近距離平行盾構(gòu)隧道施工引起的土體沉降位移規(guī)律研究*

武鐵路

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，101100，北京//高級(jí)工程師)

0 引言

盾構(gòu)法是建設(shè)城市軌道交通的主要方法，但復(fù)雜地層施工時(shí)，盾構(gòu)施工容易導(dǎo)致土體發(fā)生變形，甚至引起地面塌陷、建筑物倒塌等事故。相比單線盾構(gòu)隧道，雙線平行盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的最大沉降量和沉降槽更大，對地面影響更嚴(yán)重。因此開展近距離平行盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降規(guī)律研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者都對盾構(gòu)隧道引起的地面沉降規(guī)律開展了研究。文獻(xiàn)[1]在大量觀察和實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，認(rèn)為單線盾構(gòu)掘進(jìn)形成的地面沉降槽的分布形式為正態(tài)分布并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，其后很多人在Peck公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。如：文獻(xiàn)[2]結(jié)合Peck公式和超幾何方法，提出了雙線平行盾構(gòu)施工引起地面沉降的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[3]結(jié)合Peck公式和和單線盾構(gòu)引起三維土體沉降的計(jì)算方法，推導(dǎo)出了雙線平行盾構(gòu)施工引起的三維深層土體沉降計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4]利用改進(jìn)的Peck公式和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在雙孔平行盾構(gòu)隧道中，隧道間距越大，沉降曲線特征呈“W”形越明顯。這些研究對Peck公式的修正擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，但這些研究多為經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)際上，也有一些專家進(jìn)行了理論研究。如：文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]將隨機(jī)介質(zhì)理論分別用于武漢地鐵、西安地鐵盾構(gòu)施工引起的地面沉降預(yù)測中；文獻(xiàn)[7]利用復(fù)變函數(shù)分析方法得到了隧洞的應(yīng)力場和位移場的計(jì)算公式，并分析了埋深、泊松比對位移場的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[8]利用解析延拓法和Schwarz交替法得到了任意形狀、任意尺寸的雙隧道在任意相對位置下的位移解。除上述方法外，數(shù)值模擬法在分析近距離平行盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降規(guī)律時(shí)也取得廣泛應(yīng)用。如：文獻(xiàn)[9]利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了黏性土層條件下雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)隧道的斷面大小和相對位置對地表沉降特征的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最大沉降量和地表沉降曲線的不對稱性隨著隧道斷面的增大而增大；文獻(xiàn)[10]利用MIDAS/GTS軟件分析了雙線盾構(gòu)隧道主要施工參數(shù)對路基沉降的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[11]運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件分析了注漿和未注漿兩種情況下雙線盾構(gòu)隧道施工對既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。另外，文獻(xiàn)[12]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法用于盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降的預(yù)測中，并取得了良好的預(yù)測效果。

本文以廣州地鐵9號(hào)線4標(biāo)段馬蓮盾構(gòu)區(qū)間為背景，利用Plaxis 3D Tunnel有限元對近距離平行盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測分析隧道施工過程中單線開挖和雙線開挖地面沉降規(guī)律，研究體積損失率對近距離平行盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的影響規(guī)律。

1 工程概況

馬蓮盾構(gòu)區(qū)間為雙向平行隧道，區(qū)間線路總體呈東西向，穿越花都城區(qū)，宏觀上處于廣花盆地的北部，總地勢由北東向西南微傾。從線路穿越的剖面上看，清布一帶地勢較高(地面高程為13.0～14.2 m)，其余地段相對較為平坦。線路大部分地段為沖洪積平原。盾構(gòu)隧道的直徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m；管片寬度為1.5 m，厚度為0.3 mm；每環(huán)6片錯(cuò)縫拼裝；盾構(gòu)隧道上覆土厚度為10 m，左右線的軸間距為13 m。在距離左線隧道軸線左側(cè)21 m的位置處有一棟建筑。該盾構(gòu)區(qū)間地層主要包括人工填土層(Q4ml)、沖積-洪積層(Q3+4al+pl)、殘積土層(Qel)、巖石風(fēng)化帶。整個(gè)線路無崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。沿線路大部地段分布的基巖是石炭系中上統(tǒng)壺天群灰?guī)r或石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組灰?guī)r，灰?guī)r中溶洞發(fā)育，巖溶和地面塌陷是本線路的主要不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。在盾構(gòu)施工前，對溶洞均已進(jìn)行填充處理；處理后的檢測數(shù)據(jù)表明，填充后的溶洞具備相當(dāng)?shù)墓こ坛休d能力。

2 馬蓮盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬分析

2.1 馬蓮盾構(gòu)隧道數(shù)值模型構(gòu)建

本文利用Plaxis 3D Tunnel軟件模擬馬蓮區(qū)間盾構(gòu)隧道施工，模型全長125 m，高度為22 m。地層由上至下共劃分為5層，分別是2 m厚的人工填土層、4 m厚的中粗砂層、3 m厚的沖擊-洪積粉質(zhì)黏土層，3 m厚的可塑狀殘積土層，以及10 m厚的下伏基巖微風(fēng)化石灰?guī)r層。地下水位設(shè)置在-2 m的深度。建筑物采用條形基礎(chǔ)，位于模型縱向中心位置，長度設(shè)為20 m，寬度設(shè)為18 m，基礎(chǔ)埋深設(shè)為2 m。左、右線隧道在縱向上延伸40 m。模型的剖面圖和俯視圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 馬蓮盾構(gòu)隧道數(shù)值模型剖面圖

模擬時(shí)采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，條形基礎(chǔ)采用板單元進(jìn)行模擬，建筑物本身則采用剛性板來代替，上層建筑物的荷載則用剛性板的自重來替代，隧道的襯砌采用Plaxis 3D Tunnel中的隧道單元

圖2 馬蓮盾構(gòu)隧道數(shù)值模型俯視圖

進(jìn)行模擬，土體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)單元的計(jì)算參數(shù)如表1和表2所示。計(jì)算時(shí)，在應(yīng)力平衡后先激活右線隧道，模擬右線隧道盾構(gòu)施工，研究右線隧道穿越時(shí)土體的變形規(guī)律；然后再激活左線隧道，模擬左線隧道盾構(gòu)施工。

2.2 隧道穿越地面模擬結(jié)果分析

2.2.1 右線穿越地面后的位移分布規(guī)律

根據(jù)馬蓮盾構(gòu)隧道數(shù)值計(jì)算模型，得到右線貫通體積損失率為2.0%的模型位移圖，如圖3所示。由圖3可以看出，整個(gè)建筑物的基礎(chǔ)沉降均在14.2 mm左右，左右邊緣偏差小于0.1 mm。由于建筑物使用埋深2 m的淺基礎(chǔ)，因此對周邊土體的影響范圍較小，基本在建筑邊沿的6 m以內(nèi)，是基礎(chǔ)埋深的3倍。右線隧道穿越引起的最大地表沉降約為8 mm，對土體的影響范圍約為軸線兩旁23 m以內(nèi)，約等同于2倍的盾構(gòu)隧道中心的埋深。中心軸距其13 m的鄰近尚未開挖左線隧道的軸線位置處的地表沉降變化較小；右線隧道穿越產(chǎn)生的土體水平位移方向上向隧道軸線聚攏，分布上基本是以隧道軸線為中心對稱分布，向兩邊擴(kuò)散，形狀上呈現(xiàn)出“蝶”型。隧道下部是強(qiáng)度較強(qiáng)的微風(fēng)化石灰?guī)r，因此水平位移最大的位置基本集中在隧道中部邊沿的殘積土層中。地面的水平位移則隨著遠(yuǎn)離隧道軸線呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

表1 馬蓮盾構(gòu)隧道土層力學(xué)參數(shù)表

表2 馬蓮盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)表

2.2.2 雙線穿越地面后的位移分布規(guī)律

圖4為雙線貫通體積損失率均為2.5%時(shí)的模型位移圖。由圖4可以看出，雙線隧道施工使左右兩線隧道的沉降槽互相重合形成了一個(gè)新的呈現(xiàn)“W”型的沉降槽，隧道周邊土體的豎向位移基本是以雙線隧道中線為中線對稱分布，但沉降槽的兩個(gè)谷底都偏離了左、右線隧道的軸線，而是向中線位置靠攏。雙線隧道造成的土體水平位移基本是單個(gè)隧道施工產(chǎn)生的“蝶形”分布的土體水平位移的疊加。左線隧道由于臨近建筑物對土體水平位移的約束，影響區(qū)域出現(xiàn)“下探”的現(xiàn)象。此外，土體水平位移的最大值均發(fā)生在下伏基巖上方殘積土層隧道襯砌周圍的土體。

a) 整體豎向位移

b) 截面豎向位移

c) 截面水平位移

a) 整體豎向位移

b) 截面豎向位移

c) 截面水平位移

2.3 體積損失率對地面沉降規(guī)律的影響

為了模擬真實(shí)施工條件下的地層損失，分析地層損失對地面沉降規(guī)律的影響，進(jìn)行了右線隧道體積損失率分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%，以及右線隧道的體積損失率為2.5%時(shí)左線隧道體積損失率分別為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，得到不同體積損失率情況下地面沉降和地表影響范圍的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5 a)可以看出，右線貫通后，地表沉降以隧道軸線為中心呈正態(tài)分布。隨著體積損失率增大，正態(tài)分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增大，沉降槽的影響范圍增長較緩慢，但中心處的地表沉降發(fā)展十分劇烈。從圖5 b)可以看出，在右線隧道體積損失率一定時(shí)，隨著左線隧道體積損失率的增大，沉降槽中線逐漸接近左線隧道的軸線位置，沉降槽最大沉降量出現(xiàn)位置也隨之移動(dòng)；當(dāng)左線隧道的體積損失率與右線隧道的體積損失率相等時(shí)，地表沉降基本上對稱分布，二者軸線的沉降量也基本相同。從圖5 c)可以看出，隨著體積損失率的增大，右線隧道單獨(dú)穿越產(chǎn)生的土體水平位移在橫向上的影響區(qū)域也不斷增大，但增長速率不斷降低；當(dāng)體積損失率增長至2%以后，影響區(qū)域在軸線以右繼續(xù)延伸到23 m左右后開始保持穩(wěn)定，在軸線以左則受建筑物的限值保持在21 m左右。因此可以認(rèn)為，右線隧道單獨(dú)施工對土體水平位移的影響區(qū)域基本保持在軸線兩旁23 m的范圍以內(nèi)。對雙線隧道施工來說，左線隧道體積損失率的增加對影響范圍的擴(kuò)大影響十分微小，但是其水平位移影響區(qū)域相較單線穿越時(shí)隧道軸線向兩邊擴(kuò)展23 m提高到了26 m左右。

表3 不同體積損失率下模型計(jì)算結(jié)果表

右線貫通和雙線貫通情況下位移隨地層損失率的變化規(guī)律如圖6所示。以此進(jìn)一步分析體積損失率對右線貫通和雙線貫通后地面沉降規(guī)律的影響。

由圖6可以看出，右線貫通時(shí)，體積損失率從1.0%每提高0.5%，沉降槽中心的地表沉降則從8.0 mm依次增加了4.0 mm、5.4 mm、7.1 mm、9.1 mm以及19.4 mm。可以發(fā)現(xiàn)，隨著體積損失率的增大，地表沉降的發(fā)展逐漸加速；當(dāng)體積損失率超過3.0%后，地表沉降開始急劇增加。土體的最大水平位移同樣隨著體積損失率的增加而增加，增加速度也逐漸加快；當(dāng)體積損失率超過3.0%后，水平位移發(fā)展劇烈。這一規(guī)律與土體豎向位移的發(fā)展也是相符合的。但對于左線貫通而言，體積損失率的變化對水平位移的影響較小，而且土體的最大水平位移相較右線隧道單線穿越(體積損失率取2.5%)時(shí)產(chǎn)生的32.54 mm最大水平位移均有一定程度的減小。

注：x為體積損失率

a) 右線隧道斷面沉降槽

注：x為左線體積損失率

b) 雙線隧道斷面沉降槽

c) 水平范圍

圖6 不同體積損失率下右線和雙線貫通后位移

當(dāng)左線隧道的體積損失率取1.5%、2.0%時(shí)，左線隧道軸線位置的地表沉降分別是-15.2 mm、-19.8 mm，相較右線隧道在相同隧道收縮量下單線穿越時(shí)的軸線位置沉降量-12.0 mm、-17.4 mm有所提高；但右線隧道軸線位置的地表沉降分別為-24.5 mm、-25.1 mm，與右線隧道在相同隧道收縮量單線穿越時(shí)的沉降槽-24.5 mm相比變化不大。當(dāng)左線隧道的體積損失率取2.5%時(shí)，左線、右線隧道軸線位置地表沉降分別為-26.5 mm、-27.5 mm，相較左線開挖前右線隧道軸線位置的地表沉降量-24.5 mm有少量增加；當(dāng)左線隧道的體積損失率取3.0%、3.5%時(shí)，左線隧道軸線位置地表沉降依次增加到-35.3 mm、-40.9 mm，而右線隧道軸線位置地表沉降增加到-31.2 mm后基本保持穩(wěn)定。

3 馬蓮盾構(gòu)隧道地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

施工過程中監(jiān)測了左右兩線的盾構(gòu)推力和位移情況，其中左線、右線平均盾構(gòu)總推力分別為8 783.2 kN和9 383.3 kN。右線隧道單線穿越和雙線穿越后4個(gè)隧道斷面沉降槽的現(xiàn)場監(jiān)測情況與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖如圖7所示。由圖7可以看出，右線穿越后4個(gè)點(diǎn)的地表沉降的監(jiān)測值基本符合正態(tài)分布的規(guī)律，軸線位置的沉降量分別是-30.4 mm、-23.1 mm、-27.8 mm和-19.1 mm。現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果雖然并不能與數(shù)值模擬的結(jié)果直接等同，但從4個(gè)點(diǎn)的地表沉降變化綜合來看，與體積損失率取2.5%時(shí)的沉降槽曲線擬合程度最好。雙線穿越后，地表沉降雖然并不完全符合理論上的正態(tài)分布曲線，但其基本規(guī)律還是與理論預(yù)測的結(jié)果保持一致，如：雙線隧道的沉降槽大體上還是符合距離隧道軸線位置越遠(yuǎn)沉降量較小，右線隧道軸線位置地表沉降量在左線穿越后有少量增加。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果也表明，雙線隧道施工產(chǎn)生的地表沉降槽中，地表沉降最大的位置往往出現(xiàn)在雙線隧道軸線的中間區(qū)域，而不再是隧道軸線位置處。從沉降槽最大沉降量的發(fā)生位置，大致可以判斷左線隧道穿越時(shí)發(fā)生的地層損失略小于右線隧道，考慮左、右線施工時(shí)又具有一定的相似性，左線的體積損失率應(yīng)該在2.4%左右。

a) 右線隧道

注：x為體積損失率

圖7 隧道斷面沉降槽實(shí)測與模擬結(jié)果

4 結(jié)論

本文以廣州地鐵9號(hào)線4標(biāo)段馬蓮盾構(gòu)隧道施工為工程背景，通過數(shù)值計(jì)算分析了隧道施工過程中單線開挖和雙線開挖地面沉降規(guī)律，研究了體積損失率對近距離平行盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的影響，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。