地鐵盾構隧道雙線施工對地表沉降影響的預測及分析*

王海豐,張佳鑫,趙明喆,李亞修,姬曉奕,劉 垚,張佳豪,邢博聞

(1.中交基礎設施養護集團有限公司,北京 100013; 2.北京科技大學,北京 100083)

0 引言

近十幾年來,隨著城鎮化速度的不斷加快及人口密集程度的不斷提高,隧道在我國及世界各國的基礎設施中所占比例越來越大,許多國外學者對其進行深入探討[1-2]。地鐵在修建過程中,需利用盾構機進行掘進,這會改變原有地應力平衡,造成圍巖擾動、地面沉降等系列環境病害[3-5]。因此,在地鐵工程中,如何準確預報盾構法在地下工程中的應用,對有效防護相鄰工程十分必要。

周鑫等[6]基于杭州軌道交通3號線工業大學站—留和站區間的2條隧道,采用3D數值仿真方法,分析隧道開挖對相鄰橋墩地基變形的影響。劉穎彬等[7]基于上海軌道交通14號線、6號線下穿雙環隧道的實際情況,開展了雙環隧道下穿前后的受力分析。鮑先凱等[8]以貴陽軌道交通1號線望城坡站—新村站區段為例,采用有限元計算手段,對大跨度、超淺埋地鐵隧道在不同條件下的開挖穩定性進行初步探討。Lin等[9]利用有限元分析技術,對已有地下洞室傾斜穿越的2條新隧道進行分析。Bagherzadeh等[10]通過城市隧道開挖引起地面沉降,利用數值模擬確定開挖方式和支護類型,并提出減小沉降的加固措施。No等[11]利用數值模擬方法,分析了在役地鐵工程中,不同距離下的地鐵施工對周邊地面沉陷的影響。Paternesi等[12]以位于細粒砂土層中的2條深埋隧道為實例,利用觀測資料修正地層參數,從而提升模型預報準確率,并對其進行數值仿真和計算。李少剛[13]采用有限元方法,對立體交叉通道中主要隧道進行優化設計,并對不同距離處的土體進行變形、位移和應力等研究,得出不同距離處土體變形變化規律,提出了適合北京地區的合理距離。劉光耀[14]依據北京地鐵“四縱兩橫”設計圖,通過對各種次序開挖方式進行優選和比較,最終選擇了“先上后下”的開挖方式。李倩倩等[15]基于北京已建成的地下穿越軌道交通隧道工程實例,對其變形特性進行研究,得出了在地下穿越軌道交通時,深部灌漿能降低地表沉降量,增強土體強度的結論。王忠昶等[16]對地鐵盾構法施工中的注漿壓力、注漿率、土體在管片支撐時的變化進行分析,得出前洞距離地表愈近,其沉陷范圍愈小,沉陷溝槽作用范圍愈大。劉大剛等[17]運用隨機媒質理論,改進沉降量估算法,并在雙軌制隧道地表沉降量和水平變形量的計算中,證實了該方法的可行性和正確性。

基于上述研究,本文基于廣州城市軌道交通12號線雙線隧道施工,借助ABAQUS軟件進行三維數值模擬分析,研究了注漿層厚度r、隧道埋深比H/D和雙隧道間距L對地表沉降的影響,并針對施工控制提供相關建議。

1 工程概況

依托廣州城市軌道交通12號線某隧道區間工程項目,左線全長約1 842.695m、右線全長約 1 868.9m,隧道沿線所穿越土層基本為中等風化粉砂質泥巖層,采用盾構進行施工作業。設計隧道外徑6.2m、內徑5.6m,襯砌管片厚度為0.3m,每環管片幅寬1.2m,采用環間錯縫拼裝而成;隧道中心距地面約16m左右(見圖1)。

圖1 地質結構柱狀圖(單位:m)

2 計算模型

2.1 基本假定

為使分析結果符合工程建設實際情況,做以下假設:①忽略隧道沿線地表及各土層微小起伏變化,一律簡化考慮為均勻水平層狀分布;②巖體被假設為理想彈塑性材料;③忽視地質體自身和在地層界面處的應力集中;④巖體被視為各向同性均質材料;⑤將圍巖地應力場設為初始應力;⑥掘進擾動區仿真掘進對巖體的擾動效應,減小擾動區彈性模量。

2.2 參數選取

經試驗發現,對變形產生重要作用的水平方向長度約為洞口直徑4倍,垂直高度約為洞口直徑3倍[18]。結合隧道埋深等設計參數,最終確定ABAQUS模型尺寸為60m×12m×70m(見圖2)。在對6個截面進行建模時,將模型頂面設為自由面,而對其他表面均進行對應的位移約束。

圖2 ABAQUS模型(單位:m)

采用 ABAQUS中的Mohr-Coulomb本構模型對土壤進行仿真,襯砌管片和盾構機殼采用殼體構造元素,并將材質設定為彈性體。整體有限元分析采用線性六面體單元,共劃分為34 463個結點、29 030個單元,單元類型為C3D8RP。隧道埋深所處土層土質參數能真實反映施工情況。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 各土層物理力學參數

2.3 模擬盾構施工過程

根據盾構施工原理,模擬施工步驟如下。

1)建立盾構建筑中土層、盾構機、等待層和管片模型,對這些材料進行分類,并給出對應材料參數,在組裝板上組裝各類物質模型;對于初應力區,僅考慮自重效應,并做變形修正。

2)擬以“生”“死”單元法為基礎,構建解析步,在開挖1層土體的同時,激活等待層、管片及注漿層,在開挖時,以正壓法模擬刀片對后部土體的支承作用。并根據施工過程中所承受的靜態壓力,確定其數值。

3)在每個掘進機運行1周后,移除上一周的支護,重新生成新的支護,并調節盾構支護材料剛度和其他參數。利用同步注漿法,對隧道周圍巖石實施注漿,施加注漿力,并設定相應作業程序。同時,在保持注漿壓力恒定的情況下,對注漿材料進行分層建模,并對其進行數值模擬。

4)根據數值模型,將整體開挖設置為10個開挖步,開挖過程中,盾殼對圍巖起到支承作用。施工完成后隧道完全貫通。

2.4 數值模擬驗證

當前,在地鐵工程中,對沉降進行預測的方法主要有Peck公式、有限元和邊界元的數值方法等。本文采用實測數據與數值模擬數據進行對比分析(見圖3)。

圖3 實際沉降曲線與數值模擬沉降曲線對比

如圖3所示,沿隧道開挖方向,其地表沉降與實際地表沉降擬合效果良好,左側隧道數值模擬結果與實際沉降最大擬合誤差為5.26%;右側隧道數值模擬結果與實際沉降最大擬合誤差為3.41%。該結果驗證了本文數值模擬的準確性,說明運用ABAQUS有限元軟件模擬盾構施工可為實際工程提供一定的指導作用。

3 盾構施工參數對地表沉降的影響分析

3.1 方案設計

選取隧道注漿層厚度r、埋深比H/D(其中H為隧道頂部距離地表的豎直距離,D為隧道開挖直徑)和雙隧道間距L作為研究對象,通過觀察地表橫向沉降,進而深入研究各參數對盾構施工時地表沉降的影響規律。方案設置如表2所示。

表2 盾構施工參數設置方案

3.2 不同注漿層厚度對地表沉降的影響

為研究不同注漿層厚度在隧道施工時對地表沉降的影響,設置隧道注漿層厚度分別為0,0.1,0.2,0.3m,雙隧道間距為12m,隧道拱頂至地表距離為12.8m(即埋深比H/D=2),不同注漿層厚度下盾構掘進模型位移如圖4所示。地表沉降隨著注漿層厚度的增大而減小,最大位移沉降出現在隧道拱頂正上方。取隧道完全貫通后各注漿層厚度下的橫向地表沉降量生成位移曲線,從而得出不同注漿層厚度下盾構掘進對應的地表橫向沉降曲線如圖5所示。

圖4 不同注漿層厚度下盾構掘進模型位移云圖

圖5 不同注漿層厚度下盾構掘進對應的地表橫向沉降曲線

如圖5所示,地表沉降峰值一般在隧道正上方。在其他施工參數不變的前提下,通過增加注漿層厚度可有效減小表層土體變形,地表沉降峰值隨著注漿層厚度的增大而減小。在不注漿時,數值模擬得出地表沉降峰值為48.82mm,峰值處于兩隧道中間位置;當注漿層厚度為0.1m時,左、右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為10.82,10.87mm;當注漿層厚度為0.2m時,左、右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為8.94,9.02mm;當注漿層厚度為0.3m時,左右雙隧道地表橫向沉降峰值分別為8.61,8.74mm。結果表明,在一定范圍內,注漿層厚度越大,其對于盾構機盾尾間隙的填充效果越好,從而導致盾構機開挖時對地表沉降的影響越小。但根據實際工程經驗,注漿層厚度并非越大越有利于圍巖穩定,過厚的注漿層會對周圍土體受力產生一定影響,造成土體擾動不利于控制地表沉降。同時,根據數值模擬可以看出注漿層厚度在0.1～0.3m過程中,其地表沉降峰值明顯減小。

3.3 不同埋深比對地表沉降的影響

為研究不同埋深比在隧道施工時對地表沉降的影響,設置隧道埋深比分別為2,3,4,5(即拱頂埋深分別為12.8,19.2,25.6,32m),對其進行數值模擬計算分析。盾構施工數值模擬參數中,注漿層厚度取0.31m,隧道開挖步長1.2m,共開挖12m,得出不同埋深比下盾構掘進模型位移如圖6所示。隧道完全貫穿后,各埋深比下地表橫向沉降曲線如圖7所示。

圖6 不同埋深比下盾構掘進模型位移云圖

圖7 不同埋深比下盾構掘進對應的地表橫向沉降曲線

由圖6可知,盾構隧道隨著埋深比的增加,其地表沉降呈先增大后減小趨勢。由圖7可知,當埋深比H/D由2增加到3時,地表沉降峰值由7.96mm上升至12.39mm;當埋深比H/D由3增加至4時,地表沉降峰值由12.39mm上升至17.49mm;當埋深比H/D由4增加至5時,地表沉降峰值由17.49mm下降至7.98mm。淺埋隧道地表沉降呈由先增大后減小,然后增大,最后減小的趨勢。由深埋隧道地表沉降數值模擬得出,地表沉降峰值呈現先增大后減小趨勢。該現象的出現是由于埋深比較小的隧道(H/D=2)在開挖過程中對周圍土體的擾動程度較小,并且在開挖過程中會使土體上拱,影響到地表沉降,所以埋深比較小的盾構挖掘沉降較小;而隨著埋深比的增加(H/D由2增加至4時),隧道上方土拱影響范圍有限,并隨著隧道埋深的增加,土層會給予開挖隧道更大壓力,但此時拱頂上方土體自重應力增加而平衡拱仍不能起到支承作用,所以導致地表沉降增加;當埋深比繼續增大時(H/D由4增加至5時),土拱形成,圍巖自身承載力大于土體自重應力,土層變形減小。

3.4 雙隧道間距對地表沉降的影響

為研究雙隧道間距對地表沉降的影響,雙隧道間距分別取4,6,9,12,15m,對其進行數值模擬計算分析。盾構施工數值模擬參數中注漿層厚度選取0.31m,隧道開挖步長1.2m,共開挖12m,埋深比H/D取2(即拱頂埋深12m),得出不同雙隧道間距下盾構掘進模型位移如圖8所示。隧道完全貫通后,不同隧道間距下地表橫向沉降曲線如圖9所示。

圖9 不同雙隧道間距下盾構掘進對應的地表橫向沉降曲線

由圖8可知,隨著雙隧道間距增大,左右隧道地表沉降逐漸增加。由圖9可知,隨著雙隧道間距增加,地表沉降曲線向外遷移,同時沉降范圍也擴展。原本呈倒V形的沉降凹槽逐漸演變為W形,這種凹槽變淺且變寬的趨勢逐漸顯現。在距離兩隧道軸線6～9m范圍,地表沉降曲線變化在間距的影響下呈現出顯著特征。當間距約為9m時,沉降分布曲線的變化從最初的倒V形逐漸轉變為W形。這一變化主要歸因于,雙隧道間距較小時,兩隧道間的相互干擾作用逐漸加強,導致在共同擾動區域內的沉降變形加劇,進而形成了倒V形沉降凹槽;相反,雙隧道間距較大時,施工所帶來的相互干擾影響減弱,地表沉降被視為2條獨立隧道沉降變形效應的疊加,從而呈現出W形沉降凹槽。

4 地表沉降變形優化分析

根據實際地表沉降,驗證了ABAQUS數值模擬模型的準確性。通過選取不同參數,得出不同注漿層厚度、埋深比及雙隧道間距對地表沉降的影響,進而對地表沉降變形進行優化分析。

1)在一定范圍內,注漿層厚度越大,對盾構機盾尾間隙填充效果越好,導致盾構機開挖時地層沉降越小。但根據實際工程經驗,注漿層厚度過大會對周圍土體受力產生影響,不利于控制地表沉降。數值模擬顯示,不注漿至0.3m厚注漿層范圍時,地表沉降峰值明顯減小。注漿層厚度為0.2,0.3m時,右隧道地表沉降峰值分別為9.02,8.74mm,沉降峰值差距很小。綜合考慮,最佳注漿層厚度為0.2m,實際施工選擇0.31m,符合施工要求,但對注漿材料造成了一定損耗。

2)盾構隧道開挖最大沉降在拱頂處,施工導致地層擾動影響地表,地表土壤位移和變形隨深度增加而減小。實際施工埋深比H/D取2,對地表沉降影響較小。若增大埋深,建議埋深比>5,隨著深度增加時,有利于土拱形成,對地表沉降影響很小。

3)當雙隧道間距較小時,相互干擾作用逐漸增強,導致在其共同擾動區域內的沉降和變形進一步加劇;相反,當雙隧道間距較大時,施工引起的相互干擾影響減弱,地表沉降被視為2條獨立隧道沉降變形效應的疊加。實際工程中,2條隧道間距為12.4m,地表沉降很小,符合實際要求。

5 結語

本文運用ABAQUS有限元軟件,建立了廣州城市軌道交通12號線雙線隧道施工有限元計算模型。通過分析,發現數值模擬數據與實際觀測結果中的縱向地表沉降曲線具有相似性,左、右隧道縱向地表沉降最大誤差分別為5.26%,3.41%,經驗證,本研究的數值模擬具備可靠性。在實際工程背景下,探究了注漿層厚度、埋深比及雙隧道間距對地表沉降的影響,并得出如下結論。

1)通過對注漿層厚度、掘進壓力和埋深比進行分析,得到水平下沉曲線與實際工程下沉曲線相吻合,最大沉降均位于隧道拱頂上方土體表面。

2)適當增大注漿層厚度,可使盾構法施工對地面產生的影響減小,進而使地面沉降減小。但注漿層厚度并不是越大越好,因為注漿層厚度太大會影響土體強度,并且導致資源浪費。

3)盾構隧道開挖引起的最大沉降發生在拱頂,盾構機施工會導致地層擾動延伸至地表,并且隧道上方土壤位移和變形會隨土體深度減小而減小。當埋深增加時,隧道上方土體厚度足夠形成穩定土拱時,地表沉降峰值減小。

4)隨著雙隧道間距增大,左、右隧道地表沉降也會增加。當雙隧道間距較小時,相互干擾作用會增強,導致在共同受到擾動的區域內沉降變形加劇,呈現類似V形沉降凹槽。而當雙隧道間距較大時,施工相互干擾影響程度會減弱,此時地表沉降變形可被視為2條單獨隧道沉降變形的疊加效應,呈現類似W形沉降凹槽。