與兩隧道的夾角密切相關(guān)，隧道的間距只是加重或減弱既有隧道變形的程度。

圖3　重疊隧道夾角為0°時(shí)隨間距變化新建隧道引起既有隧道位移

5　結(jié)論

1）在重疊隧道施工中，既有隧道受擾動(dòng)的模式和程度隨著重疊隧道間的夾角和間距的變化而有明顯的變化。

2）當(dāng)隧道間距一定時(shí)，夾角在0°～45°時(shí)既有隧道受影響較大，當(dāng)夾角0°時(shí)，既有隧道受到的影響最大，當(dāng)夾角90°時(shí)，既有隧道受到的影響最小。

3）空間夾角決定了既有隧道受擾動(dòng)的模式，而兩隧道間的間距影響了受擾動(dòng)的程度。

[1]孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（4）：379-385.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.027

□史鵬/天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司。

□U459.3

□C

□1008-3197（2015）02-72-03

□2014-10-29

□牛俊濤/男，1986年出生，助理工程師，碩士，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事地鐵工程技術(shù)管理工作。