盾构隧道下穿变电站建筑物沉降数值模拟分析

陈 向,饶 宇

(1.国网湖北省电力有限公司黄石供电公司,黄石 435000;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070)

随着我国城镇化发展水平的不断提升,城市的空间逐步向外围扩展,城市的土地资源变得越来越稀缺,变电站周边也需要进行合理的开发和利用。而相关的土建施工、隧道开挖由于改变了土体原有的应力状态、物理性质等[1,2],往往带来了严重的地层变形,从而给建筑结构的稳定性和安全性造成重大影响。

为了对隧道施工引起的地层变形进行准确预测,各国学者进行了广泛而长期的研究。1969年Peck提出了基于地层损失理论的预测隧道开挖引起的地表沉降的方法[3];O’Reilly给出了沉降槽宽度与隧道埋深的统计关系式[4];施成华等[5]提出了基于随机介质理论的盾构隧道开挖地层损失的计算公式;魏纲[6]、徐亚峰等[7]对盾构隧道进行分析获得了地表沉降规律;王智德等[8]获得侧穿桩基的沉降规律;Atkinson等[9]、Lee等[10]、Imamura等[11]采用离心模型试验,对隧道的破坏形态和位移机理等进行了研究;Yeh[12]、Shi等[13]则运用BP神经网络对地层变形进行预测。

总体来说,基于地层损失理论发展起来的隧道开挖地层变形预测方法在传统新奥法施工中具有较高的精度,但城市建设中面临复杂的地下管线廊道及周边建筑物保护问题,采用盾构开挖方式更为安全。由于盾构开挖支护及时,并且面临注浆压力和盾构推力等外力作用,原有的预测方法适应性将大为降低。因此,研究盾构隧道开挖对变电站结构沉降的影响以及地层变形特征具有较强的工程应用价值,对保护变电站土建结构安全至关重要。

1 基本假定与参数选择

盾构隧道开挖全过程涉及盾构-土-结构的相互作用问题,该文拟采用MIDAS/GTS NX软件研究盾构开挖对变电站建筑物的影响,其基本假定如下:

1)隧道处的土层地质条件往往较为复杂,即使同一标段土体类别也存在较大差别,所以文中为了简化计算,将土层视为单一的粉质粘土层。

2)将盾构机掘进过程中相互影响的结构单元划分为土体、盾构机、注浆体以及衬砌管片。由于盾构机身以及注浆层厚度相对于土体以及衬砌管片较薄,将土体和衬砌管片考虑为实体单元,而注浆体和盾构机身考虑为平面单元模型,具体如图1所示。

3) 参数选择假定:土体采用摩尔-库伦模型,衬砌管片、盾构机身、注浆体以及建筑物均采用弹性结构单元,隧道外径为3 m,隧道内径为2.7 m,衬砌管片厚度0.3 m,管片宽度为1.5 m。具体物理力学参数根据现场工程实际情况取值,如表1所示。

表1 土体和隧道单元物理力学参数选取

4)受力条件的假定:盾构机掘进过程中,盾构-土-结构内部受力主要分为盾构机掘进推力、衬砌管片受盾构机身顶进推力、周围结构施加给盾构机身的围压以及注浆压力。根据现场施工单位提供的数据,其取值和受力示意图如表2和图2所示。

表2 隧道开挖作用力取值

2 隧道埋深对地表沉降的影响

2.1 模型的建立

考虑不同隧道埋深对地表沉降的影响,分别将隧道埋深设置为10 m、15 m、20 m以及25 m,建立如图3所示的模型示意图。

2.2 隧道埋深对地层变形的影响分析

通过对隧道埋深分别为10 m、15 m、20 m以及25 m的工况进行模拟,取模型5个典型点:隧道轴线正上方地表节点、与隧道轴线相距10 m地表节点、与隧道轴线相距20 m地表节点、管片顶部以及管片底部等的沉降数据进行分析,结果如表3所示。

表3 不同隧道埋深下地层变形值

由表3可知:1)隧道开挖引起的地表沉降基本呈现出对称分布的正态分布形态,隧道轴线正上方地表沉降最大,向两边逐渐减小。随着深度的增大,沉降值逐渐增大,并且在管片顶部达到最大值。而在隧道底部则呈现出正态分布的地层隆起,亦是在管片底部达到最大值。2)随着隧道埋深的增加,地表沉降的影响范围一般逐渐扩大,沉降值也逐步增大,但增大的幅度有收窄的趋势。

3 距离对地层变形的影响

3.1 模型的建立

变电站与隧道的关系图见图4。考虑变电站与隧道轴线距离对地层变形的影响,分别将变电站与隧道轴线距离设置为0 m、6 m、24 m,即L/D=0、1、4。建立如图5所示的模型示意图。

3.2 变电站对地层位移的影响分析

通过对距离分别设置为0 m、6 m、24 m 3种工况进行模拟,取模型4个典型点:变电站左下角点、右下角点、管片顶部以及管片底部等的沉降数据进行分析,结果如表4所示。其中,隧道埋深为20 m。

表4 不同距离下地层位移值

由表4可知:1)当变电站位于隧道轴线正上方时,变电站左、右下角的沉降值为10.97 cm和11.02 cm,不均匀沉降值仅为0.05 cm,建筑物呈现出整体下沉趋势,且沉降值较大,地层变形仍沿隧道轴线成对称分布。2)当变电站建筑中心与隧道轴线不重合时,变电站的存在使得地层变形发生较大变化,沉降偏向变电站存在的一侧,而管片下方的隆起背向变电站存在的一侧。3)当建筑中心与隧道轴线相距1D时,变电站左、右下角的沉降值为10.38 cm和9.56 cm,不均匀沉降差明显,达到0.82 cm,将导致变电站建筑向隧道一侧倾斜,不利于建筑物的保护。4)建筑中心与隧道轴线相距4D时,变电站左、右下角的沉降值为2.31 cm和1.85 cm,不均匀沉降值缩小为0.46 cm,相较于L/D=0、1的情况,不均匀沉降值和最大沉降值相对能够取得较好地平衡,相对更加有利于变电站的保护,因此,部分文献认为隧道开挖地表隆沉影响范围为4倍洞径[14]。

4 结 论

a.盾构隧道开挖引起的地表沉降基本呈现出对称分布的正态分布形态,隧道轴线正上方地表沉降最大,向两边逐渐减小。

b.沉降值最大出现在管片上方,隆起值最大出现在管片下方。随着埋深的增大,沉降值逐渐增大,但增大的幅度有所收窄,沉降的影响范围一般也逐渐增大。

c.当变电站位于隧道轴线正上方时,变电站建筑沉降大但不均匀沉降很小,变电站呈现出整体下沉趋势;当建筑中心与隧道轴线不重合时,沉降偏向变电站存在的一侧,而管片下方的隆起背向变电站存在的一侧。

d.当建筑中心与隧道轴线相距1D时,变电站沉降大且不均匀沉降显著,将导致变电站向隧道一侧倾斜,不利于变电站的保护和稳定;当建筑中心与隧道轴线相距4D时,变电站沉降值及不均匀沉降情况均较好,相对更加有利于保护变电站。