青岛地区盾构隧道曲线掘进沉降规律研究

孟成龙,王旭春,朱既贤,周光宏,洪 勇

(青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033)

0 引言

在曲线隧道的掘进过程中,盾构施工不当会造成地表沉降,沉降过大不仅影响周边建筑、地下管线,而且会引起地表塌陷,影响隧道施工和周边环境安全。因此,研究曲线隧道的沉降规律很有必要。

目前,国内外学者针对地表沉降的研究已取得较多成果。赵国强等[1]基于南昌地铁部分区间砂土地层地表沉降的实时监测数据,采用数学回归分析的方法对盾构施工过程前后地表沉降进行了理论分析和研究,得出了地表沉降规律。刘治富[2]对郑州轨道交通5号线某盾构区间进行了实时沉降数据监测,探讨了盾构法施工阶段发生地面沉降的主要成因,并提出了相应的处治措施。高梦怡[3]对以杭州某地铁线路盾构施工段的实时数据监测为基础,通过统计分析,以地表沉降、隧道沉降和隧道收敛为研究对象,研究了高水位粉土地层沉降的一般规律。祝嘉辉等[4]结合淮安地铁1号线淮安东站盾构工作井段连镇高速铁路下EPB盾构隧道在黄河泛滥区富水粉砂层地质条件下的施工参数和现场实测资料,分析得出盾构隧道在高速铁路路基下的沉降变化规律。王志芬[5]利用FLAC3D对北京地铁某盾构区间下穿既定河道进行了数值模拟分析,并结合现场条件,通过调整注浆压力的方式有效控制了地表沉降值。施建勇等[6]通过解析算法对隧道开挖引起的地表变形问题进行计算,得出了沉降变形规律。王敏强等[7]对某地下隧道工程的盾构推进过程进行了仿真计算,提出迁移法模拟盾构前行过程,得出了盾构推进过程的地表变形和土体扰动规律。朱既贤等[8]利用数值模拟的方法对富水地层的地表沉降进行研究,得出了围岩孔隙水压力、围岩竖向应力、围岩塑性区的变化规律。因此,用数值模拟的方法来研究曲线隧道的沉降规律是可行的,从应力区、塑性区、位移场分析沉降是非常有必要的。

文章以青岛地铁正春盾构区间为工程背景,通过数值模拟分析,结合实测地面沉降数据分析研究了盾构隧道曲线段掘进地层变形规律及控制措施,研究结果可以为相关曲线隧道的掘进提供参考。

1 工程概况

青岛地铁一号线正春区间起讫里程 K66+996.700～K68+350.450,总长1353.75m,区间隧道采用盾构法施工,区间线间距14m,洞顶隧道顶覆土厚为9.0～16.6m,盾构隧道存在曲线转弯段,曲线转弯半径R=350m,地下水为孔隙潜水,水量较大,围岩等级为Ⅵ级,当掘进过程中处理不当时,极易引起坍塌变形。沿线地层主要分布在粗砂和砂砾地层中,土层的自稳能力极差,且曲线段掘进会对盾构机产生一定的影响,施工难度较大,因此对曲线隧道的沉降规律研究是很有必要的。图1所示为隧道地质剖面,图1中数字代表环号。

图1 盾构区间地质剖面图

由图1可知,地层自上而下为素填土、第⑦层粉质黏土、第⑦1层中砂、第⑨层中砂、第⑨1层粗砂～砾砂、强风化与中风化安山岩,区间隧道主要穿越第⑨1层粗砂～砾砂,各地层的力学参数如表1所示。

表1 各地层主要力学参数表

为了验证数值模拟结果的正确性,采用实测数据与数值模拟对比的方法进行研究。每个监测断面根据实际监测需求布设11个监测点,隧道上方布点较密,监测点位如图2所示。

图2 沉降监测点分布图

2 数值模拟分析

现阶段数值模拟软件对分析地表沉降规律来说,较为可靠。因此,利用地质勘探资料,建立盾构隧道曲线掘进的数值模型,分别从应力场、塑性区和位移场三个方面分析盾构隧道曲线掘进的地表沉降规律。

2.1 应力场分析

根据现场的施工资料对Y=45m(开挖中心点处)的应力状态进行分析,如图3所示。

图3 Y=45m处应力云图

在盾构开挖过程中,盾构开挖造成暂时性的应力释放以及临空面的产生,导致围岩原有应力状态发生改变,围岩应力发生重分布,开挖处的上部和底部出现了应力弯曲现象,对应力场周围大约2倍盾构直径范围内围岩应力产生影响,距离2倍盾构直径外围岩应力基本不受影响。在开挖处断面会造成应力的偏移,主要表现为向临空处偏移,且随着开挖步骤的延续,应力偏移及应力数值也随之增加。应力场围绕开挖部分呈漏斗状非对称分布,主要原因是曲线隧道开挖油缸推力会产生一个向曲线内侧的侧向分力。

2.2 塑性区分析

提取模型Y=45m(开挖中心点处)隧道围岩塑性区云图。在曲线隧道的开挖过程中,曲线的内侧所受到的土压力及推力比外侧受到的要大,故在隧道的开挖过程中塑性区呈现非对称分布(外侧塑性比内侧好),拱顶处围岩向洞内收敛。隧道开挖面周围土体塑性区主要以剪切屈服为主,盾构隧道中心还有少量的拉伸屈服,对结构稳定性很不利。

2.3 位移场分析

2.3.1竖向位移场分析

模拟过程中的监测点上部位移曲线与下部位移曲线分别如图4、图5所示。

图4 分布开挖监测点上部位移云图

图5 分布开挖监测点下部位移云图

由图4、图5可知,从开挖初始至隧道开挖60m后,开挖顶部位移表现为竖直向坍塌,拱顶最大沉降为2.45mm;开挖底部位移表现为竖直向隆起,最大隆起为2.98mm;隧道的顶部沉降及底部隆起均在可控范围之内。上述位移是由于模型开挖,土体面开挖处临空,上部土体在重力作用下坍塌,下部土体由于约束的突然消失,在地应力的挤压下,向临空处隆起,且随着开挖步骤的延续,这些顶部下榻,底部隆起的效果更加明显。

2.3.2横向位移场分析

提取监测断面DC39处地面沉降实测数据与模型Y=45m的横向沉降与纵向沉降进行对比分析,如图6、图7所示。

图6 地表沉降实测与模拟对比图

图7 地面纵向沉降对比图

由图6可知,模型计算结果与实测沉降数据进本吻合且模拟曲线和实测数据曲线均符合正态分布,说明计算模型的建立与参数的选取具备合理性。

根据图7可知,模型计算结果与实测沉降数据纵向沉降趋势一致,曲线的最大差值为1.2mm,说明模型的计算结果与实际的沉降值能在可控范围之内,具备一定的合理性。因此,利用数值模拟的方法是可行的。

实测数据与模拟数据存在一定误差,主要原因是在实际施工中地质是非均质的,实际开挖使盾构机会不断调整施工参数,模拟盾构曲线开挖时未能考虑相关因素。

3 结论

针对曲线隧道,采用数值模拟的方法分析盾构隧道曲线掘进地面变形机理,结合现场实测沉降数据,研究了盾构隧道曲线段施工地面沉降变形规律。主要得出以下结论:

(1)应力场:盾构开挖处的上部和底部出现了应力集中现象,主要是因为开挖导致围岩原有的边界条件发生改变,造成暂时性的应力释放以及临空面的产生,使得地应力发生了重分布。盾构开挖进行过程中,应力场围绕开挖部分形成了漏斗状非对称分布,隧道开挖处断面产生应力的偏移,表现为向临空处偏移,主要原因是曲线隧道开挖油缸推力会产生一个向曲线内侧的侧向分力。

(2)塑性区:由于盾构沿曲线掘进,左右油缸推力不对称,隧道周围塑性区呈非对称分布,拱顶处围岩向洞内收敛。隧道开挖面周围土体塑性区主要以剪切屈服为主,盾构隧道中心还有少量的拉伸屈服,对结构稳定性很不利,施工时应该采取必要的加固措施。

(3)位移场:盾构在曲线段开挖过程中,位移呈非对称分布,地表最大沉降值向曲线内侧偏移,开挖洞口上部位移下沉,底部隆起,且随着开挖步骤的延续,这些顶部下榻,底部隆起的效益更加明显,故在开挖时应及时在顶部和底部注重进行加固。