双线盾构隧道开挖地表沉降规律研究

□王跃力（河南省水利第一工程局）

双线盾构隧道开挖地表沉降规律研究

□王跃力（河南省水利第一工程局）

隧道开挖会对周围土体产生扰动，部分土体应力的释放将打破原有土体的应力平衡，在新的应力场平衡的过程中，常常伴随着土层变形。有时候土层变形过大，地表沉降引起塌方，严重影响着施工质量和作业人员安全。本文正是基于此，结合我国某市地铁二号线8标工程实例，采用数值模拟的方法对不同间距隧道开挖地表沉降规律进行研究，能够为类似工程施工提供一定程度的参考依据。

双线；不同间距；地表沉降；规律

一、引言

目前，为缓解城市交通环境的压力、提高市民生活质量并促进城市经济建设发展，修建地铁已在我国各大城市广泛开展。然而，隧道开挖必然会打破原有土层的应力平衡，引起周围土体产生较大变形，地表沉降较大，严重的可能引起塌方。比如杭州地铁塌方。这种影响在双线隧道开挖施工中体现的尤为明显。因此，研究不同线间距隧道开挖时地表沉降规律，具有重要的现实意义。

二、工程概况

某市地铁二号线土建8区间设计全长1268.4m，盾构法施工，线间距20.96～50m。该市属于北温带半湿润的季风性气候，同时受海洋、大陆性气候控制。一年中降雨多集中在6～9月份，年平均降雨量为720mm。一年平均气温为7～8℃，最高气温38.7℃,最低气温-33.1℃。

三、计算模型及参数选取

土体本构模型选取Mohr-Coulomb弹塑性模型。

Mohr-Coulomb屈服面公式为：

式中ψ是q-p应力面上Mohr-Coulomb屈服面的倾斜角，称为材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；Rm（cQj）按下式计算，其控制了屈服面在P平面上的形状；Q是极偏角，定义为cos（3Q），r是第三应力偏量不变量J3。

图1

图1给出了Mohr-Coulomb屈服面在子午面和π平面上的形状，由图可以比较其与Drucker-Prager屈服面，Tresca屈服面，Mises屈服面之间的对比。

式中Ψ是剪涨角；cl0是初始粘聚力，即没有塑性变形时的粘聚力。ε为子午面上的偏心率，它控制了G在子午面上的形状与函数渐近线之间的相识度。若ε=0.0，塑性势面在子午面上将是一条倾斜向上的直线，ABAQUS中默认为0.1。

计算中采用“生死单元”的方法模拟材料的变换。模型尺寸取100m×60m,隧道埋深27m,开挖直径D=6.24m。所需参数如

表1：

表1 计算参考数据

四、计算结果分析

图2间距20.96m盾构开挖地表沉降曲线图

图3 间距31.20m盾构开挖地表沉降曲线图

计算结果表明：从上面的地表位移变化云图和地表沉降曲线可以看出，单线盾构开挖对地表的扰动在地表沉降主要体现在15m左右的范围，且地表单线开挖的地表沉降一般达到8mm左右。隧道在右线开挖后在短期内进行左线开挖，两条线水平间距离得越近，地表影响的范围重叠的越严重，从图2可以看出，在水平间距20.96m开挖时，重叠后的地表沉降在100天土体固结后达到15mm左右，是单线隧道开挖100天后沉降的2倍左右，而随着水平间距的扩大，这种重叠效应逐渐降低，从图2、3、4的影响趋势可以看出，当间距为37.44m时候，基本相互影响不大。

图4 不同水平间距盾构开挖100天后地表沉降曲线图

五、结论

（1）盾构隧道开挖，土体应力释放，在新的应力平衡场下土体颗粒位置发生改变，地表产生沉降。盾构单线开挖地表沉降较大范围分布在15m左右的范围内，且因盾构对土体扰动较小，在100天后的单线隧道沉降最大值为8mm以内。

（2）盾构双线隧道，一条隧道开挖后在短期内进行第二条隧道开挖，土体产生的扰动将会产生不同程度的叠加。随着双线水平间距的减小，这种叠加更加严重，在盾构开挖水平间距为20.96m时候，盾构引起的地表沉降在100天后趋近于15mm，这是间距为37.44m时候的1.5倍，单线隧道的2倍。

［1］张云，殷宗泽，徐永福.《盾构法隧道引起的地表变形分析》,岩石力学与工程学报，2002，V 21（3）388-392.

［2］张庆贺，廖少明，胡向东，杨林德.《隧道与地下工程灾害防护》北京：人民交通出版社，2009.

［3］陈卫忠，伍国军，贾善坡.《A BA Q U S在隧道及地下工程中的应用》.北京：中国水利水电出版社，2010.

王跃力(1963-)，男，工程师，从事水利建筑检测工作。

2011-07-02