左右线盾构超越施工影响下的土体变形规律研究*

陈 东 周传波 李超人 王 超 张 震 蒋 楠

(1.武汉地铁集团有限公司，430000，武汉；2.中国地质大学(武汉)工程学院,430074,武汉∥第一作者,助理工程师)

左右线盾构超越施工影响下的土体变形规律研究*

陈 东1周传波2李超人1王 超2张 震2蒋 楠2

(1.武汉地铁集团有限公司，430000，武汉；2.中国地质大学(武汉)工程学院,430074,武汉∥第一作者,助理工程师)

以武汉地铁3号线区间隧道工程为背景,针对右线盾构超越左线盾构施工这一工程实际,通过数值模拟与现场监测相结合的方法,研究施工过程中地表横向、纵向沉降变化以及深层土体的横向水平位移变化。研究结果表明:地表沉降与沉降槽宽度在右线盾构通过后明显增大;纵向地表在右线盾构通过前先小幅沉降,右线盾构通过后迅速沉降,当右线盾构离开监测断面40 m后沉降趋于稳定;不同深度土体的横向水平位移也不相同,最大位移发生在隧道埋深一半左右。因此,盾构超越施工对先建隧道的影响非常明显。

盾构隧道; 左右线盾构超越施工; 地表沉降; 水平位移

First-author′s address Wuhan Metro Group Co.,Ltd.,430000,Wuhan,China

近年来，随着城市地铁建设的升温,双线平行隧道盾构法施工引起土体变形已得到充分研究,主要研究方法分为经验公式法、理论分析法以及数值模拟方法。1969年,Peck在大量施工监测数据的基础上,假定土体不排水、沉降槽体积等于土体开挖损失体积,提出了著名的Peck公式[1],指出地表横向沉降曲线呈正态分布。国内学者在Peck公式的基础上进行了改进:文献[2-4]对盾构隧道施工过程中三维土体沉降进行了研究,建立了修正的三维Peck公式。文献[5-8]建立了近间距双线平行盾构隧道数值模型,分析了后建隧道对先建隧道的影响,并对比分析了不同施工参数下土体沉降规律。但这些研究大多基于两台盾构施工间距超过100 m的情况,对于双线盾构超越施工引起的土体变形规律研究较少,此前只对上海轨道交通7号线锦秋路站—上海大学站区间进行过类似研究[9]。由于城市地下施工环境的复杂性以及施工过程中突发状况的不可预知性,盾构超越施工发生的可能性依然存在,因此,对双线盾构超越施工引起土体变形这一特殊规律需做进一步研究。

本研究依托武汉地铁3号线市民之家站—宏图大道站区间工程实际,建立双线近距平行隧道盾构法施工数值模型,利用数值分析与现场监测数据相结合的方式,从左线隧道开挖地表横向沉降变化规律、右线盾构在超越左线盾构施工过程中地表横向沉降变化规律、地表沉降随右线盾构掘进的变化关系、不同深度土层横向水平位移在右线盾构通过前后的变化规律等四个方面进行研究。

1 工程概况

武汉地铁3号线市民之家站—宏图大道站区间穿越长江Ⅱ级阶地,区间第四系地层广泛分布,厚达42～63 m;主要穿越土层从上至下依次为杂填土、素填土、黏土、粉质黏土。区间隧道采用盾构法施工,在盾构掘进过程中对盾壳与管片外径之间的空隙同步注浆。根据岩土工程勘察报告,各土层和支护结构材料参数见表1。

表1 不同材料的力学参数

2014年4月,左线盾构始发;2014年6月,右线盾构始发。2015年1月,左线盾构因特殊情况遭严重损坏,此时两盾构相距约120 m,盾构上方为宏图大道,周围无重要建筑物。为不延误工期,在左线盾构维修期间,实施右线盾构超越工程。

在超越施工过程中,严格控制盾构正面平衡压力、推进速度、纠偏量、同步注浆量和浆液质量,并加密监测,研究右线盾构掘进参数对土体变形及左线隧道的影响,并及时调整施工参数。超越施工完成后,持续监测直至变形趋于稳定,根据变形情况进行二次注浆。

2 三维数值模型

模型长度为180 m,左、右边界相距80 m,深度为50 m。隧道埋深20 m,两隧道轴线间距15 m,洞径为6 m,管片厚0.3 m、宽1.5 m。数值计算边界条件为底部全约束、左右两侧约束X方向位移。采用摩尔-库伦模型,利用有限差分软件FLAC3D进行数值计算,建立数值模型(见图1)。

在模拟过程中,开挖面支护压力采用0.7倍地层应力,每3 m一个循环,模拟断面开挖、管片安装及注浆过程。左线首先开挖,当左线掘进到120 m处时停工,右线开挖直至贯通,模拟右线盾构超越左线盾构过程中土体变形。

图1 FLAC3D数值模型

3 超越施工前左线盾构开挖引起地表横向沉降分析

为对比超越施工前后地表横向沉降变化,在超越施工前,取隧道掘进方向Y=30 m、60 m、90 m、120 m处进行地表横向沉降分析。左线隧道开挖稳定后地表横向沉降模拟值与实测值如图2、图3所示。

图2 地表沉降模拟值

图3 地表沉降实测值

对比图2与图3可知,沉降曲线以左线隧道轴线为轴近似对称分布,隧道拱顶上方地表沉降最大,距离隧道轴线越远沉降值越小；数值计算结果与实测值较吻合,表明数值模拟可用于分析和预测盾构掘进引起土体的变形。根据图2可知,沉降曲线基本符合Peck公式正态分布规律,沉降槽宽度约为40 m。而实测数据由于监测点设置较少,沉降曲线未能呈现此规律。

此外,各处沉降并不相同,其中Y=60 m处沉降值最大,Y=120 m处沉降值最小。这是由于上覆杂填土及素填土厚度在该处最大,这两种土体受扰动变形较大,因此该处沉降较大；而Y=120 m处是左线隧道停工断面,前方土体未开挖,周围土体受扰动较小,因此沉降值较小。

4 右线盾构超越施工过程中土体变形

4.1 沉降位移云图分析

右线贯通后,地表及Y=60 m处横截面Z向位移云图如图4、图5所示。

图4 地表位移云图

图5 Y=60 m处截面位移云图

分析图4可知,地表各处沉降并不相同,在横向方向上,由于沉降槽的影响,隧道拱顶上方及两隧道中间沉降最大,向两侧依次减小;在纵向方向上,随着Y接近左线隧道停工断面(Y=120 m),地表横向沉降范围增大,当Y远离停工断面,沉降范围随之减小,最大沉降发生在30 m

(1) 随着右线盾构接近左线隧道停工断面,隧道开挖对土体的扰动效应增强,土体变形增大。

(2) 上覆杂填土及素填土厚度在上述区间较大,因此地表沉降较大。

观察图5可知,Y=60 m处截面沉降位移云图呈现出一定的对称性,但总体偏向右线隧道一侧；左线隧道拱顶上方土体沉降最大,达75.8 mm；沉降范围从拱顶一直延伸至地表及隧道两侧,地表最大沉降值约为30 mm；隧道底部由于开挖引起应力卸荷产生隆起,最大隆起值达54.8 mm。

4.2 横向地表沉降分析

取隧道掘进方向Y=30 m、60 m、90 m、120 m处进行分析。右线盾构超越完成地表沉降稳定后,地表横向沉降曲线如图6所示。

图6 右线盾构通过后地表沉降值

对比图2、图6可知,右线盾构通过后,地表横向沉降曲线变化很大,沉降槽宽度增加,沉降值增大。其中,地表沉降曲线在隧道中心线两侧不对称,最大沉降发生在两隧道中心线靠近右线隧道一侧。这是因为右线盾构在左线盾构扰动过的土层施工,扰动后土体强度、密实度、弹性模量等降低,施工引起的土体损失率大于左线隧道,因此在横向沉降曲线上,最大沉降偏向右线隧道一侧。此外,右线盾构越接近左线隧道开挖面,这种扰动现象就越加明显,具体表现见图2、图6中Y=30 m和Y=120 m处横向沉降值变化。

4.3 地表沉降随右线盾构掘进变化

沿两隧道中心线(X=40 m)取Y=30 m、60 m、90 m、120 m处进行分析,地表沉降与右线盾构掘进位置的关系曲线见图7。

分析图7可知,在右线盾构通过前后,地表监测点经历先小幅沉降后迅速沉降到最后稳定的过程。右线盾构通过前,由于纵向沉降槽的影响,地表开始沉降,但沉降值较小。当盾构通过监测断面时,并不立即产生大量沉降,而是在盾构通过一段距离后才开始迅速沉降,这是由于盾构施工对土体的扰动效应在空间上具有一定的滞后性。当右线盾构距离监测点断面40 m后,地表沉降才开始趋于稳定。

图7 纵向地表沉降曲线

对比图7中4条沉降曲线可知,监测点位置越接近左线隧道停工断面,右线盾构通过后地表沉降速度越快,且沉降完成时间越短。这是因为随着左、右线隧道开挖断面的接近,土层对二次扰动的敏感性增大。

4.4 深层土体的横向水平位移

沿两隧道中心线(X=40 m),Y=60 m处不同深度土体在右线盾构通过前后的横向水平位移变化如图8所示。

图8 深层土体水平位移

由图8可知,土体横向水平位移偏向左线隧道一侧。这是由于左线隧道先期施工导致周围土体向左线隧道中心偏移,右线盾构通过后,土体向右线隧道一侧移动,但变化不大,因此横向水平位移始终偏向左线隧道一侧。

不同深度土体的横向水平位移并不相同,最大位移发生在隧道埋深一半左右,最大值为11.5 mm。这是由于地表距隧道中心较远,以竖直沉降为主,水平位移较小;而隧道埋深附近土层由于受到盾构顶进推力引起的挤压作用及注浆的影响,水平位移变化不大。

5 结论

(1) 右线盾构超越施工过程中,地表横向沉降与单线隧道开挖时相比,沉降槽宽度增加,沉降值增加,最大沉降偏向右线隧道一侧。

(2) 双线平行隧道施工需保证一定间距,2台盾构纵向间距越接近,沉降槽的叠加沉降就越明显。为保证盾构施工安全和有效控制地表沉降,除非特殊情况,2台盾构应保持一定的间距,避免超越施工。

(3) 隧道中心线的纵向地表在右线盾构通过前由于纵向沉降槽的影响先略微沉降,随着盾构的掘进迅速沉降,当右线盾构通过监测点断面40 m后沉降趋于稳定。

(4) 土体的横向水平位移在不同深度并不相同,在隧道埋深一半左右时位移最大,左线隧道引起的土体水平位移明显大于右线隧道。

[1] PECK R B.Deep excavations and tunneling in soft ground[C]∥ Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City:State of the Art Report,1969:225.

[2] 陈春来,赵城丽,魏纲,等.基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测[J].岩土力学,2014,35(9):2562.

[3] WEI G.Prediction of soil settlement caused by double-line parallel shield tunnel construction [J].Disaster Advances,2013,6(6):23.

[4] 胡斌,刘永林,唐辉明,等.武汉地铁虎泉—名都区间隧道开挖引起的地表沉降研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(5):908.

[5] 林志,朱合华,夏才初.双线盾构隧道施工过程相互影响的数值研究[J].地下空间与工程学报,2009,5(1):85.

[6] 林志,朱合华.近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究[J].岩土力学,2006,27(7):1181.

[7] 张海波,殷宗泽,朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(5):755.

[8] 王鹏,周传波,刘亚辉,等.武汉地铁三号线土层盾构开挖引起地表沉降研究[J].水文地质工程地质,2015,42(1):75.

[9] 白云,戴志仁,徐飞,等.后掘盾构超越先掘盾构对地层变形的影响研究[J].土木工程学报,2011,44(2):128.

Study on Soil Deformation Induced by Surpass Construction of Double-line Shield Tunnel

CHEN Dong, ZHOU Chuanbo, LI Chaoren, WANG Chao, ZHANG Zhen, JIANG Nan

Taking the tunnel engineering of Wuhan metro Line 3 as the background, and according to the particular situation of the right-line shield tunnel surpassing the left-line, numerical simulation and on-site monitoring are combined to study the horizontal and vertical ground settlement, as well as the deep soil horizontal displacement. The research indicates that the ground settlement and settlement slot width increase significantly after the right-line shield getting through, the ground would go down before the right-line shield arrives and then go down rapidly, the settlement would remain stabile when the right shield leaves 40 m away from the monitoring section. The horizontal displacement is not the same at different soil depths, the maximum displacement locates at half depth of the tunnel. It's clear that the surpass construction has great impact on the built tunnels.

shield tunnel; double-line tunnel surpass construction; ground settlement; horizontal displacement

*国家自然科学基金项目(41372312);武汉市“黄鹤英才(科技)计划”项目;中国博士后科学基金项目(2014M552113);中央高校 基本科研业务费专项资金项目(CUGL140817)

U 455.43;TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.01.010

2015-05-04)