王 鵬,譚慶振,潘隨偉,任安琪,章善保

(1.馬鞍山學院 建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243000; 2.中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000)

隨著城市化的高速發(fā)展,人們對于城市軌道交通的需求日益增加。盾構法具有效率高、掘進快、節(jié)約空間等優(yōu)點,被廣泛應用于地鐵隧道施工中。上軟下硬地層隧道是在圍巖條件復雜、上下巖土體物理力學性質差異較大的地層中修建隧道。盾構機掘進過程中遇該地層時,易引起盾構機偏離原設計軸線造成的隧道縱向線形不佳等問題[1-4]。國內外學者主要通過理論分析、模型試驗、工程實測和數(shù)值模擬等方法研究上軟下硬地層單雙線盾構掘進對地表沉降等的影響。吳波等[4]、何祥凡等[5]、賈寶新等[6]對上軟下硬地層單雙線盾構掘進引起的地表沉降進行了理論研究,并對地層三維沉降進行預測。武科等[7]通過FLAC3D建立了“八”字形上軟下硬地層盾構隧道模型并進行數(shù)值模擬,得出了地層沉降規(guī)律,并論述了超前支護措施的作用。周力軍等[8]、袁僑蔚等[9]、章邦超等[10]、馮慧君等[11]通過地鐵工程實測和數(shù)值模擬分析上軟下硬地層隧道施工及不同軟硬巖復合高度比對地表沉降規(guī)律和不同因素的影響。地表沉降經歷盾構掌子面前方的變形期、開挖擾動期和固結沉降期,并主要發(fā)生在開挖擾動期。本文以某地鐵工程大嶺山東站—松山湖站的盾構掘進為研究背景,利用數(shù)值模擬軟件建立符合工程地質的上軟下硬數(shù)值模型,并進行數(shù)值模擬,通過實測值和模擬值對比分析上軟下硬地層單線和雙線盾構掘進及地質硬層比對地表沉降規(guī)律的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地鐵工程大嶺山東站—松山湖站區(qū)間長約3 111 m。巖土層從上至下依次是黏性土素填土、粉質黏土、砂質黏土、全強中風化混合花崗巖。隧道洞身主要穿過全強風化花崗巖。起點里程為右線CK33+637.390,終點里程為右線CK36+748.147。區(qū)間隧道采用雙線土壓平衡盾構機施工。左右線盾構中心點距離為14 m,埋深為15.88～34.11 m,盾構直徑為6 m,管片厚度為0.35 m,管片寬度為1.5 m,錯縫拼接。采用同步注漿方式對管片進行充填,由大嶺山東站至松山湖站先施工左線,后施工右線。盾構區(qū)間平面圖見圖1。

圖1 盾構區(qū)間平面圖

1.2 工程地質與水文地質

根據(jù)巖土工程勘察報告,巖土層為人工填土層、第四系殘積砂質黏性土層、加里東期巖層。地下水屬于水文地質II單元,主要是第四系松散巖類孔隙水(一)和基巖裂隙水(二)。

在巖土工程勘察報告中,大嶺山東站—松山湖站區(qū)間橫斷面DBC80(距鉆探孔M1Z3-DDS23約13 m)附近的上軟下硬地層長度約為70 m,盾構掘進時掌子面硬巖厚度先增大后減小,形成上軟下硬地層,地面為荒地和新城路綠化帶,周圍無建筑物。該處先采用地面深孔爆破,再進行盾構掘進,最后采用微差爆破和不耦合裝藥等控制爆破。上軟下硬地層剖面見圖2。巖土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土層物理力學參數(shù)

圖2 上軟下硬地層剖面圖

1.3 監(jiān)測內容

在地表沿盾構掘進方向布置縱向和橫向監(jiān)測點?？v向監(jiān)測點間距為10 m。沿縱向每隔50 m布置一個橫斷面。監(jiān)測頻率為每天1次。變形較大或出現(xiàn)報警時,增加監(jiān)測頻率并分析原因。監(jiān)測點布置圖見圖3,并將橫斷面DBC80設定為目標掌子面。

圖3 監(jiān)測點布置圖

2 雙線隧道數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 雙線隧道數(shù)值模型

使用FLAC3D軟件將連續(xù)快速拉格朗日分析法應用于巖土工程,該方法在解決相關問題上具有優(yōu)越性[12]。選擇橫斷面DBC80進行研究,隧道埋深為23 m,數(shù)值模型長(x軸)80 m、寬(y軸)75 m、深(z軸)50 m,管片拼接為50環(huán),管片厚度為0.35 m,注漿層厚度為0.15 m。巖土體采用莫爾庫倫彈性模型,土方開挖采用空模型null命令,管片采用liner襯砌單元。固定約束模型四周邊界和底邊界,頂部邊界自由。巖土體參數(shù)通過“prop range z”賦值。土方開挖后,通過襯砌單元賦值管片參數(shù),先模擬左線盾構施工,再模擬右線盾構施工。上軟下硬地層數(shù)值模型共劃分309 200個網格單元和319 209個節(jié)點(見圖4)。

圖4 上軟下硬地層數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模型管片參數(shù)

數(shù)值模擬時盾構管片的彈性模量為30.0 GPa,密度為2.5 g/cm3,泊松比為0.2。利用等代層模擬盾構注漿過程。盾構管片拼裝時激活襯砌單元,模擬盾尾管片拼裝過程。在管片與巖土體之間注漿時,激活注漿等代層單元,漿液彈性模量為23 MPa[10]。

3 地表沉降規(guī)律及硬層比影響

3.1 單雙線隧道地表沉降變形分析

對橫斷面DBC80進行數(shù)值模擬。盾構掘進前先平衡初始地應力,將位移和位移速率降為0,模擬巖土體開挖前的穩(wěn)定狀態(tài)。掘進一個管片寬度,建立一次襯砌,依次循環(huán)至左線掘進貫通,再掘進右線隧道至雙線貫通。在左右線盾構中心線(x=-7 m和x=7 m)對應的地表各布置50個縱向監(jiān)測點。在以橫斷面DBC80地表布置73個橫向監(jiān)測點,分別監(jiān)測地表的縱向沉降、橫向沉降。先行左線后行右線盾構掘進數(shù)值模擬云圖如圖5所示。

(a)左線盾構掘進至橫斷面DBC80變形

(b)右線盾構掘進至橫斷面DBC80變形

(c)雙線隧道貫通變形

單雙線盾構掘進引起的地表橫向沉降實測值和模擬值對比如圖6所示。左線盾構掘進引起的地表橫向沉降實測值和模擬值的變化基本一致,均近似呈V形變化。兩個沉降值均在左線盾構中心位置最大,最大值分別為8.2 mm和8.71 mm。先行左線后行右線盾構引起的地表橫向沉降實測值和模擬值的變化也基本一致,均近似呈W形變化。橫向沉降實測值和模擬值的最大值分別為12.3 mm和12.79 mm。

圖6 地表橫向沉降對比

模擬結束后,分別調取左線和右線盾構機掘進至橫斷面DBC80、左線隧道貫通、雙線隧道貫通時的地表縱向沉降模擬值。其實測值和模擬值的變化規(guī)律見圖7。由圖7可知,左、右線盾構機掘進至橫斷面DBC80和左線、雙線隧道貫通時的地表縱向沉降實測值和模擬值的變化規(guī)律基本一致。左線和右線目標掌子面沉降模的擬值分別為2.86 mm和5.35 mm。目標掌子面后25 m的地表縱向沉降基本穩(wěn)定,且目標掌子面前約15 m的地表縱向沉降變化也較小,因此盾構掘進對前后地表沉降的影響范圍約為40 m。由圖2和圖7可知:當盾構穿越由軟入硬地層時,地表縱向沉降逐漸減小,其模擬值和實測值分別由11.1 mm減小至8.65 mm和由10.4 mm減小至7.4 mm;當盾構穿越由硬入軟地層時,地表縱向沉降逐漸增加,其模擬和實測值分別由8.65 mm增加至13.92 mm和由7.4 mm增加至14.7 mm,縱向距離為60～75 m;模擬值逐漸減小的原因是與盾構機掘進掌子面較近。

圖7 地表縱向沉降對比

3.2 硬層比對地表橫向沉降的影響

上軟下硬復合地層對地表沉降影響較大,為了研究需要,將盾構掌子面范圍內的硬層厚度(中風化混合花崗巖8-3)與盾構外徑的比值定義為硬層比。分別研究硬層比為0%(掌子面無8-3地層)、16.7%、33.3%、50%、66.7%、83.3%和100%(掌子面全部為8-3地層)。利用FLAC3D軟件建立均勻分布的地質模型并分別進行數(shù)值模擬。隧道上方的地質參數(shù)保持不變,僅改變掌子面硬巖厚度。分析數(shù)據(jù)可以得出不同硬層比條件下左線貫通和雙線貫通時地表橫向沉降變化規(guī)律(見圖8)。

由圖8可知,左線貫通和雙線貫通時,地表橫向沉降最大值均隨硬層比的增加逐漸減小。當硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時,對地表橫向沉降最大值的影響相對較小。當變化率為0.7%～1.7%時,可認為全斷面為軟層或硬層。當硬層比為16.7%～83.3%時,左線和雙線地表橫向沉降變化均較大,且變化率分別為30.6%和32.9%。

圖8 硬層比對地表橫向沉降影響

3.3 硬層比對地表縱向沉降的影響

圖9為不同硬層比條件下模擬獲得的左線和右線盾構機掘進至橫斷面DBC80時地表縱向沉降的變化規(guī)律。隨著硬層比的增加,左線和右線狀態(tài)下的地表縱向沉降值均逐漸減小。當硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時,對地表縱向沉降的影響相對較小。當硬層比為16.7%～83.3%時,左線和雙線的地表縱向沉降變化相對較大。盾構掘進對掌子面前后地表沉降的影響范圍約為40 m,其中掌子面前方5 m至后方15 m的范圍內地表沉降變化率最大,即曲線斜率最高。

(a)左線目標掌子面前后地表縱向沉降

(b)右線目標掌子面前后地表縱向沉降

4 結論

(1)單線盾構掘進引起的地表橫向沉降規(guī)律以盾構中心線(x=-7 m)為基準,呈現(xiàn)出近似的V形;雙線盾構掘進以雙線隧道中心(x=0 m)為基準,呈現(xiàn)出近似的W形。模擬值和實測值變化規(guī)律基本一致。

(2)單線和雙線盾構機掘進時,刀盤前后40 m左右的地表變形較大,且盾構機刀盤前方5 m至后方15 m范圍內地表沉降速度最大。

(3)地表縱向沉降隨地質硬層比的增加而減小,硬層比為0%～16.7%和83.3%～100%時,對地表縱向沉降影響相對較小,硬層比為16.7%～83.3%時,地表縱向沉降變化較大,因此可將硬層比為83.3%、16.7%作為上軟下硬復合地層研究的上下限。