地铁盾构隧道双线施工对地表沉降影响的预测及分析*

王海丰,张佳鑫,赵明喆,李亚修,姬晓奕,刘 垚,张佳豪,邢博闻

(1.中交基础设施养护集团有限公司,北京 100013; 2.北京科技大学,北京 100083)

0 引言

近十几年来,随着城镇化速度的不断加快及人口密集程度的不断提高,隧道在我国及世界各国的基础设施中所占比例越来越大,许多国外学者对其进行深入探讨[1-2]。地铁在修建过程中,需利用盾构机进行掘进,这会改变原有地应力平衡,造成围岩扰动、地面沉降等系列环境病害[3-5]。因此,在地铁工程中,如何准确预报盾构法在地下工程中的应用,对有效防护相邻工程十分必要。

周鑫等[6]基于杭州轨道交通3号线工业大学站—留和站区间的2条隧道,采用3D数值仿真方法,分析隧道开挖对相邻桥墩地基变形的影响。刘颖彬等[7]基于上海轨道交通14号线、6号线下穿双环隧道的实际情况,开展了双环隧道下穿前后的受力分析。鲍先凯等[8]以贵阳轨道交通1号线望城坡站—新村站区段为例,采用有限元计算手段,对大跨度、超浅埋地铁隧道在不同条件下的开挖稳定性进行初步探讨。Lin等[9]利用有限元分析技术,对已有地下洞室倾斜穿越的2条新隧道进行分析。Bagherzadeh等[10]通过城市隧道开挖引起地面沉降,利用数值模拟确定开挖方式和支护类型,并提出减小沉降的加固措施。No等[11]利用数值模拟方法,分析了在役地铁工程中,不同距离下的地铁施工对周边地面沉陷的影响。Paternesi等[12]以位于细粒砂土层中的2条深埋隧道为实例,利用观测资料修正地层参数,从而提升模型预报准确率,并对其进行数值仿真和计算。李少刚[13]采用有限元方法,对立体交叉通道中主要隧道进行优化设计,并对不同距离处的土体进行变形、位移和应力等研究,得出不同距离处土体变形变化规律,提出了适合北京地区的合理距离。刘光耀[14]依据北京地铁“四纵两横”设计图,通过对各种次序开挖方式进行优选和比较,最终选择了“先上后下”的开挖方式。李倩倩等[15]基于北京已建成的地下穿越轨道交通隧道工程实例,对其变形特性进行研究,得出了在地下穿越轨道交通时,深部灌浆能降低地表沉降量,增强土体强度的结论。王忠昶等[16]对地铁盾构法施工中的注浆压力、注浆率、土体在管片支撑时的变化进行分析,得出前洞距离地表愈近,其沉陷范围愈小,沉陷沟槽作用范围愈大。刘大刚等[17]运用随机媒质理论,改进沉降量估算法,并在双轨制隧道地表沉降量和水平变形量的计算中,证实了该方法的可行性和正确性。

基于上述研究,本文基于广州城市轨道交通12号线双线隧道施工,借助ABAQUS软件进行三维数值模拟分析,研究了注浆层厚度r、隧道埋深比H/D和双隧道间距L对地表沉降的影响,并针对施工控制提供相关建议。

1 工程概况

依托广州城市轨道交通12号线某隧道区间工程项目,左线全长约1 842.695m、右线全长约 1 868.9m,隧道沿线所穿越土层基本为中等风化粉砂质泥岩层,采用盾构进行施工作业。设计隧道外径6.2m、内径5.6m,衬砌管片厚度为0.3m,每环管片幅宽1.2m,采用环间错缝拼装而成;隧道中心距地面约16m左右(见图1)。

图1 地质结构柱状图(单位:m)

2 计算模型

2.1 基本假定

为使分析结果符合工程建设实际情况,做以下假设:①忽略隧道沿线地表及各土层微小起伏变化,一律简化考虑为均匀水平层状分布;②岩体被假设为理想弹塑性材料;③忽视地质体自身和在地层界面处的应力集中;④岩体被视为各向同性均质材料;⑤将围岩地应力场设为初始应力;⑥掘进扰动区仿真掘进对岩体的扰动效应,减小扰动区弹性模量。

2.2 参数选取

经试验发现,对变形产生重要作用的水平方向长度约为洞口直径4倍,垂直高度约为洞口直径3倍[18]。结合隧道埋深等设计参数,最终确定ABAQUS模型尺寸为60m×12m×70m(见图2)。在对6个截面进行建模时,将模型顶面设为自由面,而对其他表面均进行对应的位移约束。

图2 ABAQUS模型(单位:m)

采用 ABAQUS中的Mohr-Coulomb本构模型对土壤进行仿真,衬砌管片和盾构机壳采用壳体构造元素,并将材质设定为弹性体。整体有限元分析采用线性六面体单元,共划分为34 463个结点、29 030个单元,单元类型为C3D8RP。隧道埋深所处土层土质参数能真实反映施工情况。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

2.3 模拟盾构施工过程

根据盾构施工原理,模拟施工步骤如下。

1)建立盾构建筑中土层、盾构机、等待层和管片模型,对这些材料进行分类,并给出对应材料参数,在组装板上组装各类物质模型;对于初应力区,仅考虑自重效应,并做变形修正。

2)拟以“生”“死”单元法为基础,构建解析步,在开挖1层土体的同时,激活等待层、管片及注浆层,在开挖时,以正压法模拟刀片对后部土体的支承作用。并根据施工过程中所承受的静态压力,确定其数值。

3)在每个掘进机运行1周后,移除上一周的支护,重新生成新的支护,并调节盾构支护材料刚度和其他参数。利用同步注浆法,对隧道周围岩石实施注浆,施加注浆力,并设定相应作业程序。同时,在保持注浆压力恒定的情况下,对注浆材料进行分层建模,并对其进行数值模拟。

4)根据数值模型,将整体开挖设置为10个开挖步,开挖过程中,盾壳对围岩起到支承作用。施工完成后隧道完全贯通。

2.4 数值模拟验证

当前,在地铁工程中,对沉降进行预测的方法主要有Peck公式、有限元和边界元的数值方法等。本文采用实测数据与数值模拟数据进行对比分析(见图3)。

图3 实际沉降曲线与数值模拟沉降曲线对比

如图3所示,沿隧道开挖方向,其地表沉降与实际地表沉降拟合效果良好,左侧隧道数值模拟结果与实际沉降最大拟合误差为5.26%;右侧隧道数值模拟结果与实际沉降最大拟合误差为3.41%。该结果验证了本文数值模拟的准确性,说明运用ABAQUS有限元软件模拟盾构施工可为实际工程提供一定的指导作用。

3 盾构施工参数对地表沉降的影响分析

3.1 方案设计

选取隧道注浆层厚度r、埋深比H/D(其中H为隧道顶部距离地表的竖直距离,D为隧道开挖直径)和双隧道间距L作为研究对象,通过观察地表横向沉降,进而深入研究各参数对盾构施工时地表沉降的影响规律。方案设置如表2所示。

表2 盾构施工参数设置方案

3.2 不同注浆层厚度对地表沉降的影响

为研究不同注浆层厚度在隧道施工时对地表沉降的影响,设置隧道注浆层厚度分别为0,0.1,0.2,0.3m,双隧道间距为12m,隧道拱顶至地表距离为12.8m(即埋深比H/D=2),不同注浆层厚度下盾构掘进模型位移如图4所示。地表沉降随着注浆层厚度的增大而减小,最大位移沉降出现在隧道拱顶正上方。取隧道完全贯通后各注浆层厚度下的横向地表沉降量生成位移曲线,从而得出不同注浆层厚度下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线如图5所示。

图4 不同注浆层厚度下盾构掘进模型位移云图

图5 不同注浆层厚度下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线

如图5所示,地表沉降峰值一般在隧道正上方。在其他施工参数不变的前提下,通过增加注浆层厚度可有效减小表层土体变形,地表沉降峰值随着注浆层厚度的增大而减小。在不注浆时,数值模拟得出地表沉降峰值为48.82mm,峰值处于两隧道中间位置;当注浆层厚度为0.1m时,左、右双隧道地表横向沉降峰值分别为10.82,10.87mm;当注浆层厚度为0.2m时,左、右双隧道地表横向沉降峰值分别为8.94,9.02mm;当注浆层厚度为0.3m时,左右双隧道地表横向沉降峰值分别为8.61,8.74mm。结果表明,在一定范围内,注浆层厚度越大,其对于盾构机盾尾间隙的填充效果越好,从而导致盾构机开挖时对地表沉降的影响越小。但根据实际工程经验,注浆层厚度并非越大越有利于围岩稳定,过厚的注浆层会对周围土体受力产生一定影响,造成土体扰动不利于控制地表沉降。同时,根据数值模拟可以看出注浆层厚度在0.1～0.3m过程中,其地表沉降峰值明显减小。

3.3 不同埋深比对地表沉降的影响

为研究不同埋深比在隧道施工时对地表沉降的影响,设置隧道埋深比分别为2,3,4,5(即拱顶埋深分别为12.8,19.2,25.6,32m),对其进行数值模拟计算分析。盾构施工数值模拟参数中,注浆层厚度取0.31m,隧道开挖步长1.2m,共开挖12m,得出不同埋深比下盾构掘进模型位移如图6所示。隧道完全贯穿后,各埋深比下地表横向沉降曲线如图7所示。

图6 不同埋深比下盾构掘进模型位移云图

图7 不同埋深比下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线

由图6可知,盾构隧道随着埋深比的增加,其地表沉降呈先增大后减小趋势。由图7可知,当埋深比H/D由2增加到3时,地表沉降峰值由7.96mm上升至12.39mm;当埋深比H/D由3增加至4时,地表沉降峰值由12.39mm上升至17.49mm;当埋深比H/D由4增加至5时,地表沉降峰值由17.49mm下降至7.98mm。浅埋隧道地表沉降呈由先增大后减小,然后增大,最后减小的趋势。由深埋隧道地表沉降数值模拟得出,地表沉降峰值呈现先增大后减小趋势。该现象的出现是由于埋深比较小的隧道(H/D=2)在开挖过程中对周围土体的扰动程度较小,并且在开挖过程中会使土体上拱,影响到地表沉降,所以埋深比较小的盾构挖掘沉降较小;而随着埋深比的增加(H/D由2增加至4时),隧道上方土拱影响范围有限,并随着隧道埋深的增加,土层会给予开挖隧道更大压力,但此时拱顶上方土体自重应力增加而平衡拱仍不能起到支承作用,所以导致地表沉降增加;当埋深比继续增大时(H/D由4增加至5时),土拱形成,围岩自身承载力大于土体自重应力,土层变形减小。

3.4 双隧道间距对地表沉降的影响

为研究双隧道间距对地表沉降的影响,双隧道间距分别取4,6,9,12,15m,对其进行数值模拟计算分析。盾构施工数值模拟参数中注浆层厚度选取0.31m,隧道开挖步长1.2m,共开挖12m,埋深比H/D取2(即拱顶埋深12m),得出不同双隧道间距下盾构掘进模型位移如图8所示。隧道完全贯通后,不同隧道间距下地表横向沉降曲线如图9所示。

图9 不同双隧道间距下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线

由图8可知,随着双隧道间距增大,左右隧道地表沉降逐渐增加。由图9可知,随着双隧道间距增加,地表沉降曲线向外迁移,同时沉降范围也扩展。原本呈倒V形的沉降凹槽逐渐演变为W形,这种凹槽变浅且变宽的趋势逐渐显现。在距离两隧道轴线6～9m范围,地表沉降曲线变化在间距的影响下呈现出显著特征。当间距约为9m时,沉降分布曲线的变化从最初的倒V形逐渐转变为W形。这一变化主要归因于,双隧道间距较小时,两隧道间的相互干扰作用逐渐加强,导致在共同扰动区域内的沉降变形加剧,进而形成了倒V形沉降凹槽;相反,双隧道间距较大时,施工所带来的相互干扰影响减弱,地表沉降被视为2条独立隧道沉降变形效应的叠加,从而呈现出W形沉降凹槽。

4 地表沉降变形优化分析

根据实际地表沉降,验证了ABAQUS数值模拟模型的准确性。通过选取不同参数,得出不同注浆层厚度、埋深比及双隧道间距对地表沉降的影响,进而对地表沉降变形进行优化分析。

1)在一定范围内,注浆层厚度越大,对盾构机盾尾间隙填充效果越好,导致盾构机开挖时地层沉降越小。但根据实际工程经验,注浆层厚度过大会对周围土体受力产生影响,不利于控制地表沉降。数值模拟显示,不注浆至0.3m厚注浆层范围时,地表沉降峰值明显减小。注浆层厚度为0.2,0.3m时,右隧道地表沉降峰值分别为9.02,8.74mm,沉降峰值差距很小。综合考虑,最佳注浆层厚度为0.2m,实际施工选择0.31m,符合施工要求,但对注浆材料造成了一定损耗。

2)盾构隧道开挖最大沉降在拱顶处,施工导致地层扰动影响地表,地表土壤位移和变形随深度增加而减小。实际施工埋深比H/D取2,对地表沉降影响较小。若增大埋深,建议埋深比>5,随着深度增加时,有利于土拱形成,对地表沉降影响很小。

3)当双隧道间距较小时,相互干扰作用逐渐增强,导致在其共同扰动区域内的沉降和变形进一步加剧;相反,当双隧道间距较大时,施工引起的相互干扰影响减弱,地表沉降被视为2条独立隧道沉降变形效应的叠加。实际工程中,2条隧道间距为12.4m,地表沉降很小,符合实际要求。

5 结语

本文运用ABAQUS有限元软件,建立了广州城市轨道交通12号线双线隧道施工有限元计算模型。通过分析,发现数值模拟数据与实际观测结果中的纵向地表沉降曲线具有相似性,左、右隧道纵向地表沉降最大误差分别为5.26%,3.41%,经验证,本研究的数值模拟具备可靠性。在实际工程背景下,探究了注浆层厚度、埋深比及双隧道间距对地表沉降的影响,并得出如下结论。

1)通过对注浆层厚度、掘进压力和埋深比进行分析,得到水平下沉曲线与实际工程下沉曲线相吻合,最大沉降均位于隧道拱顶上方土体表面。

2)适当增大注浆层厚度,可使盾构法施工对地面产生的影响减小,进而使地面沉降减小。但注浆层厚度并不是越大越好,因为注浆层厚度太大会影响土体强度,并且导致资源浪费。

3)盾构隧道开挖引起的最大沉降发生在拱顶,盾构机施工会导致地层扰动延伸至地表,并且隧道上方土壤位移和变形会随土体深度减小而减小。当埋深增加时,隧道上方土体厚度足够形成稳定土拱时,地表沉降峰值减小。

4)随着双隧道间距增大,左、右隧道地表沉降也会增加。当双隧道间距较小时,相互干扰作用会增强,导致在共同受到扰动的区域内沉降变形加剧,呈现类似V形沉降凹槽。而当双隧道间距较大时,施工相互干扰影响程度会减弱,此时地表沉降变形可被视为2条单独隧道沉降变形的叠加效应,呈现类似W形沉降凹槽。