淺埋類矩形與單圓盾構(gòu)隧道施工影響對比分析

彭領(lǐng)根

摘? 要：隨著地下空間的開發(fā)利用，能提高地下空間利用率的類矩形盾構(gòu)在隧道工程中普及開來，但類矩形盾構(gòu)在較淺土層的施工影響仍值得研究探討。文章通過軟件模擬盾構(gòu)施工過程，與傳統(tǒng)單圓雙線隧道對比分析了類矩形隧道在淺埋情況下的施工影響。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;類矩形盾構(gòu);影響分析

中圖分類號：U455.43 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0110-02

Abstract： With the development and utilization of underground space， quasi-rectangular shield， which can increase the interest rate of underground space， is widely used in tunnel engineering. However， the construction effect of quasi-rectangular shield in shallow soil is still worth studying and discussing. In this paper， the construction process of shield tunneling is simulated by software， and the construction effect of quasi-rectangular tunnels under shallow burial is compared with that of traditional single-circular double-track tunnels.

Keywords： shield tunnel; quasi-rectangular shield; impact analysis

隨著城市交通的發(fā)展，發(fā)達的地下軌道交通已經(jīng)成為一個城市發(fā)展繁榮的重要標(biāo)志之一。在地下軌道交通的建設(shè)中，盾構(gòu)法施工因其施工速度快，對周圍影響小的特點成為隧道工程首選的施工方法。圓形截面盾構(gòu)隧道因其結(jié)構(gòu)受力合理，施工中受盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)影響及土層摩擦阻力較小，廣泛應(yīng)用于隧道工程施工，但是圓形隧道的空間利用率較低，現(xiàn)今在視寸土為寸金的發(fā)達城市這種截面形狀的盾構(gòu)方法較為不經(jīng)濟且浪費地下空間資源。因此，既能保證應(yīng)有的使用功能，又能節(jié)約地下空間的異形斷面隧道不斷被研發(fā)出來，類矩形隧道便是其中應(yīng)用較多的一種。類矩形隧道不僅斷面面積較小，且盾構(gòu)施工一次便可建成，對周圍環(huán)境影響較小。由于盾構(gòu)施工造成的影響與隧道埋深有不可忽略的關(guān)系，故本文通過有限元軟件midas GTS模擬探究了類矩形隧道在淺埋情況下施工是否比傳統(tǒng)單圓雙線隧道影響小。

1 建立盾構(gòu)施工模型

1.1 模型材料參數(shù)

為使兩種盾構(gòu)是在相同的環(huán)境下施工，故模型采用同一種土體來模擬，為了更清晰地對比兩種界面類型的盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響，模型中使盾殼、管片和注漿的彈性模量較大，土體彈性模量較小，可減小因兩種隧道管片、注漿受圍巖土體的壓力產(chǎn)生變形引起土層沉降的影響。模型中個材料參數(shù)如表1。

1.2 模型尺寸參數(shù)

土體模型大小為120×100×45（長×寬×高，單位m），類矩形及單圓雙線隧道截面大小如圖1，類矩形隧道管片厚450mm，立柱厚359mm;單圓隧道管片外直徑62m，厚300mm，兩隧道中心距離12m;兩種隧道管片都為12m，注漿層厚30mm，上覆土厚度5m。

為真實模擬施工過程，利用對單元的激活與鈍化功能，使每個施工步盾構(gòu)掘進兩個襯環(huán)，類矩形隧道為一次施工完成，單圓隧道分為左右同時，右線先于左線10、20、30施工步，右線施工完成左線開始（快60步），五種施工方案來模擬雙線隧道的施工。

2 模型結(jié)果分析

2.1 橫向土體變形分析

隧道施工過程中無論何種截面類型的盾構(gòu)向前掘進都會擾動周圍的土層，從而引起地表沉降，盾構(gòu)經(jīng)過后會在地面橫斷面方向形成沉降曲線。類矩形隧道和單圓雙線隧道不同順序施工造成橫向土體變形如圖2所示，類矩形隧道沉降曲線近似于“V”形，在隧道中心處發(fā)生最大沉降，沉降值達21mm;單圓雙線隧道在埋深5m的情況下施工，對土體造成的沉降曲線近似為“W”形，變形較大的位于兩條隧道上方位置，五種施工方案產(chǎn)生的沉降曲線較為接近，最大沉降值為4.3mm。

明顯可對比出在淺層5m埋深的情況下，類矩形隧道施工產(chǎn)生的沉降要比單圓雙隧道大，但類矩形隧道沉降槽寬度要小于單圓雙線隧道。其原因可能由于隧道埋深較淺，隧道上覆土體無法形成拱結(jié)構(gòu)，單圓隧道單個施工時開挖面積較小，對上部土體擾動較小，而類矩形隧道為一次開挖，淺層土體中施工對上部土體擾動較大。

2.2 縱向土體變形分析

盾構(gòu)在掘進過程中會對掌子面前方土體造成擠壓或土體損失，從而引起地表隆起或沉降;盾構(gòu)機后方土體由于注漿壓力，摩擦阻力等原因造成的土體擾動也會造成土體的后期沉降。如圖3為類矩形隧道施工在縱斷面對土體造成的影響，選取單圓雙線隧道五種施工方案中雙線同時施工和發(fā)生沉降最大的方案與其對比;圖中橫坐標(biāo)表示距離掌子面的距離（盾構(gòu)前方為正），縱坐標(biāo)表示地表沉降值;從圖中可以明顯比較出，類矩形盾構(gòu)前方土體發(fā)生隆起，且在挖掘面位置發(fā)生明顯急劇沉降，而兩種方案的單圓隧道相對沉降較小;這是由于淺層土較容易擾動，而類矩形隧道開挖面較為集中，開挖面出現(xiàn)大面積的土體壓力不均勻，土體受擾動較大，則沉降較大。

在圖3還可發(fā)現(xiàn)在類矩形盾構(gòu)機后方土體沉降波動較大，而單圓隧道在盾構(gòu)通過后沉降會逐漸趨于平緩。這種現(xiàn)象除了土體受擾動較大的原因外，還可能與類矩形盾構(gòu)注漿面積較大，注漿壓力和周圍土壓很難在短時間內(nèi)達到平衡有關(guān)，大面積的土體受擾后發(fā)生固結(jié)也是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因，具體是哪種因素占主導(dǎo)因素后續(xù)研究可深入探究該問題。

3 結(jié)論

通過模擬類矩形及單圓雙線隧道在淺層土層中施工，對比分析了類矩形盾構(gòu)施工對土體產(chǎn)生的影響，結(jié)論如下：

（1）類矩形盾構(gòu)施工產(chǎn)生橫向土體沉降曲線近似“V”形，且沉降值遠大于單圓雙線隧道，但其沉降槽寬度較小。

（2）類矩形盾構(gòu)前方土體受干擾范圍較大，盾構(gòu)后方土體沉降趨于穩(wěn)定速度較慢。

可知在淺層施工的類矩形隧道造成的影響同單圓雙線隧道相比較大，對施工控制要求較高。

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