基于改进GAP法双线盾构隧道下穿高铁路基沉降研究

李文博 许有俊 范俊毅 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 100124

基于改进GAP法双线盾构隧道下穿高铁路基沉降研究

李文博 许有俊 范俊毅 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 100124

根据GAP法的基本原理，通过对模型的改进和数值计算，以某地铁双圆盾构隧道下穿高速铁路路基工程为依托，对双线盾构隧道下穿高铁路基沉降规律进行预测。研究表明:路基顶面最大沉降量为8.84mm，最大沉降坡度为0.401‰；沉降槽较平坦，形态为单峰，先行隧道施工引起的路基顶面沉降值大于后行隧道引起的路基顶面沉降值。

地铁；盾构隧道；下穿；高速铁路；路基沉降；预测

1 引言

近些年来，随着我国城市的发展，许多大城市开始修建地铁，地铁的开挖会不可避免地扰动洞周土体，导致地表沉降，为减小地铁隧道施工对周围环境的影响，我们有必要对地表沉降进行准确的预测和严格控制。其中GAP法的地表沉降预测模型在国内外得到广泛的认可与应用。Verruijit 和Booker[1]在Sagaseta法的基础上，认为隧道开挖后收敛变形的形式为隧道均匀径向收缩，得到了地表的竖向位移公式，但该方法得到沉降曲线比实测结果要宽，Lee和Rowe[2]假定土体为弹塑性材料，用三维弹塑性有限元分析了加拿大安大略省的桑德贝隧道，引入总间隙参数(主要包括开挖面推进引起的径向变形，盾构机周围的超挖，盾尾壁厚，拼装衬砌的空间），反映将隧道开挖推进和隧道施工引起的地层损失。总间隙参数G定义为:

式中:Gp为物理间隙，Gp=2 A+δ，其中A为盾尾壁厚，δ为拼装衬砌空间，U3D为等效的三维径向位移，W为与施工质量有关的参数。韩煊[3]对这两种模型进行了比较，从理论和数值模拟两方面论证了不均匀收敛模式比均匀收敛模式更加符合实际情况。

有鉴于此，本文在不均匀收敛模型的基础上，对GAP法收敛模型进行改进，并应用于双线盾构隧道下穿高铁路基沉降规律研究中。为设计和施工提供指导。

2 改进的GAP法模型

（1）在盾构施工过程中，由于土体卸荷回弹以及盾构机壁厚和注浆的影响，一般衬砌与开挖外轮廓线的相对位置关系处于上述二者关系之间，即二者中心既不重合边界也不相切，准确描述二者的关系对于模拟开挖效应具有重要影响。参数为:

1）土体损失率: VS

其中，G为开挖面直径与衬砌外围直径之差，C为圆心C1与C2间的距离。

（2）为了更好的对地表沉降进行分析及预测，本文在改进收敛模型的基础上，以FLAC2D为计算工具，研究了地表沉降随着埋深的变化特征。

3 改进的GAP法的工程应用

3.1 工程概况

某地铁双线盾构区间隧道垂直下穿高速铁路路基，盾构直径6.2m，隧道中心间距13.0m，埋深（距地面标高地表）17.39m。高速铁路路基填方高5.0m，路基CFG桩复合地基加固深度为15.15m，盾构隧道管片外轮廓距路基CFG复合地基加固区底部约2.24m5。

3.2 数值计算建模

（1） 模型的确定

模型上边界取至路基表面，下边界至少在隧道底部3.0D以下，横向取至距隧道中线两侧各8.0D。

（2） 计算参数的确定

根据岩土勘察报告，为了简化计算，将土层看成均一土层合并为1层，土层参数详见表1。

表1 土层参数表

3.3 计算结果

图1 左线开挖引起的地层竖向位移云图（m）

图2 双线开挖引起的地层竖向位移云图（m）

图3 盾构隧道引起的路基表面沉降规律

（1）左线隧道开挖完成后隧道拱顶下沉10 m m，地表最大沉降值为5.53mm，沉降槽宽度约32m，最大沉降坡度为0.345‰。

（2）右线隧道开挖完后，地表沉降槽的形态未发生变化，地表影响范围相对增加，沉降槽宽度约44m，最大沉降坡度为0.401‰，最大沉降值为8.84mm，峰值向右（先行隧道方向）偏移11m。

（3）左线隧道开挖引起的地表最大沉降值为5.53mm，右线为3.31mm，左线引起的地表沉降值比右线大。

4 结论

通过对三维数值模拟结果的分析，主要得到以下结论:

（1）盾构隧道从CFG复合地基加固区底部2.24m穿越时，基于改进GAP法计算结果为8.84mm，最大沉降坡度为0.401‰。

（2）基于改进GAP法计算出的路基顶面沉降槽较平坦，其主要原因是CFG桩复合地基加固处理措施提高了地基的承载能力，改善了加固范围内土体的物理力学性质，提高了复合地基的抗变形能力。

（3）双线盾构隧道掘进过程中，先行隧道施工引起的地表沉降值略大于后行隧道引起的地表沉降值。

（4）沉降槽形态为单峰形态，并没有出现双圆隧道典型的双峰形态，主要是因为两隧道的中心线间距较小，当间距小于或等于3D时，双线隧道左、右线施工引起的地表沉降叠加分布与单孔隧道的地表沉降分布非常相似，沉降槽曲线为“单峰”形态，且槽底较宽。

［1］丁铭绩.高速铁路CFG桩桩板复合地基工后沉降数值模拟[J].中国铁道科学.2008,29(3)∶1-5.

［2］张印涛.地下开挖导致邻近砌体古建筑物损坏评价及其保护研究[D]北.京工业大学博士研究生论文.2007.

［3］Attewell, P.B., & Woodman, J.P.1982.Predicting the dynamics of ground settlement and its derivitives caused by tunnelling in soil.Ground Engineering, 15(7), －1322 & 36.

［4］韩煊, 李宁.隧道开挖不均匀收敛引起地层位移的预测模型.岩土工程学报.2006,22(4)∶369～372.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.11.010

国家科技支撑计划项目“城市地下空间建设技术研究与工程示范”（2006BAJ27B05）资助

李文博（1985－），男，内蒙古人，在读博士。主要从事隧道、地下空间方等面的研究。