穿江地鐵隧道施工對堤防及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

肖志宏,劉思博,易 宸,唐 旺,蔡 敏,劉筱鈺,劉 旭

(1.湖南建工集團有限公司,湖南 長沙 410004; 2.長沙供水有限公司,湖南 長沙 410015; 3.湖南建投集團基礎(chǔ)設(shè)施投資公司,湖南 長沙 410018; 4.中南林業(yè)科技大學,湖南 長沙 410004; 5.廣西大學,廣西 南寧 530005)

地鐵已成為城市化建設(shè)的重要標志,也是緩解城市交通擁堵的有效措施[1-2]。隨地鐵建設(shè)技術(shù)的發(fā)展,穿越特殊地層的地鐵隧道日益增多,特別是在沿海、沿江地區(qū),穿江隧道的建設(shè)不可避免[3-6]。穿江隧道具有不影響航運、不受天氣影響、能作為防空設(shè)施等優(yōu)勢,近年來在穿江工程中的應(yīng)用率逐年遞增[7-8]。但在盾構(gòu)穿越江河堤防的過程中會對周圍土體產(chǎn)生擾動,引起地層變形和地表沉降,從而導(dǎo)致堤防失穩(wěn)[9-10]。因此,開展穿江地鐵隧道施工對堤防及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響研究,對保障堤防防護區(qū)內(nèi)人民生命及財產(chǎn)安全具有重要意義。

目前,國內(nèi)外關(guān)于地鐵隧道施工對堤防及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究主要采用理論分析和數(shù)值模擬的方法。在理論分析方面:Mroueh等[11]基于隨機介質(zhì)理論,采用極坐標變換和多子域積分法,推導(dǎo)了考慮盾構(gòu)隧道盾構(gòu)機滾動的土體變形的理論解。趙凱等[12]綜合考慮大斷面水工隧洞開挖影響,研究了水工隧洞下穿既有公路隧道的沉降計算方法。在數(shù)值模擬方面:You Shuang等[13]采用數(shù)值模擬方法分析了上軟下硬復(fù)雜地層條件下路堤超大直徑(15.80 m)盾構(gòu)隧道的變形特征和安全控制措施。曹磊等[14]建立了考慮水位驟降條件下的下伏隧道堤防模型,依托湘江某下伏隧道堤防工程,基于堤防邊坡滲流原理,結(jié)合有限元應(yīng)力計算,探討了不同水位驟降速率下的浸潤線情況,計算了堤防安全系數(shù)。張貴金等[15]采用數(shù)值方法,分別對隧道的覆土厚度、隧道匝道出入口離堤防的距離、隧道主出入口與堤防的相對距離以及地下水等因素進行影響分析。上述文獻表明,國內(nèi)外學者采用不同研究手段在穿堤隧道對堤防安全影響研究方面取得了較為豐富的成果,為工程施工提供了一定的參考指導(dǎo)作用。然而,現(xiàn)有研究依然存在一些不足之處:現(xiàn)有研究主要采用半定量法進行計算,計算結(jié)果與實際存在一定偏差;針對穿江雙線隧道施工,盾構(gòu)開挖方式對堤防和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究不夠深入。

鑒于此,依托湖南長沙某下穿湘江堤防地鐵工程,采用數(shù)值模擬方法構(gòu)建三維數(shù)值模型,研究不同開挖方式、隧道埋深和盾構(gòu)掘進下穿江隧道對堤防、隧道圍巖和管片的影響,研究成果可為穿江隧道設(shè)計、施工提供一定依據(jù)和參考。

1 下伏地鐵隧道堤防數(shù)值模型

1.1 模型建立

以湖南長沙某下穿湘江地鐵工程為例,采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型,如圖1(a)所示,共劃分單元432 811個,節(jié)點172 648個。為消除邊界條件影響,三維模型橫向(X方向)寬度取60 m、沿穿堤出入線區(qū)間線路方向(Y方向)長度取105 m,豎直(Z方向)長度往隧道底下取10 m、向上按實際地形取至堤頂,三維模型底面尺寸長、寬、高為105 m×60 m×40 m。邊界約束為模型頂部自由,前、后、左、右均為水平向約束,底面垂直向約束。根據(jù)圣維南原理[16],開挖區(qū)域外3～5倍洞跨距離外,開挖產(chǎn)生的位移和應(yīng)力變化則減小至可忽略不計程度。

圖1 三維數(shù)值模型圖

出入段線區(qū)間隧道于里程YCK17+090附近下穿堤防,根據(jù)實地情況和施工條件建模,如圖1(b)所示。地鐵隧道洞徑6.20 m,施工采用盾構(gòu)循環(huán),主要穿越層是中風化礫巖,隧道與明渠距離最小9.30 m,隧道與堤防距離21 m～27 m。

1.2 模型參數(shù)與本構(gòu)模型

模型中計算單元均采用實體單元,其中雜填土、中砂及中風化礫巖采用M-C模型;管片采用彈性模型,注漿層采用shell單元模擬。相關(guān)材料參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場施工實際,同時考慮最不利情況保守取值,具體參數(shù)見表1和表2。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 圍巖地層參數(shù)表

根據(jù)數(shù)值模擬分析基本原理和方法,將地層近似視為均勻連續(xù)介質(zhì),各層之間為連續(xù)接觸。采用三維等參數(shù)單元進行模擬,其中結(jié)構(gòu)單元僅考慮其彈性工作狀態(tài),圍巖、加固單元按M-C材料設(shè)置,服從Mohr-Coulomb屈服準則。

1.3 計算工況

考慮兩個隧道先后施工順序的三種工況,具體流程為:

(1) 工況1。在工況1中考慮盾構(gòu)施工,下穿堤防。隧道開挖前,先平衡初始地應(yīng)力及滲流場;然后對隧道開挖進行滲流分析,獲得施工后的狀態(tài);再進行隧道襯砌布置后滲流分析,得到下穿完畢后圍巖的應(yīng)力與滲流狀態(tài)。具體步驟如下:

① 建立堤防及隧道結(jié)構(gòu)的計算模型,固定靜力邊界,開始初始狀態(tài)地應(yīng)力場的平衡計算,獲得開挖前的狀態(tài)。

② 設(shè)置每次開挖1.5 m為一個周期并改變隧道周邊加固區(qū)域土體參數(shù),模擬施作注漿加固和超前注漿加固過程。

③ 進行隧道開挖模擬,每開挖至下一個1.5 m時并做上個開挖周期管片安裝。

④ 重復(fù)步驟②與③直至左洞隧道貫通。

⑤ 開始對右洞進行盾構(gòu)模擬,循環(huán)步驟②與③直至右洞貫通。

(2) 工況2。模型開挖前期步驟與工況1相同,初始狀態(tài)地應(yīng)力場平衡后,左右洞線同時施工開挖進尺取1.5 m,具體步驟如下:

步驟①、②同工況1。

③ 進行左右洞線同時施工隧道開挖模擬,每開挖至下一個1.5 m時并做上個開挖周期管片安裝。

④ 重復(fù)步驟②與③直至左右洞隧道同時貫通。

(3) 工況3。模型開挖前期步驟與工況1相同,初始狀態(tài)地應(yīng)力場平衡后,左洞線先施工開挖進尺取1.5 m,盾構(gòu)施工掌子面到達堤防下時開始右洞線施工。具體步驟如下:

步驟①、②同工況1。

③ 對左洞線進行隧道開挖模擬,每開挖至下一個1.5 m時并做上個開挖周期管片安裝。

④ 重復(fù)步驟②與③直至左洞隧道盾構(gòu)掌子面到達堤防下部時,開始右洞線施工。

⑤ 重復(fù)步驟②并對右洞線進行隧道開挖模擬,每開挖至下一個1.5 m時并做上個開挖周期管片安裝。

⑥ 重復(fù)步驟③與⑤直至左、右洞線均貫通。

2 隧道開挖對堤防工程的影響

2.1 堤頂沉降特征

沿堤頂方向X=-30 m,-26 m,-24 m,-20 m,-16 m,-12 m,-8 m,-4 m,0 m,4 m,8 m,12 m,16 m,20 m,24 m,26 m,30 m提取17個沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測點,各工況下堤頂監(jiān)測點沉降位移計算結(jié)果如圖2所示?？芍?在堤頂左側(cè),工況2地表沉降量最大,為4.32 mm;在堤頂中心位置,同樣是工況2地表沉降量最大,為4.18 mm;在堤頂右側(cè),工況1地表沉降量最大,為4.43 mm,工況3表沉降量為4.41 mm,均大于工況2時地表沉降量。這三種工況下堤頂最大沉降量均符合我國地下軌道施工所要求的“-30 mm～+20mm”(沉降、隆起)變形標準。

圖2 施工后堤頂橫向不同監(jiān)測點地表沉降值

2.2 圍巖變形特征

2.2.1 圍巖應(yīng)變

各種工況下圍巖變形如圖3所示。將圖3(a)—圖3(c)的三種工況下隧道圍巖位移計算結(jié)果匯總于表3中。由表3可知,采用先開挖左線至堤頂下方再開挖右線的施工方式,洞線水平收斂最小;先開挖左線至堤頂下方再開挖右線的工況下,拱頂沉降值相對于工況1與工況2分別減少35%、37.6%,水平收斂減少3.7%、5.5%,隧底隆起值增加17.8%、1.5%。

表3 不同工況下隧道變形表 單位:mm

圖3 各工況下圍巖變形

2.2.2 圍巖應(yīng)力

各種工況圍巖應(yīng)力分布如圖4所示。將圖4(a)—圖4(c)的三種工況下隧道圍巖應(yīng)力計算結(jié)果匯總于表4可知,工況1的圍巖最大主應(yīng)力為2.09 MPa,最小-4.54 MPa。采用另外兩種開挖方式后,上述最大主應(yīng)力值得到明顯降低,但最小主應(yīng)力有較小增長。從應(yīng)力變化值和應(yīng)力變化百分比知,工況1最大主應(yīng)力增幅達到13.88%,最小主應(yīng)力降幅為3.81%。由此可見,工況2與工況3的圍巖應(yīng)力降低,穩(wěn)定性提升。

表4 圍巖應(yīng)力計算結(jié)果 單位:MPa

圖4 各工況圍巖應(yīng)力分布

2.3 管片位移

由于篇幅限制,取Y方向上Y=1 m、56 m和整體管片Z方向的位移進行分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,Y=1 m的管片沉降最大值為工況1下的1.85 mm,隆起最大值為2.86 mm;Y=56 m的管片沉降最大值為工況1下的2.21 mm,隆起最大值為2.86 mm;Y=105 m的管片沉降最大值為工況3下的5.02 mm,隆起最大值為4.98 mm。

圖5 不同工況下管片位移計算結(jié)果

參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[17](CJJ/T202—2013)可知,無論哪種開挖方式,隧道變形值均小于要求的隧道水平位移10 mm,豎向位移10 mm規(guī)范值。因此,三種工況下管片穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

圖6為各工況作用下Y=56 m處洞身最終變形數(shù)據(jù),在三種盾構(gòu)進程條件下堤防下洞身各點位移監(jiān)測值存在毫米級差異,在工況1下拱頂沉降最大為右線1.69 mm,拱底隆起最大為右線2.72 mm,最大水平收縮為右線1.86 mm;在工況2下拱頂沉降最大為右線1.76 mm,最大拱底隆起為右線2.37 mm,最大水平收縮為右線1.72 mm;在工況3下最大拱頂沉降為右線1.81 mm,最大拱底隆起為左線2.16 mm,最大水平收縮為右線2.39 mm。參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[17](CJJT202—2013)可知,無論哪種開挖方式,隧道變形值均小于要求的隧道水平位移10 mm,豎向位移10 mm規(guī)范值。因此,三種工況下管片穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

圖6 各工況作用下左右洞線Y=56 m洞身各點位移監(jiān)測值

3 結(jié) 論

本文依托湖南長沙某下穿湘江堤防隧道工程,采用數(shù)值模擬方法探究了三種施工工況對堤防變形、圍巖應(yīng)力、管片位移等的影響,得出以下主要結(jié)論:

(1) 相對于先開挖一側(cè)隧道、貫穿后再開挖另外一側(cè)的工況,左右線同時施工對堤防沉降影響更為顯著;堤防穩(wěn)定性隨隧道埋深增加而逐漸提高,但埋深越大亦會增加施工難度和工程量,需合理選擇埋深。參考依托項目可在設(shè)計埋深30 m下進行施工,產(chǎn)生的地表的最大沉降為4.43 mm,其能夠滿足相關(guān)要求。

(2) 隧道開挖過程中左、右線路管片最大變形量、堤防地表的最大沉降及隧道結(jié)構(gòu)的整體位移值較小,均小于變形控制標準值,在規(guī)范允許范圍內(nèi);地鐵下穿既有堤防段引起地表沉降中,順線路方向沉降較大變化范圍約在隧道20 m和30 m之間,在施工過程中應(yīng)重點加強監(jiān)控量測。