丁華興, 韓翔宇, 陳壽根
(1. 深圳市市政設(shè)計研究院有限公司, 廣東深圳 518001; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)
長距離小凈距重疊隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析
丁華興1, 韓翔宇2, 陳壽根2
(1. 深圳市市政設(shè)計研究院有限公司, 廣東深圳 518001; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)
文章結(jié)合深圳地鐵7號線長距離小凈距重疊隧道工程實踐,采用數(shù)值分析軟件計算了不同凈距條件下施工時的地層位移及隧道應(yīng)力,分析凈距對地體重疊隧道施工的影響。研究結(jié)果表明:由于隧道的開挖卸荷,導(dǎo)致一定范圍的地層產(chǎn)生位移,其中隧道頂部發(fā)生沉降,隧道底部發(fā)生隆起;襯砌所受應(yīng)力均為壓力,最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底和兩側(cè)邊墻位置;通過塑性區(qū)分布云圖得到,隧道頂部土層發(fā)生破壞,而且隧道周邊一定范圍的土體產(chǎn)生剪切破壞;隨著凈距的增加,地層沉降減少,襯砌受力變小。
隧道工程; 小凈距重疊隧道; 地層沉降; 襯砌受力
近年來,隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,人口密度不斷增長,城市中的經(jīng)濟(jì)運作負(fù)擔(dān)越來越大。地下鐵道因其運輸能力大、速度快等特點在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用,尤其在人口密集的大城市,其對于緩解地面交通壓力,效果更是不可替代。修建地鐵等城市地下工程的施工方法有明蓋挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等,各種方法都有其優(yōu)缺點和適用條件,而盾構(gòu)法作為為城市地鐵隧道釆用較多的施工方法。當(dāng)由于施工條件限制導(dǎo)致地鐵施工必須采取上下重疊的施工方式時,這給盾構(gòu)施工提出了嚴(yán)峻的考驗。因此,必須對盾構(gòu)法的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行對比分析,結(jié)合盾構(gòu)施工的特點和地質(zhì)條件,提出合理有效的施工方法[1-2]。
國內(nèi)外對重疊盾構(gòu)施工進(jìn)行了大量的研究,其中在理論分析、現(xiàn)場實測、模型試驗和數(shù)值模擬上研究都比較充分。如Peck(1969)基于對隧道表面沉降槽形狀的觀察及大量實測值數(shù)據(jù)提出了隧道施工階段的地面呈正態(tài)分布的沉降經(jīng)驗公式[3]。針對兩條隧道近接施工的情況,Duddeck H運用位移和剛度的方法進(jìn)行探討,對單孔隧道的力學(xué)進(jìn)行了分析,并給出了雙孔隧道在位移與應(yīng)力方面的解[4]。在對地表沉降、隆起與穩(wěn)定的研究中,孫玉永等通過3D數(shù)值模擬,對上海地鐵2號線的上方近距離施工的某隧道進(jìn)行分析,得出相關(guān)的結(jié)論[5]。西南交通大學(xué)何川等在結(jié)合了三大研究方法(現(xiàn)場試驗、物理模型試驗與3D數(shù)值模擬),以南京地鐵平行近接盾構(gòu)隧道下穿玄武湖隧道為例,研究了其施工過程及其影響規(guī)律等[6]。但考慮到對于長距離重疊隧道盾構(gòu)施工的研究還較少,本文在綜合已有資料研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合長距離重疊隧道及盾構(gòu)施工的特點,采用數(shù)值分析的手段,重點研究隧道凈距對長距離重疊隧道施工的影響,為盾構(gòu)施工提供科學(xué)合理化建議。
新建深圳地鐵7號線連接布心、田貝、筍崗、華強(qiáng)北、福田南、車公廟、龍珠、西麗等片區(qū),是聯(lián)系深圳特區(qū)內(nèi)主要居住區(qū)與就業(yè)區(qū)的局域線。線路由太安至西麗動物園,全長約28.9 km,設(shè)站23座,其中換乘站11座(圖1)。
圖1 深圳地鐵7號線線路
新建深圳地鐵7號線紅嶺北-筍崗-洪湖-田貝三個區(qū)間總長2 470 m,主要采用盾構(gòu)法施工。由于空間限制,三區(qū)間多數(shù)地段存在重疊隧道,最小凈距僅2.0 m。區(qū)間場地地形較平坦,表覆素填土、雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、礫砂、卵石、砂質(zhì)黏性土,下伏震旦系全風(fēng)化~微風(fēng)化混合巖,局部有花崗巖侵入。地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水。左線盾構(gòu)先行,靠近筍崗站西端,局部進(jìn)入中風(fēng)化巖層。右線盾構(gòu)段靠近筍崗站西端,隧道頂部分布有卵石、砂礫。
根據(jù)研究區(qū)段地質(zhì)條件,主要以人工雜填土、淤泥質(zhì)土層、礫質(zhì)黏性土層等飽和富水砂土層為主,地層力學(xué)參數(shù)軟弱,地下水位高。其中計算斷面為地層上部為素填土,3~12 m處為礫砂,12~21 m為可塑性黏性土,21~37 m為強(qiáng)風(fēng)化麻狀混合花崗巖。具體地層及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。
本文采用FLAC3D有限差分軟件建立三維分析數(shù)值模型,分析模型中重疊隧道之間的位置關(guān)系見圖2所示。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)實際尺寸、凈距關(guān)系,設(shè)置了三種工況,分別是上下凈距2 m、3 m及4 m。
表1 地層及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)
圖2 有限差分?jǐn)?shù)值模型
數(shù)值模擬計算中做了以下假設(shè):(1)工程所研究橫斷面范圍內(nèi),同一高層處均為同一土層,同一土層厚度不變,具有相同的物理力學(xué)性能;(2)土體破壞采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算,行車隧道混凝土襯砌及盾構(gòu)機(jī)管片采用彈性模型計算;(3)采用大變形理論計算。
通過對不同的工況進(jìn)行數(shù)值計算,分析隧道開挖后的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)的分布情況。限于篇幅,本文僅列出上下凈距為2 m的工況計算結(jié)果(圖3)。
針對不同工況,提取隧道關(guān)鍵位置的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較(表2)。
表2 不同工況計算結(jié)果
由圖3中位移云圖可知,隨著下部隧道的開挖,隧道開挖的影響區(qū)域變大,開挖引起的地表位移增加至26.5 mm,沉降最大值出現(xiàn)在隧道頂部。與此同時,由于上部隧道開挖引起的隧道底部隆起,下部隧道開挖引起下部隧道頂部的沉降,因此必須采取相關(guān)措施嚴(yán)格控制上下隧道之間的位移變化。分析洞室掘進(jìn)后的塑性區(qū)范圍可以得到,上部隧道開挖過程中,隧道頂部土體將受到破壞,同時隧道洞壁周圍將產(chǎn)生一定范圍的剪切破壞。隨著下部隧道的開挖,下部隧道周圍土體同樣產(chǎn)生一定區(qū)域的剪切破壞,而且破壞區(qū)域大于上部隧道開挖引起的破壞范圍。由于下部隧道的頂部土體將受到破壞,兩隧道洞壁塑性區(qū)將會連通,尤其是在襯砌管片頂部塑性區(qū)域較大。通過分析應(yīng)力云圖可知,由于土體的開挖卸荷,導(dǎo)致襯砌承受土體的壓力。隨著下部隧道的開挖,造成隧道周邊的位移繼續(xù)增加,土層進(jìn)而產(chǎn)生更大的土壓力,使得隧道襯砌的壓力增大。
(a)隧道開挖后地層位移分布云圖
(b)隧道開挖后地層塑性區(qū)分布
(c)襯砌管片應(yīng)力半徑云圖圖3 2 m凈距計算結(jié)果
從表2可以看出,三種工況中,隧道掘進(jìn)施工引起的地層位移、塑性區(qū)分布以及襯砌的受力規(guī)律大致相同。隨著上下隧道凈距的增加,地表沉降逐漸減弱,地層位移減小,隧道襯砌所受應(yīng)力減小,尤其是下部隧道與上部隧道所受應(yīng)力差減小。
本文針對不同凈距情況下盾構(gòu)隧道的施工過程分析,采取了上下凈距為2 m、3 m、4 m三種工況進(jìn)行模擬。通過模擬小凈距隧道先上后下施工過程,計算分析了隧道掘進(jìn)施工引起的地層位移,塑性區(qū)分布以及襯砌的受力狀況,得出以下結(jié)論:(1)由于上部隧道的開挖卸荷,導(dǎo)致一定范圍的地層產(chǎn)生位移,其中隧道頂部發(fā)生沉降,隧道底部發(fā)生隆起襯砌所受應(yīng)力均為壓力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底和兩側(cè)邊墻位置。通過塑性區(qū)分布云圖得到,隧道頂部土層發(fā)生破壞,而且隧道周邊一定范圍的土體產(chǎn)生剪切破壞。(2)隨著下部隧道開挖施工的進(jìn)行,隧道周邊土體受到二次擾動,下部隧道開挖產(chǎn)生的位移較上部隧道大,塑性區(qū)范圍也比上部隧道大。(3)因為盾構(gòu)隧道的開挖作用及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的特點,所以隧道襯砌所受應(yīng)力均為壓力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底和兩側(cè)邊墻位置,且下部隧道襯砌所受壓力大于上部隧道襯砌。(4)對比不同工況計算結(jié)果可得,隨著凈距的增加,隧道頂部土體沉降減小,襯砌受力變小,所以在凈距較小的重疊隧道盾構(gòu)施工時,要精確監(jiān)測地表沉降,并對土層進(jìn)行加固處理。
[1] 楊公正.昆明地鐵重疊隧道盾構(gòu)施工位移數(shù)值模擬分析[J].路基工程,2015(2):90-94.
[2] 臺啟民,張頂立,房倩, 等.暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014(12):2472-2480.
[3] 孫智勇.地鐵重疊隧道內(nèi)力及變形規(guī)律研究[J].鐵道建筑技術(shù),2010(S2):84-87.
[4] 凌昊,鄭余朝,仇文革,等.深圳地鐵重疊隧道列車振動響應(yīng)測試與數(shù)值分析[J].城市軌道交通研究,2010(8):49-53.
[5] 陳磊,陳國興.近斷層強(qiáng)地震動下雙層豎向重疊地鐵隧道的地震反應(yīng)[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2008(4):399-408.
[6] 趙東平,王明年,宋南濤.淺埋暗挖地鐵重疊隧道近接分區(qū)[J].中國鐵道科學(xué),2007(6):65-69.
[7] 林剛.地鐵重疊隧道施工順序研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006(6):23-28.
[8] 李德才,扈森,王明年.深圳地鐵重疊隧道設(shè)計與施工技術(shù)要點[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006(4):21-26.
[9] 黃俊,張頂立.地鐵重疊隧道上覆地層變形的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(12):2176-2182.
[10] 仇文革,張志強(qiáng).深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數(shù)值模擬分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2000(Z1):41-42.
[定稿日期]2017-05-11
丁華興(1980~),男, 本科,高級工程師, 從事城市軌道交通工程設(shè)計及管理工作。
U455.49
B