土倉壓力對(duì)盾構(gòu)下穿公路引起地表變形的影響分析

梁 偉，席培勝

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

土倉壓力對(duì)盾構(gòu)下穿公路引起地表變形的影響分析

梁 偉1，席培勝2

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

為了研究土倉壓力對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工引起地表沉降的影響，以合肥軌道交通2號(hào)線青陽路站到西園路站區(qū)間盾構(gòu)施工為背景，基于Midas/GTS軟件，建立了盾構(gòu)下穿南一環(huán)道路的三維數(shù)值模型。通過模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：盾構(gòu)施工對(duì)隧道縱向上地表變形的影響主要發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后20 m范圍，且地表沉降速率隨著開挖面的接近而增大，遠(yuǎn)離而減小，直至沉降量趨于穩(wěn)定；土倉壓力的大小與地表變形具有一定的線性關(guān)系，既地表沉降量隨著土倉壓力的增大而減小，地表隆起量隨著土倉壓力的增大而增大；數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的沉降規(guī)律較吻合，模擬效果較好，這對(duì)合肥地區(qū)以后的類似工程具有一定的借鑒意義。

土倉壓力；數(shù)值模擬；地表沉降

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)與利用，城市地鐵網(wǎng)絡(luò)也在不斷發(fā)展與完善，而地鐵的修建往往需要下穿既有建(構(gòu))筑物，比如深圳地區(qū)地鐵一期工程天虹一崗廈區(qū)間隧道與民房樁基距離僅為0.31 m[1]。在地鐵隧道施工中，最主要的問題就是控制施工對(duì)周圍土體、地層的擾動(dòng)，從而減輕施工對(duì)既有建(構(gòu))筑物的影響。地層變形是盾構(gòu)施工對(duì)既有建(構(gòu))筑物的主要影響，控制地層變形顯得尤為重要，而影響地層變形的因素很多，主要有土倉壓力、注漿壓力、材料參數(shù)等。針對(duì)地層變形的影響問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究：周必凡[2](P208)等通過研究得出地層變形表現(xiàn)為地表沉降，沉降主要是隧道襯砌結(jié)構(gòu)與土體間的空隙引起的；陳亮[3]、李倩倩[4]等通過統(tǒng)計(jì)分析地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了地層與既有建(構(gòu))筑物的變形特征；紀(jì)梅[5]等利用有限元方法建立了三維數(shù)值模型，分析了圡倉壓力的大小對(duì)地表沉降的影響。

本文主要以合肥地鐵2號(hào)線青陽路站到西園路站區(qū)間盾構(gòu)施工為背景，采用數(shù)值模擬方法，并將模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，來研究土倉壓力的變化對(duì)地表變形的影響，為合肥地區(qū)以后類似工程土倉壓力的設(shè)置提供參考。

1 工程概況

合肥市地鐵2號(hào)線青陽路站到西園路站區(qū)間隧道工程采用盾構(gòu)法雙線施工，隧道右線里程：YSK25+496.237～YSK26+763.793，全長(zhǎng)1 267.556 m，在YSK26+606.222～YSK26+763.793段下穿南一環(huán)道路。

隧道下穿采用土壓平衡式盾構(gòu)施工，隧道圓外徑為12.56 m，隧道襯砌管片厚0.3 m，寬1.5 m，管片外徑6.0 m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12，管片采用3+2+1錯(cuò)縫拼裝的方式進(jìn)行安裝。盾構(gòu)下穿南一環(huán)道路主要穿越的地層為人工填土、黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

2 模型建立

2.1 模型尺寸及邊界條件

數(shù)值模擬選取里程為右線YSK26+699.529～YSK26+759.529路段，使用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維有限元建模及計(jì)算。計(jì)算模型尺寸根據(jù)力學(xué)原理應(yīng)取為隧道直徑的3倍以上，才能消除邊界的影響，按照隧道直徑12.56 m，模型尺寸取為50 m×60 m×50 m，隧道拱頂埋深18 m，如圖1所示。模型上表面為自由面，模型前、后、左、右側(cè)邊界施加水平法向約束，模型底面施加豎向法向約束，初始應(yīng)力條件按巖土體自重考慮[6]。

2.2 本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則

在低應(yīng)力情況下，巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合理想彈塑性模型，屈服規(guī)律符合Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。因此，在本次數(shù)值模擬過程中，各巖土體的本構(gòu)模型取彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。管片、樁變形主要處于彈性階段，它們的本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型。

圖1 盾構(gòu)下穿公路三維數(shù)值網(wǎng)格模型

2.3 模型計(jì)算參數(shù)

結(jié)合青陽路站到西園路站的地質(zhì)報(bào)告及類似工程的材料參數(shù)，得出本次模型的材料力學(xué)參數(shù)如下表1和表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 各材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 模型計(jì)算方案

模擬右線隧道縱向長(zhǎng)度為60 m，管片寬1.5 m，把兩個(gè)管片的寬度作為一次開挖的長(zhǎng)度，模型共劃分為20個(gè)開挖節(jié)段，如圖2所示，盾構(gòu)掘進(jìn)過程采用三階段法[7]循環(huán)進(jìn)行，直至右線開挖結(jié)束。

圖2 盾構(gòu)隧道模型

3 結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了隨時(shí)關(guān)注盾構(gòu)下穿過程中對(duì)地表變形的影響，施工單位在隧道上方路面布置了監(jiān)測(cè)斷面。模型選取橫斷面DBC53～DBC56進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖3所示，橫斷面之間距離20 m，每個(gè)橫斷面方向(橫向)設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5號(hào)測(cè)點(diǎn)位于下穿隧道中央，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離3～6 m不等。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面圖

3.2 土倉壓力值設(shè)定

通常，土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)施工時(shí)的土倉壓力會(huì)按刀盤前方的地層土壓力與靜水壓力之和進(jìn)行設(shè)定，從而使開挖面地層保持穩(wěn)定。根據(jù)紀(jì)梅等對(duì)土倉壓力值得研究分析[5]，土倉壓力P與土體的自重應(yīng)力σz有如下關(guān)系：

(1)

式中:k0為假定的土倉壓力P與土體自重應(yīng)力σz的關(guān)系系數(shù)。

為了分析土倉壓力的大小對(duì)地表沉降的影響，模型對(duì)k0為0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0時(shí)的土倉壓力進(jìn)行了模擬計(jì)算。

3.3 對(duì)比分析

3.3.1 實(shí)測(cè)對(duì)比

盾構(gòu)施工中，土倉壓力的取值應(yīng)等于或接近刀盤前方巖土體的靜止土壓力，取k0=0.7時(shí)的土倉壓力進(jìn)行模擬并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，由于數(shù)值模型中各材料的參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系的選取與實(shí)際略有出入，以及實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)的誤差，導(dǎo)致了模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異性，但整體沉降趨勢(shì)上表現(xiàn)一致，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖4 橫斷面DBC54與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果

圖5 橫斷面DBC55與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果

3.3.2 土倉壓力影響分析

隧道中軸線上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC54-5和DBC55-5在不同的土倉壓力下隨著盾構(gòu)掘進(jìn)造成地表變形特征如圖6和圖7所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC54-5地表變形曲線

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC55-5地表變形曲線

從圖6和圖7可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表變形主要發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后(隧道縱向)20 m范圍。圖6中，隧道開挖到距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)前20 m時(shí)，k0取0.3、0.5、0.7、1.0時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表發(fā)生輕微的沉降；k0取1.5和2.0時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表首先發(fā)生輕微的隆起；圖7中，除了k0取0.3時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表發(fā)生沉降外，k0取其它值時(shí)，地表都是發(fā)生輕微的隆起，以k0取2.0時(shí)隆起最大。 而導(dǎo)致這兩幅圖形差異性的原因主要是因?yàn)槟Ｐ瓦x取的開挖面與DBC54斷面之間的距離只有20 m，這樣就忽略了盾構(gòu)在距離斷面20 m之前施工的影響。從兩幅圖形中可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖面到監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間距離的減小，地表沉降速率不斷變大，當(dāng)開挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)，地表沉降速率達(dá)到最大，地表沉降最快。隨著開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表沉降速率不斷減小直至為零，當(dāng)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)超過20 m后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降趨于穩(wěn)定，基本保持不變。

圖8和圖9是監(jiān)測(cè)斷面DBC54和DBC55在不同土倉壓力下的地表變形情況。從圖中可以看出，k0的取值對(duì)地表變形的影響很大，當(dāng)k0取0.3時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面DBC54、DBC55的最終沉降量最大，沒有發(fā)生隆起；而當(dāng)k0取2.0時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面的最終沉降量最小，且監(jiān)測(cè)斷面DBC55發(fā)生了輕微的隆起。k0取0.5、0.7、1.0以及1.5時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面DBC54表現(xiàn)為k0越大，沉降量越??；而監(jiān)測(cè)斷面DBC55表現(xiàn)為沉降曲線基本重合。造成兩幅圖差異性的原因主要是由于數(shù)值模擬時(shí)忽略了距離監(jiān)測(cè)斷面20 m之前的影響，造成監(jiān)測(cè)斷面整體隆起量較小，沉降量偏大。當(dāng)土倉壓力取值過小或過大時(shí)，都會(huì)對(duì)盾構(gòu)刀盤前方土體造成無法挽回的沉降或者隆起，并對(duì)既有建(構(gòu))筑物造成極大的破壞，選取合適的土倉壓力對(duì)盾構(gòu)施工的安全和效率至關(guān)重要。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面DBC54地表變形曲線

圖9 監(jiān)測(cè)斷面DBC55地表變形曲線

4 結(jié)論

(1)本文利用三維數(shù)值模型對(duì)盾構(gòu)下穿公路引起地表沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合的結(jié)果，對(duì)合肥地區(qū)以后類似工程具有一定的借鑒意義。

(2)通過模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出了盾構(gòu)施工對(duì)隧道縱向上地表變形的影響主要發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后20 m范圍內(nèi)，且引起地表最大沉降一般發(fā)生在隧道中央上方。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率隨著開挖面的接近而增大，遠(yuǎn)離而減小，直至沉降趨于穩(wěn)定。

(3)土倉壓力的大小直接影響到工程及既有建(構(gòu))筑物的安全性，當(dāng)土倉壓力取值過大時(shí)，會(huì)造成盾構(gòu)刀盤前方土體的破壞性隆起；土倉壓力過小時(shí)，會(huì)造成沉降量過大，這兩種情況都會(huì)對(duì)地表及建筑物產(chǎn)生一定的安全隱患。通過模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，盾構(gòu)下穿南一環(huán)道路過程中的適當(dāng)土倉壓力的k0建議取值在0.5～1.0之間，這時(shí)的土倉壓力對(duì)地表隆起和沉降量的影響都較小，可以有效的保證道路和盾構(gòu)施工的安全性。

[1]楊永平，周順華，莊麗．軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近接樁基數(shù)值分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(4)：561-565.

[2]周必凡，李德基，羅德富，等．泥石流防治指南[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

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[7]張恒.下穿立交橋盾構(gòu)隧道掘進(jìn)控制技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)(碩士學(xué)位論文)，2009.

Analysis on the Impact of Surface Deformation Caused by the Earth Pressurein Soil Warehouse when the Shield Machine Undercrossing Highway

LIANG Wei1, XI Peisheng2

(1.AnhuiProvincialKeyLaboratoryofBuildingStructureandUndergroundEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China;2.CivilEngineeringSchool,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

In order to study the effect of stratum displacement of EPB shield construction caused by the earth pressure in soil warehouse. The three-dimensional model of shield undercrossing the south ring road highway is established based on Midas/GTS in the background of shield driving through Hefei metro line 2 Qingyang Road station to Xiyuan Road station interval. By comparing the simulation results with the field monitoring results, the following conclusions are drawn: The influence of shield construction on the longitudinal deformation of the tunnel is mainly in the range of 20m before and after the monitoring points, and the surface subsidence rate increases with the approaching of the excavation surface, and away from decreases until the settlement becomes stable. The size of the earth pressure in soil warehouse and surface deformation showed a linear relationship, the size of the earth pressure decreases with increasing the amount of surface subsidence，the surface uplift amount increases with the increasing the size of the earth pressure. The numerical simulation results agree well with the measured results, simulation effect is better, for the future similar project has some reference significance.

shield tunneling; the earth pressure in soil warehouse; ground settlement

2017-03-31

合肥市軌道交通建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)控制課題研究(2014CGFZ3107)。

梁偉(1992-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)工程；席培勝(1969-)，男，安徽滁州人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：地下結(jié)構(gòu)工程、地基處理和環(huán)境巖土工程。

TU941

A

1009-9735(2017)02-0138-04