盾构隧道施工地表沉隆变位影响因素研究论文
摘要:研究目的:探明盾构隧道施工中各制约因素取值差异对地表沉隆变位分布规律的影响。
研究方法:本文以某拟建地铁城市区间盾构隧道试验段为研究对象,引入荷载释放系数和纵向等效刚度系数,采用三维有限元法对盾构隧道施工引起的地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线进行了研究。
研究结果:揭示了围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素变化对盾构隧道施工引起地表沉隆变位的影响,运用三维曲线探讨了盾构隧道施工过程中的地表沉隆变位曲线空间分布变化规律。
研究结论:围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力增大都将导致施工引起地表沉隆变位影响的加剧,建议工程施工中采取调整顶推力等措施以降低施工对地表环境的影响。
关键词:盾构隧道;横向沉降槽;纵向沉隆曲线;三维有限元;顶推力
盾构隧道施工中盾构机每推进一环管片幅宽长度,毛洞即可在盾壳的支护下进行管片环拼装,并通过同步和壁后注浆向紧靠盾壳后部的开挖洞壁与脱离盾尾衬砌环间注入大量浆液,以防止由于周围土体向盾尾空隙移动而引起的较大地层扰动和地表沉降。
众多学者对盾构隧道施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行研究并取得了大量成果。文献[1]采用现场监测和数值计算相结合的研究手段对广州地铁二号线区间隧道盾构法施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行了总结分析;文献[2]结合上海地铁明珠线盾构隧道施工提出了地表沉降预测计算公式及参数确定方法;文献[3]在选用人工智能神经网络结构及相关预测模型基础上,对上海地铁明珠二期盾构隧道施工引起地表变形进行了小样本智能预测;文献[4]采用现场监测手段分析得出了掌子面与监测点距离对沉降量的影响规律,并对盾构顶推施工中的地表沉降进行了阶段划分。
现有研究成果主要是针对相关工程具体展开,缺乏对各影响因素的对比分析。因此,本文在盾构法施工隧道对围岩扰动影响基础上,结合装配式衬砌环向和纵向刚度等效特性,对围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素影响下的地表沉降槽(带)空间分布变化规律进行了三维有限元数值模拟和定性分析,研究成果可供工程设计和施工参考。
1 工程概况
某拟建地铁城市二号线试验段区间盾构隧道位于南北向交主干道下方,地表线路两侧为1~4层砖混结构民房。区间隧道纵断面两端高中间低,线路全长1408m,间距13m,隧道结构拱顶埋深7.8~14m,位于上第四系更新统风积新黄土、第四系上更新统冲击层和中砂层,地下水位较低且对混凝土结构无腐蚀性。试验段区间隧道穿越地层在地下水位附近断续分布5m厚的软化层,地层处于硬塑一软塑状态,地下水位以上土层具有湿陷性,隧道围岩分级为Ⅵ级、局部Ⅴ级。试验段区间盾构隧道穿越地层地质条件围岩相关物理力学参数如表1所示。
试验段区间盾构隧道衬砌环采用C50预制钢筋混凝土管片,管片环外直径6m,内直径5.40m,管片厚0.30m,标准管片幅宽1.50m。整环采用“1+2+3”模式(即1个封顶块,2个邻接块和3个标准块)构筑而成。
2 计算模型及施工模拟
2.1 计算模型
计算采用三维有限元法进行,计算模型如图1(a)所示。为缩短计算时间,消除边界效应并满足较高计算精度要求,模型长48m,宽60m,高36m,单次循环进尺3m,共完成16组(原型32环)管片拼装施工,已拼装完成管片环、注浆层和盾构机如图1(b)所示。
计算围岩土体采用实体单元模拟,本构关系符合摩尔-库仑准则,相关材料参数如表1所示。盾构隧道是由若干环向和纵向接头连接而成的复杂带状空间体,计算中衬砌管片环、壁后注浆层及盾构机头均采用实体单元进行模拟,其中由文献[5]取管片环环向刚度折减系数0.7,由文献[6]取管片环纵向等效刚度折减系数0.01,泊松比和容重不折减,计算选用各结构材料参数如表2所示。由文献[7]取隧道施工引起围岩荷载释放系数0.25。
2.2 施工过程模拟
计算采用生死单元法[8]进行盾构隧道开挖过程的模拟,即通过单元的“杀死”来模拟隧道核心土体的开挖,通过单元的“激活”来模拟盾构隧道盾尾注浆和管片支护的形成。
根据盾构隧道施工特点,采用三维有限元模拟隧道的施工全过程主要包括如下几个步骤:(1)求解土体初始应力场,明确各单元的初始应力状态;(2)“杀死”单元,模拟核心土体开挖,形成洞周径向荷载释放;(3)“激活”单元,模拟管片环拼装和注浆层的形成;(4)循环进行,直至整条隧道贯通。
3 成果与分析
3.1 横向沉降槽
计算得盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通后,不同围岩条件和隧道埋深下,顶推力改变所引起的目标断面1和目标断面2的地表横向沉降槽分布变化规律分别如图2和图3所示。
对比分析图2和图3可以看出:盾构机到达前,受刀盘顶推力对前方土体的挤压效应影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起;盾构机通过时,受脱离盾壳管片环和土壁间隙引起地层应力损失影响,地表形成较大沉降量且该沉降速率较大,同时隧道两侧土体向隧道中线移动,施工影响范围扩大,地表形成较大横向沉降槽;随着掌子面的逐渐远离,施工对地表沉隆变位的影响逐渐减小,地表横向沉降槽渐趋稳定且不再变化。
盾构隧道施工过程中,围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素差异都在较大程度上制约着地表横向沉降槽的变化和沉降量的增加。以目标断面1地表横向沉降槽为例对各影响因素作用下的地表沉降量进行分析,计算得Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用下掌子面下穿目标面时的地表沉降量为0.62cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%;围岩条件减弱,Ⅵ类围岩地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的20%;埋深减小,1D埋深地表最大沉降量为0.39cm,约占隧道贯通后总沉降量的27%;顶推力增大,0.40MPa顶推力引起的地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%。由此可以看出,修建盾构隧道所引起的地表沉降量更多地产生于施工后期,即长期固结期,而受施工阶段盾尾孔隙、壁后注浆和施工围岩扰动等影响相对较小。
3.2 纵向沉隆曲线
点绘计算所得各影响因素作用下,盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通时的隧道纵轴线正上方地表纵向沉隆变位分布曲线如图4所示。由图中可以看出,受顶推力等因素影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起,随后逐渐下沉,但下沉趋势不断减缓并最终趋于稳定。分析计算数据可以看出,Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用引起前方地表最大隆起点距掌子面约15m,围岩条件减弱,Ⅵ类围岩中该距离约为13.5m;隧道埋深减小,1D埋深下该距离约为6m;顶推力增加对地表最大隆起量出现位置几乎没有影响,由此可以看出,该隆起点位置受掌子面顶推力影响较小,而隧道埋深和围岩条件差异是制约地表纵向沉隆曲线变化规律的关键因素,而其中又以隧道埋深的影响最大,如当埋深由2D减小为1D后,该最大隆起量出现位置可缩短约40%。
由各影响因素作用下地表纵向沉隆曲线随施工进程的分布变化规律可以看出,隧道所处围岩条件、埋深和顶推力等因素均将在较大程度上影响和制约着地表沉隆曲线的变化规律。围岩状况恶化或隧道埋深的减小都将引起隧道纵轴线正上方地表沉隆变化区域及变位量的显著增加;顶推力降低,隧道施工对地表的.影响相应削弱。
3.3 沉隆变位分布
由计算所得地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线,点绘Ⅴ类围岩、2D埋深、0.3MPa顶推力作用下盾构隧道分别完成第8环管片拼装和隧道全长贯通后的地表沉隆变位三维分布曲线如图5所示。由图中可以看出,盾构隧道顶推施工将引起掌子面后方地表形成较大沉降量,受沉降围岩带动影响,两侧围岩拥向隧道中轴线,从而形成沉降槽。受顶推力影响,掌子面前方围岩产生向上、向前移动趋势,从而形成地表隆起,远侧围岩受隧道施工影响较小,地表沉隆变位不明显。隧道贯通后,地表形成沿纵轴线对称沉降槽,受围岩次固结效应影响,早期施工完成管片环上方形成较大沉降量。
4 结论与建议
结合广州地铁三号线大-沥区间盾构隧道施工,采用三维有限元法对隧道施工过程中的地表沉隆变位分布变化规律进行了深入研究和定性分析,揭示和探讨了围岩条件、隧道埋深、顶推力等因素变化引起的地表沉隆变位差异,通过本文研究可得出如下结论:
(1)盾构隧道施工地层应力损失导致后方及掌子面附近地表横向形成类似于Peck沉降曲线的单一沉降槽,刀盘顶推力挤压效应引起前方地表横向隆起。地表沉降量主要产生于施工后期的长期固结期而受施工期影响相对较小。
(2)施工地层应力损失、后期固结沉降和掌子面顶推力导致地表纵向呈前隆后沉趋势变化。掌子面前方最大隆起点出现位置受隧道埋深影响较大,而隆起量则受围岩条件影响较大。
(3)分析不同影响因素作用下的地表沉隆变位分布变化规律可知,围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力的增大都将导致施工对地表影响的增加,工程设计中应在结合围岩差异基础上适当调整隧道埋深,并在施工中适时调整顶推力以降低施工对地表环境的影响。
参考文献:
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