复合地层双线盾构施工诱发地表沉降规律分析

郭 朝

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 概述

城市轨道交通系统具有快速、准时、安全、舒适、便利和高效等优点,对于缓解日益严峻的城市交通拥堵问题、带动沿线区域发展和推动城市经济增长具有重要作用。盾构隧道技术因其对周边环境影响小、安全性高和自动化程度高等优点,被广泛应用于我国城市轨道交通工程区间隧道建设领域当中。然而,盾构法施工仍难以避免引起地层损失,造成地表沉降。

目前,就盾构施工诱发的地层变形规律研究,主要采用理论分析方法、基于监控量测的数据拟合方法、数值模拟方法等。王智德等通过对监控量测数据的分析,提出了基于时空关系的地表沉降分布规律,并基于Mindlin解推导了预测公式[1];王忠凯等依据土体弹塑性应力-应变关系,确定了盾构掘进、离开阶段的地层横向扰动范围[2];刘建国基于土力学理论,利用半解析法以及数值分析法,就引起黄土地层变形的因素进行分析[3];李博等探讨卵石地层、富水砂层的地表沉降预测规律[4-6];于德海等采用数值模拟方法分析岩质地层的变形规律[7]。王振飞等分析卵石地层单线盾构隧道施工诱发的地层变形规律[8-9];张恒等分析了盾构掘进参数对地表沉降的影响[10-13];张恒新等依托上海地铁10号线下穿虹桥机场工程,结合三维有限元数值模拟,分析双线盾构隧道下穿引起的跑道沉降规律[14]。然而,针对复合地层中双线盾构隧道施工诱发的地表沉降规律所开展的系统性研究尚不多见。

深圳具有“地质博物馆”之称,上软下硬的复合地层是其显著的地质特点。依托深圳市轨道交通某区间隧道工程,采用数值模拟计算分析方法,从地层复合比、隧道覆径比、隧道间径比3个角度,对复合地层中双线盾构隧道施工诱发的地表沉降规律进行系统分析。

2 工程概况

深圳市轨道交通某区间隧道工程采用盾构法施工,管片内径、外径、厚度和宽度分别为6.0m、6.7m、0.35m和1.5m。该区间左线长4121.068m,右线长3992.221m,线间距为14.00～37.35m,隧道顶埋深12.684～53.228m。

隧址区场地地貌单元为台地地貌和丘陵地貌,地形整体较为平坦,局部保留原始地貌特征。场地地层主要有人工堆积层,全新统冲洪积层、坡积土、残积层,侏罗系角岩。隧道洞身范围内地层如下。(1)第四系:①1素填土层;⑧5冲洪积粉质黏土层。(2)侏罗系:㉔1-1全风化角岩;㉔2-1土状强风化角岩;㉔3-1块状强风化角岩;㉔4-1中等风化角岩和㉔5-1微风化角岩。其中,左、右线隧道穿越复合地层,不均匀风化角岩地层累计长度分别为1703m、350m,分别占区间长度的41%、8%。

本区间地表水主要为沙溪河和东深河。地下水埋深0.20～26.10m,主要为第四系松散岩类孔隙水,赋存于块状强风化、中等风化带中的基岩裂隙水,以及赋存于断裂构造发育区碎裂岩层中的构造裂隙水。沿线地下水主要由大气降水和地表水补给,通过大气蒸发和地下径流排泄。

3 数值模型的建立与合理性验证

3.1 数值模型的建立

选取本区间具有复合地层特征的DK14+100.000～DK14+130.000区段进行建模分析,地层分布见图1。

图1 复合地层分布(单位:m)

为便于分析,同时体现复合地层的显著特征,将隧道断面范围内的㉔1-1全风化角岩层、㉔2-1土状强风化角岩层合为软土层㉔r,其物理力学参数取两种地层的加权平均值;将㉔4-1中等风化角岩层视为硬岩层,围岩的物理力学参数见表1。衬砌管片的混凝土强度等级为C50,盾构机盾体材料为Q345B,盾尾注浆层的物理力学参数通过将相应位置处围岩的物理力学参数提高30%来考虑[15],各项物理力学参数见表2。

表1 围岩物理力学参数

表2 衬砌管片和盾构机盾体物理力学参数

续表1

根据图1所示的典型断面,采用MIDAS/GTS有限元分析软件进行数值模拟计算。模型尺寸为100m(X)×30m(Y)×48m(Z),以避免边界效应对计算结果的影响。模型上部边界为自由面,侧面各边界约束其法向自由度,底部边界约束其各向自由度。模型中,围岩和注浆层采用实体单元模拟,管片衬砌结构、盾壳采用板单元模拟,土仓压力通过于掌子面施加均布荷载模拟,盾构机顶推力根据千斤顶分布于管片相应位置施加集中力模拟。左线盾构隧道先于右线盾构隧道掘进。数值模型见图2。

图2 数值计算模型

3.2 数值模型的合理性验证

于区间DK14+120处布设横向地表沉降监测断面(见图3)。地表沉降监测值与数值模拟计算值见图4。由图4可知,地表沉降监测值与计算值吻合度较高,数值模型的合理性得以验证。监测值与计算值之间的差异,主要是由数值模型中地层的均匀化假定未能反应工程实际中地层分布的多样性而引起。

图3 横向地表沉降监测断面(单位:m)

图4 地表沉降对比

4 复合地层的地表沉降规律分析

4.1 地层复合比对地表沉降的影响

地层复合比,定义为洞身范围内软土层厚度与隧道直径的比值,以α表示。隧道断面外地层如图1所示,α取0.00、0.25、0.50、0.75和1.00,隧道埋深、中心间距、管片外径分别为13m、25m、6.7m时,横向地表沉降曲线见图5,最大地表沉降和沉降槽宽度随α的变化曲线见图6。

图5 横向地表沉降曲线

由图5、图6可知,①沉降槽宽度随α增大而增大,当α由0增大到1时,总沉降槽宽度由68m增大到88m,增幅达29%,隧道中心线外单侧沉降槽宽度(以下简称“单侧沉降槽宽度”)由3.2D增大到4.7D(D为管片外径,余同),增幅达46%。②地表沉降随α增大而增大,当α由0增大到1时,左线隧道最大地表沉降由9.0mm增大到19.4mm,增幅达116%,右线隧道最大地表沉降由8.5mm增大到16.7mm,增幅达96%。③受右线隧道施工影响,左线隧道地表沉降大于右线隧道地表沉降,且这种差异性随着α的增大而越加明显;以左线隧道的最大地表沉降为对比基准(余同),当α由0增大到1时,最大地表沉降差异率由5%增大到14%。④地层变形及其影响范围随α增大而增大,但当α的变化幅度相同时,地表沉降的变化幅度大于沉降槽宽度的变化幅度。

图6 地表沉降和沉降槽宽度随α的变化曲线

4.2 隧道覆径比对地表沉降的影响

隧道覆径比(指的是隧道覆土厚度与隧道直径的比值)以β表示。分析模型取覆土厚度为13m、隧道中心间距为25m、α为0.5。管片外径选取6.0m、6.2m及6.7m,β分别为2.17、2.10和1.94,横向地表沉降曲线见图7,最大地表沉降和单侧沉降槽宽度随β的变化曲线见图8。

图7 横向地表沉降曲线

由图7、图8可知,①总沉降槽宽度随β增大而减小,当β由1.94增大到2.17时,总沉降槽宽度由80m减小到68m,减幅为15%,单侧沉降槽宽度由4.1D减小到3.6D,减幅为12%。②地表沉降随β增大而减小,当β由1.94增大到2.17时,左线隧道最大地表沉降由12.6mm减小到7.8mm,减幅为38%,右线隧道最大地表沉降由11.3mm减小到7.8mm,减幅为31%。③受右线隧道施工的二次扰动,左线隧道地表沉降大于右线隧道地表沉降,且这种差异性随着β的增大而越不明显,当β由1.94增大到2.17时,最大地表沉降差异率由10%减小到0.1%。④地层变形及其影响范围随β增大而减小,但当β的变化幅度相同时,地表沉降的变化幅度大于沉降槽宽度的变化幅度。

图8 地表沉降和沉降槽宽度随β的变化曲线

4.3 隧道间径比对地表沉降的影响

在地表沉降的影响分析模型中,左线隧道与右线隧道的净距随隧道直径的变化而变化,地层变形及其影响范围随之变化,说明隧道净距是影响地层变形的一个重要方面。

隧道间径比(指的是平行隧道间的净距与隧道直径的比值)以γ表示。取γ为1.0、2.0、3.0、4.0和5.0,隧道断面外地层如图1所示。取α、β分别为0.5、1.94,覆土厚度、管片外径分别为13.0m、6.7m时,横向地表沉降曲线见图9,沉降槽宽度、单侧沉降槽宽度和最大地表沉降随γ的变化曲线分别见图10、图11。

图9 横向地表沉降曲线

图10 沉降槽宽度随γ的变化曲线

由图9～图11可知,①总沉降槽宽度随着γ的增大而增大,当γ由1.0增大到5.0时,总沉降槽宽度由64m增大到92m,增幅为43%。②当γ为1.0时,地表沉降曲线为单峰形,单侧沉降槽宽度最大,为4.8D,随着γ的增大,地表沉降曲线逐渐由单峰形变化为双峰形,单侧沉降槽宽度逐渐减小;当γ为2.0时,地表沉降曲线为双峰形,单侧沉降槽宽度为4.0D,随着γ的增大,单侧沉降槽宽度略有减小,而沉降曲线形式仍为双峰形。③当γ为1.0时,地表沉降最大,最大地表沉降发生在隧道中线位置,为19.2mm;随着γ逐渐增大到2.0,地表沉降迅速减小,最大地表沉降发生在隧道中心线位置,左线隧道中心线位置、右线隧道中心线位置的地表沉降分别为13.5mm、11.6mm,随着γ的增大,最大地表沉降略有减小。④随着γ的增大,地表沉降曲线由单峰形变化为双峰形,隧道中线位置的地表沉降由γ为1.0时的19.2mm逐渐减小到γ为5.0时的0.35mm,且左线隧道、右线隧道最大地表沉降差异率由γ为2.0时的14%逐渐减小到γ为5.0时的4%,右线隧道施工对左线隧道围岩的扰动程度、变形叠加作用逐渐减小,地表沉降曲线趋于相互独立。

图11 地表沉降随γ的变化曲线

5 结论与建议

以深圳市轨道交通某区间隧道工程为依托,基于地表沉降监控量测数据验证了数值模型的合理性,并采用数值模拟计算方法,从地层复合比、隧道覆径比、隧道间径比3个角度,对复合地层双线盾构施工诱发的地表沉降规律进行分析,得到以下结论。

(1)当地层复合比、覆径比变化幅度相同时,地表沉降的变化幅度大于沉降槽宽度的变化幅度。总沉降槽宽度、单侧沉降槽宽度、地表沉降和左线隧道、右线隧道最大地表沉降差异率随地层复合比的增大而增大,随覆径比的增大而减小,且差异明显。

(2)间径比是影响地表沉降曲线的重要因素,当间径比为1.0时,地表沉降曲线为单峰形,最大地表沉降发生在隧道中线位置;当间径比为2.0时,地表沉降曲线变化为双峰形且不随间径比的增大而变化,最大地表沉降发生在隧道中心线位置;当间径比大于2.0时,地表沉降、单侧沉降槽宽度随间径比的增大而略有减小,当间径比为5.0时,左线隧道、右线隧道的地表沉降曲线趋于相互独立。