地铁盾构隧道双线施工对地表沉降影响的预测及分析.pdf
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1、2023 年 10 月下第 52 卷 第 20 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY75 DOI:10.7672/sgjs2023200075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1,张佳鑫2,赵明喆1,李亚修1,姬晓奕2,刘 垚2,张佳豪2,邢博闻2(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)摘要 结合广州地铁 12 号线双线隧道工程,采用 ABAQUS 数值模拟方法,分析不同注浆层厚度、埋深比和隧道间距等因素对工程地质条件的影响,并提出相应施工控制措施。研究发现:注浆层厚度与地面沉降量成反比,0.
2、3m为最佳注浆层厚度。地面侧向沉降量随埋深比的增大呈先增大后减小趋势,这与土的拱形作用有关。当 2 条并联巷道间距越大,左右巷道地面沉降越大;间距越小时,其相互作用越强,在共同受扰的范围内,沉降变形越大,沉降沟呈倒 V 形。当 2 条隧道间隔足够大时,2 条隧道间的相互干涉作用被削弱,地面沉降变形被视为 2 条独立隧道沉降变形叠加,形成 W 形沉降沟。关键词 地铁;隧道;盾构;沉降;数值模拟;注浆层厚度;埋深比;隧道间距中图分类号 U455文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)20-0075-06Prediction and Analysis of the Impact of
3、Double-line Construction onSurface Settlement of Subway Shield TunnelWANG Haifeng1,ZHANG Jiaxin2,ZHAO Mingzhe1,LI Yaxiu1,JI Xiaoyi2,LIU Yao2,ZHANG Jiahao2,XING Bowen2(1.China Communications Construction Infrastructure Maintenance Group Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.University of Science and Techno
4、logy Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Combined with the double-line subway tunnel project of Guangzhou Metro Line 12,ABAQUSnumerical simulation method is used to analyze the influence of different grouting layer thickness,burieddepth ratio and tunnel space on engineering geological conditions,a
5、nd the corresponding constructioncontrol measures are put forward.It is found that the grouting layer thickness is inversely proportional tothe amount of land subsidence,and 0.3m is the best grouting layer thickness.The lateral settlement ofthe ground increases first and then decreases with the incr
6、ease of the depth ratio,which is closely relatedto the arching effect of the soil.When the distance between the two parallel roadways is larger,the groundsettlement of the left and right roadways is larger.The smaller the distance between the two roadways is,the stronger the interaction is,in the ra
7、nge of common disturbance,the settlement deformation is larger,and the settlement ditch is inverted V-shaped.When the space between the two tunnels is large enough,the mutual interference between the two tunnels is weakened,and the ground settlement deformation isregarded as the superposition of the
8、 two independent tunnels settlement deformation,forming a W-shapedsettlement ditch.Keywords:subways;tunnels;shields;settlement;simulation;grouting layer thickness;burial depth ratio;tunnel space国家自然科学基金面上项目(51774183);国家自然科学基金青年基金(51804157)作者简介 王海丰,高级工程师,E-mail:lojion 通信作者 张佳鑫,硕士研究生,E-mail:1123307087
9、 收稿日期 2023-06-200 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76 施工技术(中英文)第 52 卷进行深入探讨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
10、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
11、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
12、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、
13、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)Fig.1 Geological structure histogram(unit: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: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;岩体被假设为理想弹塑性材料;忽视地质体自身和在地层界面处的应力集中;岩体被视为各向同性均质材料;将围岩地应力场设为初始应力;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
14、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 60m12m70m(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。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
15、参数如表 1 所示。2023 No.20王海丰等:地铁盾构隧道双线施工对地表沉降影响的预测及分析77 图 2 ABAQUS 模型(单位:m)Fig.2 ABAQUS model(unit:m)表 1 各土层物理力学参数Table 1 Physical mechanical parameters of varioussoil layers土体类型重度/(kN m-3)杨氏模量/MPa泊松比 黏聚力/kPa内摩擦角/()杂填土17.713.720.324.115.7淤泥质土17.011.720.333.22.7淤泥质粉细砂13.710.000.2528.317.2强风化粉砂质泥岩19.622.44
16、0.3222.818.2中等风化粉砂质泥岩25.027.280.3710.724.0中等风化泥质粉砂岩25.125.600.3712.526.02.3 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
17、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Fig.3 Comparison between actual
18、settlementcurve and numerical simulation settlement curves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
19、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Table 2 Setting schemes of shield construction parameters方案注浆层厚度 r/m双隧道间距 L/m埋深比 H/D10,0.1,0.2,0.312220.36,9,12,15230.3122,3,4,53.2 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)
20、,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。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78 施工技术(中英文)第 52 卷图 4 不同注浆层厚度下盾构掘进模型位移云图Fig.4 Displacement of shield tunneling models with different grouting layer thicknesses图 5
21、 不同注浆层厚度下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线Fig.5 The transverse settlement curves of groundsurface corresponding to shield tunneling underdifferent grouting layer thicknesses度可有效减小表层土体变形,地表沉降峰值随着注图 6 不同埋深比下盾构掘进模型位移云图Fig.6 Displacement of shield tunneling models under different buried depth ratios浆层厚度的增大而减小。在不注浆时,数值模拟得
22、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
23、看出注浆层厚度在 0.10.3m 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。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
24、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
25、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2023 No.20王海丰等:地铁盾构隧道双线施工对地表沉降影响的预测及分析79 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。图 7 不同埋深比下盾构掘进对应的地表横向沉降曲线Fig.7 The transverse surface settlement curvescorresponding to shield tunneling under differentburied depth rati
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