地铁小净距叠交隧道近接施工影响的数值模拟分析*

叶建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通规划设计研究院,310006,杭州∥教授级高级工程师)

地铁小净距叠交隧道近接施工影响的数值模拟分析*

叶建忠 涂美吉 邱 凡

(浙江省交通规划设计研究院,310006,杭州∥教授级高级工程师)

以深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间工程为背景,通过建立三维数值模型并结合经验计算公式,研究了盾构隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道对先期施工隧道的影响。基于实际工程中存在的5种工况,对比分析隧道在不同空间角度和净距下地表沉降的变化规律以及后期施工隧道对先期施工隧道的影响规律。研究结果可为今后类似工程提供一定的参考和借鉴。

地铁; 叠交隧道; 地表沉降; 数值模拟

Author′s address Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,310006,Hangzhou,China

近年来,随着城市轨道交通的快速发展,盾构法得到了广泛的应用。在实际工程中,由于线路周边存在建构筑物(如建筑物桩基、市政管线及已建地铁隧道等),新建地铁隧道在空间和线型上受到了较大的限制,上下叠交的情况常不可避免。而上下叠交的隧道施工存在着较大的风险;因此,针对地铁上下叠交隧道施工引起的地表沉降及后期施工隧道开挖对先期施工隧道影响的研究具有重要意义。

关于盾构隧道施工引起的地表沉降预测,国内外学者已进行了较多的研究。主要的预测方法为经验公式法、理论预测法及数值分析法。文献[1]提出地面沉降槽呈拟正态分布,后来不少国内外学者对该经验公式进行了改进。文献[2]假定土体是不可压缩的均匀弹性半无限体,采用绝对位移作为变量来求解地面以下土体的位移场和应力场,从而得到三维地面变形的理论计算公式。文献[3]采用三维弹塑性有限元法ANSYS程序软件模拟了交叠隧道土层位移以及地表沉降在盾构推进过程中的变化规律。

关于叠交隧道中后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响的分析,国内外学者也已进行了较多的研究。文献[4]通过建立三维有限元模型对盾构长距离叠交施工进行三维非线性应力应变分析,并得到后建隧道对已建隧道的影响规律。文献[5]采用有限元程序ABAQUS对近距离双线平行隧道掘进进行了动态模拟,分析了盾构新隧道施工对既有隧道的应力分布和衬砌变形等的影响。

本文以深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间工程为背景,采用三维有限元模拟和经验公式法相结合的方法,来预测盾构隧道施工引起的地表沉降以及后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响,并将地表沉降计算结果与现场实际监测数据相对比,以此来验证预测的有效性。本文着重分析在不同隧道空间角度和净距的情况下地表沉降的变化规律以及后期施工隧道对先期施工隧道的影响,以期对今后类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

由于受周边环境限制,深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间出红岭北站后,沿梅园路自西往东下穿梨园路和宝安北路,区间左右线由平行转为上下叠交(左线在下,右线在上),最后到达笋岗站。区间线路为双线。左线盾构区间起点里程为DK26+079.000,终点里程为DK26+499.144,含短链4.03 m,区间长416.114 m。右线盾构法区间起点里程为DK26+157.650,终点里程为DK26+499.144,区间长341.494 m。区间出红岭北站时左右线平面间距为15.7 m,至笋岗站左右线平面间距为0 m。区间平面走向详见平面图1。

图1 深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间平面图

本区间采用2台海瑞克土压平衡盾构机。左、右线盾构分别从笋岗站西端头井先后出发,由西向东推进至红岭北站。其中,左线率先出洞,与右线盾构相距约100环。隧道衬砌采用的钢筋混凝土管片外径为6.0 m,内径为5.4 m,环宽为1.5 m,厚度为300 mm。管片混凝土等级为C50,抗渗等级为P10,并采用M24弯螺栓连接。

由于叠线隧道施工工序已较为成熟,并结合文献[6]、[7]的研究及深圳过往地铁盾构隧道施工经验,本区间隧道选择先开挖下洞再开挖上洞(即先下后上)的施工工序。

2 叠交隧道施工对地表沉降影响分析

2.1 施工对地表沉降影响的三维有限元数值模拟

2.1.1 三维数值模型及参数选取

考虑开挖对土体的扰动及其影响范围,三维有限元数值模型尺寸取60 m (x向)×150 m (y向)×40 m (z向),地表为自由面,底部固定,四周侧面限制其法向位移。土体本构模型选用摩尔-库伦模型,物理力学参数见表1。混凝土衬砌采用线弹性模型,强度等级为C 50,弹性模量取3.45×104MPa,泊松比取0.2,刚度折减系数取0.8。为综合考虑隧道周围土体扰动、盾尾空隙闭合及注浆填充等作用的影响,在盾构隧道周围设置等效层进行模拟。根据现场测试并采用文献[8]的反分析法,等效层厚度取230 mm,重度为18.5 kN/m3,弹性模量取3.7 MPa,泊松比为0.20。

2.1.2 实际工况模拟

本区间左右线隧道从水平平行经空间角度和净距的变化过渡到竖直平行。在简化实际工程情况以利于数值建模的基础上,本文取5种实际工况进行计算(见表2)。

盾构隧道施工过程模拟可将盾构跳跃式向前掘进作为一个非连续过程来研究。在本文的有限元数值模拟中,以采用改变材料类型的方法(即刚度迁移法)[9]来实现将盾构向前推进转换为刚度和荷载的迁移过程。三维数值模型中隧道开挖步长取通用管片环宽1.5 m。根据现场测试,注浆硬化过程中浆体弹性模量按状态分为初始状态0.1 MPa,中期状态4 MPa,稳定状态10 MPa 3个阶段。

表1 模型土层参数

表2 5种实际工况

2.2 地表沉降经验计算方法

文献[1]通过对大量工程数据的统计分析,提出地表沉降槽呈拟正态分布,认为土层移动由土体损失引起。假定土体不排水,且体积不可压缩,则沉降槽体积等于土体损失的体积。横向地表沉降估算式为:

(1)

(2)

式中:

Smax——隧道轴线上方地表最大沉降量;

i——地表沉降槽宽度,即沉降曲线曲率反弯点与中心的距离;

Vl——盾构隧道单位长度的地层损失量。

关于沉降槽宽度i的确定,文献[10]提出:

(3)

式中:

2.3 地表沉降对比分析

为模拟区间盾构隧道实际施工过程对地表沉降的影响,本文采用数值模拟结合经验计算公式,分别计算5种工况的地表沉降。其中,盾尾地层损失率取0.5%(按盾构隧道正常施工)。计算结果如图2～图6所示。

图2 工况1地表沉降

图3 工况2地表沉降

图4 工况3地表沉降

图5 工况4地表沉降

图6 工况5地表沉降

由图2～6可知,实际施工过程中5种工况均引起了不同程度的地表沉降。地表沉降的数值模拟计算结果与经验公式计算结果均能与实际地表沉降监测数据较好吻合。从工况1到工况5,地表沉降最大值呈逐渐增大趋势。其中,工况1和工况5的地表沉降最大值(Smax)发生在模型正中间位置。工况1的Smax在两隧道轴线连线中间位置,工况5的Smax在上下叠交隧道轴线重合处,工况2至工况4的Smax位置均在偏埋深较浅隧道一侧。由此可知,在工况2至工况4下,埋深较浅的隧道对地表沉降影响较大。工况1开挖对地表沉降影响最小,其地表沉降最大值数值模拟计算结果约为9.11 mm,经验公式计算结果约为8.58 mm。工况5开挖对地表沉降影响最大,其地表沉降最大值数值模拟结果约为15.34 mm,相比工况1增大6.23 mm;经验公式计算结果约为14.66 mm,相比工况1增大6.08 mm;增加幅度分别约为68.4%和70.9%,因此,在工况5(即上下小净距叠交状态)施工过程中需密切结合现场监测方案,不断调整土压平衡盾构机施工参数,以控制盾构推进对地表沉降的影响,确保隧道的安全形态和盾构顺利推进。

2.4 地表沉降影响因素

地表沉降的影响因素较多,如隧道埋深、土层性质、隧道空间角度及净距等。由于实际施工过程中的5种工况涉及了隧道空间角度和净距的变化,故本文重点研究上述两种因素对地表沉降的影响,即采用对不同的隧道空间角度和净距分别建立三维有限元模型模拟,并结合经验计算公式验证,进行地表沉降计算。计算结果如图7及图8所示:

图7 不同净距隧道地表沉降随空间角度的变化曲线

图8 不同空间角度隧道地表沉降随隧道净距的变化曲线

由图7可知,在隧道净距不变的情况下,随着隧道空间角度的增加,地表沉降均呈增加趋势。当隧道净距为2 m时,地表沉降增加速率最小;当隧道净距为10 m时,地表沉降增加速率最大,且地表沉降的增加速率也随着空间角度的增加而增加。不同净距隧道地表沉降随空间角度变化曲线均在30°附近交叉,这也从图8中得到了验证。

由图8可知,在隧道空间角度为0°和30°的情况下,随着隧道净距的增加,地表沉降均呈减小趋势;在隧道空间角度为45°、60°和90°的情况下,随着隧道净距的增加,地表沉降呈增加趋势;而且空间角度为90°时,增加速率较大。当空间角度为30°时,地表沉降随着隧道净距的增加呈微弱减小趋势(即减小幅度较小)。这也验证了图7中曲线在30°附近交叉的情况。故30°左右为较为特殊关键的空间角度。

3 后期施工隧道对先期施工隧道影响分析

叠交隧道中后期施工隧道对先期施工隧道的影响程度与土层性质、隧道空间角度及净距等密切相关。本文着重研究隧道空间角度和净距的影响,即对不同的隧道空间角度和净距分别进行三维有限元模拟,并研究其作用规律。由于隧道拱顶及拱底的位移值是工程中较为关注的问题,故本文中取后期施工隧道开挖引起的先期施工隧道拱顶及拱底竖向位移进行研究。数值模拟时在先期施工隧道开挖完成后将其拱顶及拱底位移值置零;然后,再进行后期施工隧道的开挖,并以此来计算后期施工隧道开挖引起的先期施工隧道的拱顶及拱底竖向位移值。计算的结果如图9～12所示。

图9 不同净距先期施工隧道拱顶竖向位移随空间角度的变化曲线

由图9及图10可知,在隧道净距不变的情况下,先期施工隧道拱顶及拱底竖向位移均随着隧道空间角度的增加而增加,且拱底竖向位移增加速率随着空间角度增加而逐渐放缓。水平平行状态时,后期施工隧道开挖对先期施工隧道的拱顶及拱底竖向位移影响较小;竖直平行状态时,后期施工隧道开挖对先期施工隧道的拱顶、拱底竖向位移影响较大。因此,在叠交隧道实际施工过程中,后期施工隧道开挖时应对先期施工隧道变形进行密切监测,并采取相应的施工措施来控制先期施工隧道的变形(如在先期施工隧道中安装支撑台车等)。

图10 不同净距先期施工隧道拱底竖向位移随空间角度的变化曲线

图11 不同空间角度先期施工隧道拱顶竖向位移随净距的变化曲线

图12 不同空间角度先期施工隧道拱底竖向位移随净距的变化曲线

由图11及图12可知,在隧道空间角度不变的情况下,先期施工隧道拱顶、拱底竖向位移均随着隧道净距的增加而减小。当隧道为水平平行状态时,如净距达到6 m (即1倍洞径时),则先期施工隧道拱顶及拱底竖向位移均较小,可认为后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响较小;如隧道净距为2 m,则在各空间角度下,先期施工隧道的拱顶及拱底位移均较大,即后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响较大。因此,在小净距隧道实际施工过程中,也应同叠交隧道一样对先期施工隧道进行密切监测,并采取安装支撑台车等施工措施控制先期施工隧道变形。

4 结论

本文基于深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间隧道工程,采用三维数值模拟和经验计算公式相结合的方法来预测盾构隧道施工引起的地表沉降以及叠交隧道中后期施工隧道对先期施工隧道的影响,主要有以下几点结论:

(1) 地表沉降的数值模拟计算结果与经验公式计算结果均能与实际地表沉降监测数据较好吻合。从工况1到工况5地表沉降最大值呈逐渐增大趋势。由沉降数据分析可知,在工况2至工况4下,埋深较浅的隧道对地表沉降影响较大。在工况5的施工过程中,应采取相应施工措施以控制地表变形。

(2) 在隧道净距不变的情况下,随着隧道空间角度的增加,地表沉降均呈增加趋势,且地表沉降的增加速率也随着空间角度的增加而增加。

(3) 在隧道空间角度为0°和30°的情况下,随着隧道净距的增加,地表沉降均呈减小趋势;在隧道空间角度为45°、60°和90°的情况下,随着隧道净距的增加,地表沉降呈增加趋势。空间角度为30°时,地表沉降随着隧道净距的增加呈微弱减小趋势(即减小幅度较小)。故30°左右为较为特殊关键的空间角度,该角度是否与土体摩擦角相关尚待进一步研究。

(4) 在隧道净距不变的情况下,先期施工隧道拱顶及拱底竖向位移均随着隧道空间角度的增加而增加,且拱底竖向位移增加速率随着空间角度增加而逐渐放缓。当隧道为水平平行状态时,后期施工隧道开挖对先期施工隧道的拱顶及拱底竖向位移影响较小;当隧道为竖直平行状态时,后期施工隧道开挖对先期施工隧道的拱顶及拱底竖向位移影响较大。

(5) 在隧道空间角度不变的情况下,先期施工隧道拱顶、拱底竖向位移均随着隧道净距的增加而减小。当隧道为水平平行状态时,如净距达到6 m (即1倍洞径时),则后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响较小。如隧道净距为2 m (小净距隧道)时,则在各空间角度下,后期施工隧道开挖对先期施工隧道的影响较大。

(6) 在叠交隧道及小净距隧道实际施工过程中,后期施工隧道开挖时应对先期施工隧道变形进行密切监测,并采取相应的施工措施来控制先期施工隧道的变形。

[1] PECK R B.Deep excavations and tunneling in soft ground[C]∥Proceeding of 7thInternational Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering,1969.Mexico City:Sate of the Art Report,225-290.

[2] SAGASETA C.Analysis of undrained soil deformation due to ground loss[J].Geotechnique,1987,37(3):301-320.

[3] 孙钧,刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报(自然科学版),2002,30(4):379-385.

[4] 张连凯,张海波,李刚.长距离叠交隧道施工过程三维有限元模拟研究[J].力学季刊,2005,26(3):416-422.

[5] 姜忻良,贾勇,王涛.近距离平行隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟研究[J].天津大学学报(自然科学版),2007,40(7):786-790.

[6] 陈先国,王显军.近距离重叠隧道的二维和三维有限元分析[J].西南交通大学学报(自然科学版),2003,38(6):643-702.

[7] 林刚.地铁重叠隧道施工工序研究[J].现代隧道技术,2006,43(6):23-28.

[8] 张云,殷宗泽,徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):388-392.

[9] 张海波,殷宗泽,朱俊高.近距离叠交隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟[J].岩土力学,2005,26(2):282-286.

[10] 刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991:339.

Numerical Simulation Analysis of the Interactive Impact between Small-clear-distance Overlapped Metro Tunnels during Construction

YE Jianzhong, TU Meiji, QIU Fan

Based on the tunnel construction between North Hongling Station and Sungang Station on Shenzhen Metro Line 7,a 3D numerical simulation model is established,and the empirical formulas are used to study the ground surface settlement caused by shield tunnel construction and the impact of the pre and post tunnel constructions.Based on 5 types of practical circumstances,the change rules of ground surface settlement and the impact rules of later tunnelling on early tunnelling under different space angles and clear distances are compared.The main conclusion of the research could be used as a reference for similar projects in the future.

metro; overlapped tunnel; ground surface settlement; numerical simulation

*浙江省科技计划项目(2014C33054)

U 456.3; TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.12.006

2015-09-14)