地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析

2018-11-22刘保东向芷良

结构工程师 2018年5期

刘保东王锐方瑾向芷良

(1.南宁城建管廊建设投资有限公司,南宁 530200; 2.上海同筑信息科技有限公司,上海 200090)

0 引言

近年来,以地铁为主的城市交通建设得到了迅速发展。随着城市地下空间的进一步发展,新建隧道与既有隧道相互平行,上下垂直重叠,上下斜交。以往对隧道重叠问题的研究多为两线交叉或平行交叉,而近年来对三线甚至多线重叠问题的研究较少。

在盾构隧道施工问题中的应用及研究成果主要有:利用“生死单元”可以模拟盾构开挖的过程[1],考虑衬砌管片结构的横观各向同性,应对其刚度进行折减[2],土压平衡盾构机在砂性地层施工时,洞周应力释放率大约为20%[3],当盾构开挖面土仓压力大于土水压力合力时,地面隆起量主要取决于隧道的埋深[4],既有隧道对其下方土压力的横向和深度影响范围[5],近距离双孔平行隧道开挖顺序对衬砌结构轴力和弯矩的影响[6]。

国内外诸多学者对盾构穿越施工进行了研究,取得了一些有益成果:徐前卫等[7]研究了上海外滩观光隧道上穿地铁2号线两条平行隧道复杂工况下盾构掘进施工的土体扰动特点。毕继红等[8]采用平面应变单元分析了近距离右线隧道开挖对左线既有隧道的影响问题。徐章杰[9]以北京地铁15号线盾构穿越京承铁路箱涵工程为背景,分析了盾构施工引起既有铁路箱涵变形问题。与此同时,陶连金等[10]利用FLAC3D模拟了超近距离双线隧道盾构施工的过程,分析了左、右隧道先后施工的相互影响,发现相邻隧道盾构施工时,新建隧道对既有隧道的影响表现为应力的“提前到达”和变形的“滞后发展”。张海波等[11]修改三维非线性有限元程序TDAD,提出了一种能够综合考虑盾构施工过程中各种因素的三维有限元模拟方法,模拟了土压平衡盾构推进、盾尾空隙和压浆的过程,计算得到的隧道纵向地表沉降曲线接近于现场实测数据。Hage和Shahrour[12]利用有限元软件分析了近距离隧道相对位置和施工顺序对土体沉降以及应力的影响。Wang等[13]利用ABAQUS软件分析了地下管线直径、材料特性、埋藏深度及土体特性对城市地铁隧道施工的影响。其他学者也利用有限元软件对隧道的相对位置、相互作用等问题进行了研究[14-15]。

以上海某新建隧道上、下穿越既有运营隧道工程为背景,采用三维有限元数值软件构建模型,结合土压平衡盾构的施工特点,模拟盾构开挖施工步,分析了地表沉降规律以及土仓压力对地表沉降的影响,对城市地铁的设计和后续类似工程的施工具有理论研究和实践指导意义。

1 工程概况

上海某新建隧道施工时,上、下行线盾构穿越某既有运营隧道,最小净距分别为1.82 m、1.69 m。邻近穿越段土体物理力学参数见表1。

表1土体物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of the soil

2 有限元计算模型

2.1 建立模型

在盾构施工过程中,土压平衡盾构机在土室中设置压力传感器,实时采集土仓压力值,然后通过控制螺杆的开闭度来控制土室压力,输送阀和千斤顶的推力,从而保持开挖面的稳定性[9]。

为了研究土槽压力对地面沉降的影响,本文建立的计算模型尺寸为80 m ×7.2 m ×60 m,即沿现有隧道方向80 m,沿新隧道方向7.2 m,沿深度方向60 m。模型的上表面设为自由边界,侧向约束为水平位移,底部约束为垂直位移。采用8结点实体单元C3D8R对土体、衬砌段、注浆层和盾壳进行模拟。土壤材料是理想的弹塑性介质。本构模型采用Drucker-Prager准则。混凝土衬砌段、注浆层、屏蔽壳采用线性弹性模型。。有限元网格划分如图1所示。

新建隧道衬砌外径6.2 m,内径5.5 m,管片每环宽度1.2 m,厚度0.35 m。等代层厚度取0.105 m。盾构隧道衬砌管片由钢筋混凝土预制而成,混凝土强度等级为C55,弹性模量为3.55×104MPa,泊松比μ=0.2,密度ρ=2 500 kg/m3。衬砌管片之间以及管片环与环之间均采用高强螺栓连接,考虑盾构隧道管片拼装对衬砌结构整体刚度的影响,取等效刚度折减系数为0.85,即衬砌管片的弹性模量E=3.02×104MPa。盾构外壳密度ρ=7 800 kg/m3,弹性模量E=2×105MPa,泊松比μ=0.3。土体重度γ=18kN/m3,黏聚力c=16 kPa,内摩擦角φ=15°,压缩模量Es=3.36 MPa,弹性模量E=11.76 MPa,泊松比μ=0.28。注浆浆液不考虑其硬化过程,取弹性模量E=30 MPa,密度ρ=2 100 kg/m3,泊松比μ=0.25。

图1 有限元网格划分示意图Fig.1 Mesh of calculation

2.2 盾构开挖过程模拟

有限元软件采用刚度传递法模拟盾构施工过程,如刚度和荷载传递过程,如图3所示。当盾构开挖被推进时,开挖面上的土体将被卸荷,盾构头单元将从土体变为盾构壳,当盾构尾部出来时,相应的土体单元将被拆除,预置的注浆和衬砌单元将在相应处被激活[16]。

图2 盾构施工单元材料示意图Fig.2 Diagram of the elements properties

模拟的具体步骤为:

(1) 盾构机在土中推进,当推进到第n环时如图3.5,第n环处把土体挖除,第n环等代层变为刚壳(弹性模量为200 GPa),同时在开挖面施加一个均布支护压力,支护压力为开挖面中心点水平土压力的1.1倍。

(2) 此时第n-1环处为衬砌管片的拼装并且注浆,这一环的等代层弹性模量由刚壳变为浆液(弹性模量为0.2 MPa),土体表面的法向作用注浆压力,压力大小也为开挖面中心点水平土压力的1.1倍。

(3) 此时第n-2环的浆液弹性模量由开始注浆时的0.2 MPa逐渐硬化变为0.6 MPa。

(4) 此时第n-3环的浆液弹性模量由0.6 MPa逐渐硬化为1.2 MPa。

(5) 此时第n-4环的浆液弹性模量由1.2 MPa继续硬化为5 MPa。

随着盾构机向前推进,掘进的环数不断往前增加,进行周而复始的循环,直到一条隧道开挖完成。需要提示的是:在实际盾构开挖工程中,为了使上方的土体和既有隧道微微隆起,开挖面支护压力要比开挖面中心点水平土压力要大,一般取其1.05-1.1倍。此处取为1.1倍。

3 地表沉降分析

3.1 地表横向沉降槽

以第3环与第4环交界面处横向地表沉降为研究对象,图3为盾构开挖过程中地表横向沉降曲线。

图3 地表横向沉降曲线Fig.3 Settlement of ground surface over tunnel

与Peck提出的盾构施工引起的地面横向沉降曲线计算公式的结算结果相比较,本文得出的沉降曲线略有不同。隧道开挖过程中,盾构所在位置处地表出现沉降,相对于盾构中心位置,两侧地表出现局部隆起现象。盾构开挖结束后,隧道轴线相对于两侧表现出下沉趋势,但地表整体表现为隆起趋势。隧道轴线的横向位置为42 m,此处隆起量为1.0 mm。两侧最大隆起量分别为4.0 mm和5.3 mm。

3.2 隧道顶部沿轴线位移

以新建隧道洞周顶部竖向位移为研究对象,图4为洞周顶部沿隧道轴向的竖向位移。

图4 隧道洞顶竖向位移Fig.4 Vertical settlement of tunnel

由图4可以看出,第1环土体开挖,开挖面前方土体卸载,支护压力施加后,第2环洞顶竖向位移最大,开挖面前方土体竖向位移逐渐减小。随着盾构前行,开挖面前方最大竖向位移也随之前行,开挖面后方洞顶竖向位移也随之前移。必须指出的是,开挖面后方洞顶竖向位移随着盾构前移,有逐渐反弹的趋势,即表现为隆起。当土仓压力等于开挖面平衡土压时,地表的隆起和沉降值均为最小,故在盾构开挖过程中要不断调节土仓压力,以使开挖面维持稳定。限于本文隧道轴线方向模型长度较小,所取代表点有限,竖向位移曲线波动较大,但变化趋势较为明显。

4 土仓压力的影响

如果土仓压力大于开挖面土水压力,地表就会隆起[18]。通过地应力平衡得到开挖面静止土压力均值为0.28 MPa,分析土仓压力分别为0.25 MPa、 0.28 MPa、0.32 MPa及0.35 MPa时的计算结果。图5为不同土仓压力下隧道开挖结束后的竖向位移曲线。

由图5可知,随着土压力的增大,隧道的轴向沉降明显增大。当筒仓压力为0.25 MPa时,轴向上抬升的平均值为0.7 mm,而0.35 MPa土仓压力对应的轴向上抬升的平均值为5.0 mm。土压力增加40%,轴向表面隆起增加600%。随着土料筒仓压力的增大,地表侧向沉降量增大,呈上升趋势。隧道轴线两侧的隆升幅度最大。当土仓压力为0.25 MPa时,左侧轴线为4.0 mm,右侧轴线为5.3 mm;当土仓压力为0.35 MPa时,左侧轴线为6.1 mm,右侧轴线为7.2 mm。轴左侧隆起的最大值增加了52%,右侧隆起的最大值增加了36%。隧道轴线的隆升由1.0 mm增大到5.3 mm。随着土压力的增大,隧道轴线与土体两侧的沉降差逐渐减小。可见,土仓压力对地表沉降的影响较大,主要体现在隧道轴线、地表沉降和隧道轴线上。