軟硬不均地層及不同開挖順序下雙頂管隧道施工對管片及地層的影響*

劉明友 韋宏業(yè) 么曉輝 馬少坤 尉 強 劉草平 邵 羽

(1.中鐵上海工程局集團第五工程有限公司,530100,南寧; 2.廣西大學土木建筑工程學院,530004,南寧;3.廣西交通設(shè)計集團有限公司,530029,南寧∥第一作者,高級工程師)

在實際工程施工中,地層往往因風化程度的不同形成軟硬地層。當隧道穿越風化程度不同形成的軟硬地層時,施加施工荷載造成圍巖受力不均勻,進而導致周圍土層變形過大,甚至導致管片因應(yīng)力過大發(fā)生破損的情況[1]。國內(nèi)外專家針對軟硬地層中隧道開挖對周圍環(huán)境的影響開展了相關(guān)研究。文獻[2]采用室內(nèi)試驗和離散元的手段,對比分析了單一土層和軟硬地層中盾構(gòu)隧道開挖所致地面沉降及深層土體沉降槽形態(tài)特征;文獻[3]采用有限元法,對雙護盾TBM(隧道掘進機)穿越上軟下硬、上硬下軟等4種不同組合地層時TBM與圍巖間的相互作用機理進行了探討;文獻[4]對不同復合比地層中盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降差異進行研究,提出了隧道穿越軟硬復合地層時的施工控制措施;文獻[5]采用離散元法,對硬巖面積占掌子面總面積不同比例時隧道掘進對周圍地層的影響進行了研究;文獻[6]以實際工程為背景,對上軟下硬地層中地鐵隧道設(shè)計、施工中的重難點進行了討論。上述文獻均為單隧道穿越軟硬地層工況下的研究,而平行雙隧道穿越軟硬地層施工時對管片結(jié)構(gòu)和地層的影響鮮有研究。

本文以廣西壯族自治區(qū)南寧市的平花河上游段排水干渠頂管工程為背景,對雙頂管施工所致地層變形及管片應(yīng)力分布進行研究,著重分析不同軟硬組合地層、不同施工順序下地層變形及管片應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 工程概況

平花河上游段排水干渠頂管工程為雙頂管施工,沿線地層復雜多樣,其中有長度為126.1 m的區(qū)間段穿越上部為黏土、下部為中風化石灰?guī)r的復合地層。該復合地層上、下部土體物理力學參數(shù)差異大,施工所致的地層變形較難預測。該工程頂管管片內(nèi)徑為4.0 m,外徑為5.0 m,每環(huán)管片長度為2.5 m。隧道覆土厚度為9.0 ～13.5 m, 2個頂管隧道平行布置,隧道間凈距為5.0 m。

2 雙頂管掘進的數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

隧道開挖的影響范圍一般為3～5倍隧道直徑范圍[7],因此,本文構(gòu)建的模型尺寸為100 m(長)×100 m(寬)×50 m(高),如圖1所示。其中:y=0為隧道始發(fā)井位置;y向以頂管開挖方向為正向。

圖1 整體模型網(wǎng)格劃分

隧道注漿層厚度為0.02 m,左線隧道、右線隧道的中心到地面的距離為10.4 m,地下水位位于地面以下2.0 m處。模型的土體及注漿層采用三維實體單元,盾殼及管片采用板單元模擬,通過改變注漿層的材料屬性來實現(xiàn)注漿效果。左右線隧道均開挖10環(huán),每環(huán)長度均為2.5 m。隧道開挖涉及到掘進壓力、注漿壓力及千斤頂推力3個參數(shù)。

2.2 模型參數(shù)值的選取

文獻[8-9]提出了三軸試驗割線模量、固結(jié)試驗切線模量、卸載再加載試驗的卸載再加載模量3個參數(shù)的設(shè)定方法。本文的土體本構(gòu)模型采用修正的摩爾-庫倫模型,基于文獻[8-9]提出的方法,設(shè)定模型各土層的物理力學參數(shù)值如表1所示,結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)值如表2所示。

表1 模型中各土層的物理力學參數(shù)取值

表2 結(jié)構(gòu)材料屬性的參數(shù)取值

2.3 計算模擬方案

有限元模型模擬的頂管施工步驟與實際施工步驟相同,采用激活和鈍化單元模擬頂管的掘進過程。以全斷面黏土層工況計算采用的掘進參數(shù)值為例,根據(jù)文獻[10],掘進壓力取隧道掌子面中心處的側(cè)向主動土壓力,通過計算得到掘進壓力為120 kPa,注漿壓力為150 kPa,千斤頂推壓力為120 kPa。設(shè)S1、S2分別為黏土、石灰?guī)r在橫截面上的面積,黏土面積占比r1=[S1/(S1+S2)]×100%。根據(jù)不同的r1,本文考慮雙頂管采用兩種不同的開挖順序,每個開挖順序下均設(shè)計了五種不同的復合地層工況,分析各工況下對周圍土層和管片結(jié)構(gòu)的影響。其模擬工況如表3所示。

表3 數(shù)值模擬工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 橫向地面沉降

圖2為斷面1各工況下的橫向地面沉降圖,橫軸取往右線隧道方向為負。

圖2 斷面1各工況下的橫向地面沉降圖

1) 如圖2 a)所示,左右線同步開挖下,當r1從0增至100%時,斷面1的地面沉降最大值從1.24 mm增加到2.78 mm,其增幅隨r1的增加而增加,沉降槽寬度不變。全斷面黏土層(工況5)地面沉降最大值約為全斷面石灰?guī)r(工況1)的2.2倍。

2) 如圖2 b)所示,先左線后右線開挖下,地面沉降值隨r1的增大而增大,左線開挖完成后地面沉降最大值達到1.78 mm; 后續(xù)右線施工完成后地面沉降最大值增至2.92 mm。

3) 先左線后右線開挖引起的地面沉降最大值約為左右線同步開挖引起的地面沉降最大值的1.1倍。這主要是由于后行隧道施工造成了先行隧道周圍土體的二次擾動,打破了土體的穩(wěn)定狀態(tài),應(yīng)力重新分布。

3.2 縱向地面沉降

圖3為斷面2各工況下的縱向地面沉降圖。由圖3可知,橫軸=0處(即圖1中y=0處)為始發(fā)井,橫軸以頂管開挖方向為正向。在隧道掌子面(y=25 m處)前方5倍隧道直徑距離(y=50 m) 處,其地面沉降接近于0,隧道開挖的影響可以忽略不計;先左線后右線開挖所致的縱向地面沉降較左右線同步開挖大;r1越大,雙隧道開挖所致的縱向地面沉降越大。

圖3 斷面2各工況下的縱向地面沉降圖

3.3 測點1的地面沉降

圖4為測點1的地面沉降變化曲線。由圖4可知:左右線同步開挖下,雙頂管通過測點1所在斷面(y=12 m)時,測點1的地面沉降變化速率最大;通過測點1所在斷面后,地面沉降變化速率逐漸減小。先左線后右線開挖下,測點1的地面沉降變化速率可分為先增加后減小的兩個變化階段。在兩種開挖順序下,隨著開挖的進行,測點1的地面沉降隨r1的增加逐漸增大;當頂管機在監(jiān)測點往前開挖2倍隧道直徑距離(y=22 m處)后,測點1上方土體已完成固結(jié)沉降。

圖4 測點1各工況下的地面沉降變化曲線

3.4 斷面1地面水平位移

圖5為斷面1各工況下的地面水平位移變化曲線,水平位移取向右線隧道移動為正。由圖5可知:不同開挖順序下,隧道周圍土體主要呈現(xiàn)向雙隧道中間處的水平位移;隨著掌子面中r1的增大,地面水平位移也在增大;由于后開挖隧道對已施工隧道的擾動作用,先左線后右線工況下的地面水平位移比左右線同步開挖工況要大。

圖5 斷面1各工況下的橫向地面水平位移變化曲線

3.5 管片應(yīng)力

圖6為各工況下左線管片的最大Mises應(yīng)力變化曲線圖。由圖6可知:掌子面處r1對管片應(yīng)力有顯著影響;軟硬地層工況下,管片最大應(yīng)力隨r1的增大而增大,其主要原因是受隧道施工所致的地層損失影響;與黏土相比,巖層承擔了更多因隧道施工所致的附加應(yīng)力,從而使管片承擔了相對較小的附加荷載;施工順序?qū)芷瑧?yīng)力的影響顯著,先左線后右線開挖所致的最大Mises應(yīng)力(1 278 kPa)約為左右線同步開挖所致的最大Mises應(yīng)力(1 148 kPa)的1.1倍。

圖6 各工況下左線管片的最大Mises應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

1) 不同軟硬組合地層對頂管施工所致地面沉降影響顯著,其地面沉降隨掌子面r1的增大而增大。

2) 雙隧道不同施工順序?qū)Φ孛娉两涤绊戯@著。在同一軟硬組合地層(即r1相同)時,雙隧道先后開挖所致地面沉降值約為同步開挖的1.1倍。

3) 隨著隧道的開挖,監(jiān)測點的地面沉降受r1的影響逐漸變大。當隧道頂管機在監(jiān)測斷面往前開挖兩倍隧道直徑距離后,監(jiān)測斷面的地表沉降基本不再發(fā)生變化。

4) 地面土體產(chǎn)生向兩隧道中心線的水平位移,其位移隨r1的增大而增大,先后開挖所致的地面水平位移比同步開挖的大。

5) 軟弱地層組合、開挖順序均對管片應(yīng)力有顯著的影響,先后開挖所致的最大Mises應(yīng)力約為同步開挖的1.2倍,且隨r1的增加而增大。