地鐵盾構隧道施工對鄰近已有隧道的影響分析

劉保東 王 銳 方 瑾 向芷良

(1.南寧城建管廊建設投資有限公司,南寧 530200; 2.上海同筑信息科技有限公司,上海 200090)

0 引 言

近年來,以地鐵為主的城市交通建設得到了迅速發展。隨著城市地下空間的進一步發展,新建隧道與既有隧道相互平行,上下垂直重疊,上下斜交。以往對隧道重疊問題的研究多為兩線交叉或平行交叉,而近年來對三線甚至多線重疊問題的研究較少。

在盾構隧道施工問題中的應用及研究成果主要有:利用“生死單元”可以模擬盾構開挖的過程[1],考慮襯砌管片結構的橫觀各向同性,應對其剛度進行折減[2],土壓平衡盾構機在砂性地層施工時,洞周應力釋放率大約為20%[3],當盾構開挖面土倉壓力大于土水壓力合力時,地面隆起量主要取決于隧道的埋深[4],既有隧道對其下方土壓力的橫向和深度影響范圍[5],近距離雙孔平行隧道開挖順序對襯砌結構軸力和彎矩的影響[6]。

國內外諸多學者對盾構穿越施工進行了研究,取得了一些有益成果:徐前衛等[7]研究了上海外灘觀光隧道上穿地鐵2號線兩條平行隧道復雜工況下盾構掘進施工的土體擾動特點。畢繼紅等[8]采用平面應變單元分析了近距離右線隧道開挖對左線既有隧道的影響問題。徐章杰[9]以北京地鐵15號線盾構穿越京承鐵路箱涵工程為背景,分析了盾構施工引起既有鐵路箱涵變形問題。與此同時,陶連金等[10]利用FLAC3D模擬了超近距離雙線隧道盾構施工的過程,分析了左、右隧道先后施工的相互影響,發現相鄰隧道盾構施工時,新建隧道對既有隧道的影響表現為應力的“提前到達”和變形的“滯后發展”。張海波等[11]修改三維非線性有限元程序TDAD,提出了一種能夠綜合考慮盾構施工過程中各種因素的三維有限元模擬方法,模擬了土壓平衡盾構推進、盾尾空隙和壓漿的過程,計算得到的隧道縱向地表沉降曲線接近于現場實測數據。Hage和Shahrour[12]利用有限元軟件分析了近距離隧道相對位置和施工順序對土體沉降以及應力的影響。Wang等[13]利用ABAQUS軟件分析了地下管線直徑、材料特性、埋藏深度及土體特性對城市地鐵隧道施工的影響。其他學者也利用有限元軟件對隧道的相對位置、相互作用等問題進行了研究[14-15]。

以上海某新建隧道上、下穿越既有運營隧道工程為背景,采用三維有限元數值軟件構建模型,結合土壓平衡盾構的施工特點,模擬盾構開挖施工步,分析了地表沉降規律以及土倉壓力對地表沉降的影響,對城市地鐵的設計和后續類似工程的施工具有理論研究和實踐指導意義。

1 工程概況

上海某新建隧道施工時,上、下行線盾構穿越某既有運營隧道,最小凈距分別為1.82 m、1.69 m。鄰近穿越段土體物理力學參數見表1。

表1土體物理力學參數

Table 1 Physical and mechanical parameters of the soil

2 有限元計算模型

2.1 建立模型

在盾構施工過程中,土壓平衡盾構機在土室中設置壓力傳感器,實時采集土倉壓力值,然后通過控制螺桿的開閉度來控制土室壓力,輸送閥和千斤頂的推力,從而保持開挖面的穩定性[9]。

為了研究土槽壓力對地面沉降的影響,本文建立的計算模型尺寸為80 m ×7.2 m ×60 m,即沿現有隧道方向80 m,沿新隧道方向7.2 m,沿深度方向60 m。模型的上表面設為自由邊界,側向約束為水平位移,底部約束為垂直位移。采用8結點實體單元C3D8R對土體、襯砌段、注漿層和盾殼進行模擬。土壤材料是理想的彈塑性介質。本構模型采用Drucker-Prager準則。混凝土襯砌段、注漿層、屏蔽殼采用線性彈性模型。。有限元網格劃分如圖1所示。

新建隧道襯砌外徑6.2 m,內徑5.5 m,管片每環寬度1.2 m,厚度0.35 m。等代層厚度取0.105 m。盾構隧道襯砌管片由鋼筋混凝土預制而成,混凝土強度等級為C55,彈性模量為3.55×104MPa,泊松比μ=0.2,密度ρ=2 500 kg/m3。襯砌管片之間以及管片環與環之間均采用高強螺栓連接,考慮盾構隧道管片拼裝對襯砌結構整體剛度的影響,取等效剛度折減系數為0.85,即襯砌管片的彈性模量E=3.02×104MPa。盾構外殼密度ρ=7 800 kg/m3,彈性模量E=2×105MPa,泊松比μ=0.3。土體重度γ=18kN/m3,黏聚力c=16 kPa,內摩擦角φ=15°,壓縮模量Es=3.36 MPa,彈性模量E=11.76 MPa,泊松比μ=0.28。注漿漿液不考慮其硬化過程,取彈性模量E=30 MPa,密度ρ=2 100 kg/m3,泊松比μ=0.25。

圖1 有限元網格劃分示意圖Fig.1 Mesh of calculation

2.2 盾構開挖過程模擬

有限元軟件采用剛度傳遞法模擬盾構施工過程,如剛度和荷載傳遞過程,如圖3所示。當盾構開挖被推進時,開挖面上的土體將被卸荷,盾構頭單元將從土體變為盾構殼,當盾構尾部出來時,相應的土體單元將被拆除,預置的注漿和襯砌單元將在相應處被激活[16]。

圖2 盾構施工單元材料示意圖Fig.2 Diagram of the elements properties

模擬的具體步驟為:

(1) 盾構機在土中推進,當推進到第n環時如圖3.5,第n環處把土體挖除,第n環等代層變為剛殼(彈性模量為200 GPa),同時在開挖面施加一個均布支護壓力,支護壓力為開挖面中心點水平土壓力的1.1倍。

(2) 此時第n-1環處為襯砌管片的拼裝并且注漿,這一環的等代層彈性模量由剛殼變為漿液(彈性模量為0.2 MPa),土體表面的法向作用注漿壓力,壓力大小也為開挖面中心點水平土壓力的1.1倍。

(3) 此時第n-2環的漿液彈性模量由開始注漿時的0.2 MPa逐漸硬化變為0.6 MPa。

(4) 此時第n-3環的漿液彈性模量由0.6 MPa逐漸硬化為1.2 MPa。

(5) 此時第n-4環的漿液彈性模量由1.2 MPa繼續硬化為5 MPa。

隨著盾構機向前推進,掘進的環數不斷往前增加,進行周而復始的循環,直到一條隧道開挖完成。需要提示的是:在實際盾構開挖工程中,為了使上方的土體和既有隧道微微隆起,開挖面支護壓力要比開挖面中心點水平土壓力要大,一般取其1.05-1.1倍。此處取為1.1倍。

3 地表沉降分析

3.1 地表橫向沉降槽

以第3環與第4環交界面處橫向地表沉降為研究對象,圖3為盾構開挖過程中地表橫向沉降曲線。

圖3 地表橫向沉降曲線Fig.3 Settlement of ground surface over tunnel

與Peck提出的盾構施工引起的地面橫向沉降曲線計算公式的結算結果相比較,本文得出的沉降曲線略有不同。隧道開挖過程中,盾構所在位置處地表出現沉降,相對于盾構中心位置,兩側地表出現局部隆起現象。盾構開挖結束后,隧道軸線相對于兩側表現出下沉趨勢,但地表整體表現為隆起趨勢。隧道軸線的橫向位置為42 m,此處隆起量為1.0 mm。兩側最大隆起量分別為4.0 mm和5.3 mm。

3.2 隧道頂部沿軸線位移

以新建隧道洞周頂部豎向位移為研究對象,圖4為洞周頂部沿隧道軸向的豎向位移。

圖4 隧道洞頂豎向位移Fig.4 Vertical settlement of tunnel

由圖4可以看出,第1環土體開挖,開挖面前方土體卸載,支護壓力施加后,第2環洞頂豎向位移最大,開挖面前方土體豎向位移逐漸減小。隨著盾構前行,開挖面前方最大豎向位移也隨之前行,開挖面后方洞頂豎向位移也隨之前移。必須指出的是,開挖面后方洞頂豎向位移隨著盾構前移,有逐漸反彈的趨勢,即表現為隆起。當土倉壓力等于開挖面平衡土壓時,地表的隆起和沉降值均為最小,故在盾構開挖過程中要不斷調節土倉壓力,以使開挖面維持穩定。限于本文隧道軸線方向模型長度較小,所取代表點有限,豎向位移曲線波動較大,但變化趨勢較為明顯。

4 土倉壓力的影響

如果土倉壓力大于開挖面土水壓力,地表就會隆起[18]。通過地應力平衡得到開挖面靜止土壓力均值為0.28 MPa,分析土倉壓力分別為0.25 MPa、 0.28 MPa、0.32 MPa及0.35 MPa時的計算結果。圖5為不同土倉壓力下隧道開挖結束后的豎向位移曲線。

由圖5可知,隨著土壓力的增大,隧道的軸向沉降明顯增大。當筒倉壓力為0.25 MPa時,軸向上抬升的平均值為0.7 mm,而0.35 MPa土倉壓力對應的軸向上抬升的平均值為5.0 mm。土壓力增加40%,軸向表面隆起增加600%。隨著土料筒倉壓力的增大,地表側向沉降量增大,呈上升趨勢。隧道軸線兩側的隆升幅度最大。當土倉壓力為0.25 MPa時,左側軸線為4.0 mm,右側軸線為5.3 mm;當土倉壓力為0.35 MPa時,左側軸線為6.1 mm,右側軸線為7.2 mm。軸左側隆起的最大值增加了52%,右側隆起的最大值增加了36%。隧道軸線的隆升由1.0 mm增大到5.3 mm。隨著土壓力的增大,隧道軸線與土體兩側的沉降差逐漸減小。可見,土倉壓力對地表沉降的影響較大,主要體現在隧道軸線、地表沉降和隧道軸線上。

圖5 不同土倉壓力下隧道沉降曲線Fig.5 Settlement curve of tunnel under different face pressure

5 結 論

針對土壓平衡盾構隧道上、下穿越既有隧道的工程實例,采用有限元數值軟件模擬了盾構開挖的具體過程,分析了盾構開挖過程中土體的擾動變形規律,特別是隧道軸向地表沉降、地表橫向沉降槽以及隧道軸向洞頂豎向位移,并研究了不同土倉壓力作用下的地表沉降規律。得出以下主要結論:

(1) 隧道軸向地表各點的豎向位移隨著開挖荷載步的增大而逐漸增大,表現為隆起趨勢。隧道開挖結束后,土倉壓力為0.28 MPa時,地表各點的隆起量在2.5 mm左右。

(2) 地表橫向沉降槽表現為隧道軸線兩側土體相對隆起的凹槽狀,且隨著荷載步的增大,地表橫向沉降表現為向上隆起的趨勢,開挖面后方土體隨著盾構的前移,有逐漸隆起的趨勢。

(3) 地表橫向沉降量隨著土倉壓力的增大而增大,表現為隆起趨勢。隧道軸線與兩側土體沉降量差值隨著土倉壓力的增大而減小。