臨近隧道盾構(gòu)施工對地表沉降的影響

嚴(yán) 明,匡星晨

(1.太湖縣建設(shè)安全和人防工程維護管理站，安徽 太湖 246400；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 合肥 231603)

0 前 言

近年來，地下工程中關(guān)于盾構(gòu)施工對周邊地表影響的分析研究非常多，但是對于臨近隧道盾構(gòu)開挖對地表的影響研究分析還是較少的，本文通過有限差分軟件FLAC3D參考實際工況進行了建模和數(shù)值模擬，研究在隧道左線和右線分別循環(huán)進尺的開挖過程中，對地層產(chǎn)生的擾動，并且這種影響還將隨著開挖過程不斷地發(fā)生變化[1]。

1 工程概況

1.1 工程周邊環(huán)境

本文以合肥地鐵5號線下穿1號線盾構(gòu)施工段為工程背景，基于盾構(gòu)施工對周邊地表的影響進行模擬分析。1號線為既有的雙線隧道，隧道外徑為6 m，兩線之間的距離設(shè)置為11 m，5號線為盾構(gòu)開挖段，外徑也為6 m，兩線距離為3 m，1號線和5號線垂直距離為3 m，此時研究5號線盾構(gòu)施時與1號線的平行段。

1.2 模型參數(shù)

根據(jù)實際的工程概況，可以將土體分為5層，土層參數(shù)按照勘察報告中取值，按照摩爾庫倫準(zhǔn)則[2-4]進行賦值，土層參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型的建立

本文使用有限差分軟件FLAC3D進行模擬分析。根據(jù)研究內(nèi)容選取模型整體尺寸為91 m×120 m×50.5 m的長方體，土層根據(jù)地質(zhì)條件分為5層。模型邊界條件為：盾構(gòu)隧道在彈性力學(xué)中為平面應(yīng)變問題，所以對于為盾構(gòu)隧道掘進的方向，前后面(Y=0，Y=120)約束其Y方向的法向位移；在構(gòu)建模型時已經(jīng)考慮了3～5倍洞徑范圍內(nèi)應(yīng)力釋放，所以左右面(X=-40.5，X=40.5)不考慮模型的X方向的位移，所以約束其X方向的方向位移；底面為主要持力層，且已經(jīng)考慮了對豎向方向的影響范圍，所以對底面(Z=0)約束其Z方向的位移；上表面為自由地表，不考慮其約束條件，對其不進行約束。模型圖如圖1所示。

圖1 模型整體

2.2 計算基本假定

為了使三維模型計算具有可行性，設(shè)定如下[5]：①混凝土接縫、襯砌結(jié)構(gòu)均為線彈性材料；②地表面和土層均為均質(zhì)水平層狀分布；③未考慮水壓力和土體加固因素的影響；④只考慮盾構(gòu)推進為空間位移變化，不考慮時間效應(yīng)。

2.3 工況設(shè)計

本文從左右線分別盾構(gòu)開挖以及控制開挖掘進距離兩個方面來研究盾構(gòu)開挖對周邊地表的影響規(guī)律，對其計算結(jié)果進行分析。

3 計算結(jié)果分析

3.1 1號線雙線開挖完成后地表沉降的規(guī)律

1號線雙線開挖完成后對周圍地表沉降的影響如位移云圖2所示。

圖2 1號線雙線開挖完成后位移云圖

1)由圖2可知，隧道在開挖掘進的過程中會不可避免地對周圍的土體造成擾動，這主要是由于開挖后地層損失和土體的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的，因而產(chǎn)生了地表的沉降。在5號線未開挖，1號線雙線貫通后，由于1號線為雙線隧道，地表沉降呈現(xiàn)“W型槽”的趨勢，地表最大沉降位置分別在兩線的軸線處，而兩線的中心線的沉降并不是地表最大沉降位置所在。

2)由隧道的豎向位移云圖2可以看出，1號線貫通后，隧道上方土體產(chǎn)生明顯的沉降，而隧道底部土體由于地層應(yīng)力的瞬間釋放而產(chǎn)生回彈導(dǎo)致土體向上位移隆起。在遠離隧道拱頂?shù)牡乇沓两底畲螅娇拷淼拦绊敵两抵翟叫　?/p>

3.2 5號線右線循環(huán)進尺開挖后地表沉降的規(guī)律

1)由圖3可知，在5號線右線開挖過程中，地表沉降發(fā)育靠近5號線右線并隨著掘進方向同時發(fā)育，5號線右線貫穿后，地表沉降呈現(xiàn)“V型槽”的趨勢，沉降最大位置偏離五號線中心線靠右，這是由于右線的開挖導(dǎo)致土層的應(yīng)力釋放，土層將會向應(yīng)力釋放的位置發(fā)生移動并達到二次平衡狀態(tài)。

圖3 5號線右線開挖60 m時地表沉降與5號線中心距離關(guān)系

2)由圖3可以看出，在5號線右線開挖過程中，地表沉降的最大值在離5號線中心距離12 m處左右，最大沉降值為3.74 mm。在開挖過程中，當(dāng)5號線右線掘進到67.5 m處時，沉降基本發(fā)育完全。

3.3 5號線左線循環(huán)進尺開挖后地表沉降的規(guī)律

1)由圖4可以看出，5號線左線掘進時，地表沉降繼續(xù)發(fā)育，左線貫通后其最大沉降位置較只開挖右線相比靠近中心線，這是由于在開挖5號線右線后土層中產(chǎn)生較大的塑性破壞，導(dǎo)致在后期開挖5號線左線時，土體的應(yīng)力釋放不再敏感，所以左線開挖完畢后，最大沉降的位置仍然靠近5號線的右線，而不是對稱分布。

圖4 5號線左線開挖60 m時地表沉降與5號線中心距離關(guān)系

2)在5號線左線開挖過程中，地表沉降的最大值在離5號線中心距離4 m處左右，最大沉降值為8.19 mm,當(dāng)左線掘進到60 m處時，沉降基本發(fā)育完全。地表沉降發(fā)育是一個緩慢的過程，主要是由于應(yīng)力釋放及土層損失所導(dǎo)致，由于在盾構(gòu)工程中，襯砌施作迅速能有效地抵抗應(yīng)力的快速釋放，所以地表沉降不是馬上達到最大值，而是緩慢發(fā)育的過程，其隨著盾構(gòu)的推進緩慢發(fā)育，一般在10～14倍洞徑的范圍以后不再發(fā)育，此時應(yīng)力完全釋放，由襯砌管片和原有土層共同承擔(dān)，地層損失在原有范圍內(nèi)也不再發(fā)生，此時地表沉降將達到最大值，且不會再發(fā)育。

3.4 5號線雙線開挖完成后地表沉降的規(guī)律

1)由圖5可知，最大沉降的位置仍然靠近5號線的右線，并不是對稱分布，這是由于施工順序的先后所決定的，在近距離的施工條件下，其應(yīng)力釋放及塑性區(qū)發(fā)展范圍決定于先開挖的一側(cè)。

圖5 5號線左線開挖120 m時地表沉降與5號線中心距離關(guān)系

2)從圖5可以看出，5號線左右線貫通后，地表沉降最大位置在距離5號線中心4 m處左右，沿著這個位置基本呈對稱趨勢向兩邊延伸，沉降值逐漸減小，在距離5號線中心位置左側(cè)26 m處沉降量基本為零，在左側(cè)26～30 m時，地表向上微微隆起，可以忽略不計。這也說明了模型構(gòu)建的正確性，兩側(cè)約為4倍洞徑時，隧道開挖所引起的沉降已經(jīng)很小，幾乎可以忽略不計；在隧道周邊約為1～3倍洞徑時，是隧道開挖引起的主要影響范圍，地表沉降在這個范圍里面也發(fā)育迅速。隧道開挖實際上是一個土體卸載的過程，上部土體挖出后自重的應(yīng)力釋放，肯定會導(dǎo)致隧道下部土體的膨脹變形，使下部土體回彈。因此，從地表沉降曲線圖可以看出，隧道開挖后，由于土體卸荷導(dǎo)致應(yīng)力釋放，速調(diào)上部周邊地表表現(xiàn)出輕微的隆起狀態(tài)，而隧道所在位置的上部表現(xiàn)為明顯的沉降狀態(tài)。

3)“PECK”公式在預(yù)測雙線隧道的地表位移時，考慮兩線之間的距離將地表沉降模式分為了兩種情況。情況一：當(dāng)兩線之間的距離小于1倍洞徑時，其地表沉降發(fā)育呈“V型槽”的發(fā)育；情況二：當(dāng)兩條隧道間的距離大于1倍小于3倍洞徑時其地表沉降曲線呈“W型槽”的發(fā)育。從曲線圖可以看出，數(shù)值模擬出的地表沉降數(shù)據(jù)完全符合PECK槽的規(guī)律，由于5號線左右區(qū)間的距離小于1倍洞徑，所以地表沉降符合情況一的條件。“V型槽”的開口也隨著開挖的推進不斷變大，最后穩(wěn)定在一定的大小。

4 結(jié) 論

1)下部線路的開挖對地表沉降的分布也有較大的影響，未開挖下部線路時，地表沉降呈“W型槽”，而隨著下部線路的開挖，地表沉降慢慢變?yōu)椤癡型槽”的沉降模式，這是由于下部線路位于既有線中間，開挖導(dǎo)致既有線中間地層的損失和應(yīng)力釋放，引起了地層的沉降；由于疊加的作用，地表的沉降也比未開挖下部線路時的沉降更大，因此，在實際工程中，應(yīng)該關(guān)注地表沉降位置的改變和數(shù)值的變化，當(dāng)周邊環(huán)境對地表沉降的要求較高時應(yīng)該采取一定的加固措施，控制地表的沉降；地表的沉降發(fā)育與開挖的位置有很大的關(guān)系，在開挖一定范圍內(nèi)地表沉降會隨著開挖的進行而發(fā)育，在距離開挖面1～3倍洞徑時是地表沉降的主要發(fā)育時間段，而距離開挖面10倍洞徑左右的距離后，地表的沉降不會繼續(xù)發(fā)育，會穩(wěn)定在一定的數(shù)值，不再隨著開挖的推進而繼續(xù)發(fā)育。

2)預(yù)測隧道開挖地表的沉降，應(yīng)當(dāng)考慮隧道之間的距離，距離不同出現(xiàn)的地表沉降模式不同，兩隧道之間的距離小于1倍洞徑時，地表沉降呈現(xiàn)“V型槽”的形式，當(dāng)兩隧道距離超過1倍洞徑小于3倍洞徑時，其地表沉降模式呈現(xiàn)“W型槽”的形式，兩隧道之間的距離超過3倍洞徑時，地表的沉降模式更趨近一個“V型槽”的形式，而且在原有線路下方開挖新的線路時，地表的沉降會趨近一個“V型槽”的形式。

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