先建盾构隧道变形的影响因素模拟分析

史天龙,薛 伟

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院隧道及地下结构所,天津 300251; 2.天津三建建筑工程有限公司第四分公司,天津 300170)

先建盾构隧道变形的影响因素模拟分析

史天龙1,薛 伟2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院隧道及地下结构所,天津 300251; 2.天津三建建筑工程有限公司第四分公司,天津 300170)

以天津地铁5号线成林道站—津塘路站区间出现的上下重叠盾构隧道工程为背景,运用有限元软件MIDAS-GTS模拟分析了上下重叠隧道间净距和土体的弹性模量、粘聚力、泊松比、摩擦角对先建盾构隧道变形的影响。研究结果表明,双洞隧道间净距和土体弹性模量对先建隧道变形影响最为显著。

重叠盾构隧道;MIDAS-GTS;先建隧道变形;土体参数

随着地铁项目在各大城市相继开发和建设,地铁线路穿越城市繁华地区也越来越多,受既有重要建(构)筑物、市政桥梁、保护遗址等限制,线路采用上下重叠布置方式的双洞隧道也随之出现。上下重叠隧道[1,2]由于其双洞间相对位置的特殊性,施工难度也随之增大,特别是在软土地层条件下,要控制先建隧道的变形,施工难度进一步加大,因此分析研究影响先建隧道变形[3,4]的因素尤为重要。结合天津地铁5号线成林道站—津塘路站区间出现的上下重叠盾构隧道[5,6],采用有限元软件模拟分析了上下重叠隧道间净距和土体的弹性模量、粘聚力、泊松比、摩擦角[7]对先建盾构隧道变形的影响,以此来为施工过程中控制先建隧道变形[8]提供参考依据。

1 工程概况

天津地铁5号线中的成林道站—津塘路站区间段,线路采用上下重叠方案“先下后上”的施工顺序。上下重叠区间长1 337 m,上下区间隧道结构最小净距达到约2.28 m(＜0.5D),隧道直径为6.2 m,衬砌管片外径为6.2 m,内径为5.5 m,管片厚度为350 mm,环宽1.5 m。

计算分析选取区间C-J17号钻孔资料,断面岩土自上而下为1-1杂填土、＜4～8＞粉质粘土、9-12粉土、＜9～11＞粉质粘土、11-2粉土、11-3粉质粘土、11-4粉砂。

2 模型概述

模型采用MIDAS-GTS420有限元计算软件。为减小边界约束对计算结果的影响,使模拟结果更接近实际情况,建模范围取X方向(垂直于线路方向)80 m(约13D),Y方向(线路方向)60 m(约10D),Z方向(竖直方向)50 m(约8D),地应力场按自重应力场考虑。

模型中土体和注浆层均为弹塑性材料,采用遵循德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则;管片为弹性体,采用弹性模型进行模拟分析。

边界条件为:模型侧面和底面为位移边界,侧面限制水平位移,底面限制垂直移动,上面为地表,取为自由边界。

计算所用材料参数及结构参数见表1。为便于数值模拟,不考虑管片环向、纵向的连接,而整体作为一环管片考虑,计算时则按修正惯用法对管片刚度进行折减,折减系数为0.75。

3 先建隧道变形数值模拟

天津地铁5号线中的成林道站—津塘路站区间采用先下后上的施工顺序,后建下洞隧道的施工将引起先建隧道管片产生变形,影响这种变形的因素有很多,包括土体性质、双洞间距、结构类型、盾构掘进的控制等。我们主要从土体性质和双洞间距这两个因素进行敏感性分析。

表1 材料基本参数Table 1 Material basic parameter

以下将分别从双洞隧道间净距h与隧道直径D之比(h/D)和土体的弹性模量E、粘聚力c、泊松比μ、摩擦角φ这4个土体参数对变形情况进行分析。

3.1 双洞间净距的影响

研究采用先下后上施工顺序,选取土体弹性模量E＝30 MPa、粘聚力c＝15 k Pa、泊松比μ＝0.3、摩擦角φ＝20°,模型采用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)本构关系,分别选取双洞间净距为0.5D、1.0D、1.5D、2.0D这4种情况下,后建隧道施工对先建隧道管片变形的影响情况,具体变化见图1。

图1 先建管片变形随双洞间净距变化曲线Fig.1 The curve of initial duct piece deformation with clear distance between close-spaced tunnel

由图1可以看出,随着双洞间净距的增大,先建隧道管片最大竖向位移呈减小的趋势,这是由于双洞间的净距增大,双洞的相互影响在减弱,假设当双洞间净距可以无限增大,则这种上下重叠盾构隧道后建隧道的施工对已建隧道的影响可以忽略。

3.2 土体性质的影响

土体的强度对施工过程中所引起的先建隧道变形有很大的影响。为了准确的分析出土体对这种变形影响的灵敏度,在采用先下后上施工顺序的情况下,分别改变土体的弹性模量E、粘聚力c、泊松比μ和摩擦角φ的参数。为了在统一的标准下进行对比分析,分别取弹性模量E＝30 MPa、粘聚力c＝15 k Pa、泊松比μ＝0.3、摩擦角φ＝20°作为基准,每次仅改变其中一个参数进行分析。

(1)弹性模量E的影响 以先建下洞隧道管片拱顶作为检测对象,选取后建上洞隧道完成一半时,引起下洞管片发生竖向位移,并对下洞管片的最大竖向位移进行统计。图2是在不同弹性模量E时,后建隧道施工引起先建下洞管片最大竖向位移变化的情况。

图2 先建管片变形随弹性模量E变化曲线Fig.2 The changing curve of initial duct piece deformation with elasticity modulus

由图2可以看出,随着弹性模量E的增大,先建下洞管片的最大竖向位移逐渐减小;当弹性模量E增大到一定程度后,再增大弹性模量E对减小先建下洞管片最大竖向位移的作用越来越小。随着上下重叠隧道间净距的增大,先建下洞管片最大竖向位移逐渐减小;当弹性模量增大到一定程度后,先建下洞管片最大竖向位移受双洞间净距的影响越来越小,尤其是当E＝60 MPa时,先建下洞管片最大竖向位移几乎不随双洞间净距的变化而变化。

(2)粘聚力c的影响 图3为不同土体粘聚力c时,先建下洞管片最大竖向位移的变化情况。由图3可以看出,土体粘聚力c的改变对先建下洞管片最大竖向位移的影响很小。先建下洞管片的最大竖向位移随双洞间净距的增大而减小,当双洞间净距h大于一倍隧道直径D,先建下洞管片最大竖向位移小于10 mm,后建隧道的施工对先建隧道管片的影响属于安全。

图3 先建管片变形随粘聚力c变化曲线Fig.3 The changing curve of initial duct piece deformation with cohesive force

(3)泊松比μ的影响 图4为不同土体泊松比μ时,先建下洞管片最大竖向位移的变化情况。由图4可以看出,当0.1≤μ≤0.3时,泊松比μ的改变对先建下洞管片最大竖向位移的影响很小;当0.3＜μ≤0.4时,随着泊松比μ的增大,先建下洞管片最大竖向位移有所减小。同时,在泊松比μ一定时,随着双洞间净距的增大,先建下洞管片最大竖向位移呈减小的趋势。

图4 先建管片变形随泊松比μ变化曲线Fig.4 The changing curve of initial duct piece deformation with Poisson ratio

(4)内摩擦角φ的影响 图5为不同土体内摩擦角φ时,先建下洞管片最大竖向位移的变化情况。由图5可以看出,土体内摩擦角φ的改变对先建下洞管片最大竖向位移的影响很小,而随着双洞间净距的增大,先建下洞管片的最大竖向位移逐渐减小;当双洞间净距增大到两倍隧道直径D时,再增大土体的内摩擦角对先建下洞管片最大竖向位移的改变几乎没有影响。

图5 先建管片变形随内摩擦角φ变化曲线Fig.5 The changing curve of initial duct piece deformation with internal frictional angle

3.3 先建管片变形影响因素的灵敏度分析

以上分别从双洞间净距和土体的弹性模量E、粘聚力c、泊松比μ、摩擦角φ对先建隧道管片最大竖向位移的变化情况进行了分析研究,表2为这5个影响因素对先建隧道管片最大竖向位移变化的灵敏度分析结果。

表2 不同影响因素的灵敏度分析Table 2 Sensitivity analysis of different affecting factors

从表2可以看出,土体泊松比的影响最大,但由于其变化范围小并且在0.1≤μ≤0.3范围内,对先建隧道管片位移的影响很弱,仅在0.3＜μ≤0.4时,对先建隧道管片位移的影响才有明显的变化,因此泊松比μ与其他几个参数不具有可比性。在剩余的4个影响因素中,对先建隧道管片位移影响最大的是双洞间净距,其次是土体弹性模量E、内摩擦角φ和粘聚力c,其中内摩擦角和粘聚力的影响很小很接近。在施工过程中,增大双洞间净距可减小后建隧道对先建管片变形的影响,但当双洞间净距达到1.5倍隧道直径D时,后建隧道对先建管片变形的影响很小,再增大双洞间净距对这种影响的改变效果不明显,且不经济不合理,因此建议双洞间净距控制在1.5D内较合理。

3.4 先建管片最大竖向位移表达式

通过对以上5种因素的分析研究,并结合国内外相关参考文献,得出先建下洞管片最大隆起变形表达式为

其中:ymax为后建上洞施工所引起的先建下洞管片最大隆起量,mm;E为土体弹性模量,MPa;k为无量纲参数;x为变化参数。k与x的取值与双洞间净距有关,当h/D＝0.5时,k＝156,x＝0.77;当h/D＝1.0时,k＝122,x＝0.75;当h/D＝1.5时,k＝91.9,x＝0.73;当h/D＝2.0时,k＝65.4,x＝0.69。图6为最大竖向位移表达式曲线。

图6 先建管片最大竖向位移表达式曲线Fig.6 The expression curve of inifial duct piece with the maximum vertical displacement

4 结论

(1)土体的弹性模量E对先建隧道管片最大竖向位移的影响最大,对内摩擦角φ和粘聚力c的影响很小。提高土体弹性模量E可以控制先建隧道管片最大竖向位移。

(2)在施工过程中,增大双洞间净距可减小后建隧道对先建管片变形的影响,但当双洞间净距达到1.5倍隧道直径D时,后建隧道对先建管片变形的影响很小,再增大双洞间净距对这种影响的改变效果不明显,且无法做到经济合理,因此建议双洞间净距控制在1.5D内较合理。

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Simulation Analysis of Influencing Factor on Initial Shield Tunnel Deformation

Shi Tianlong1,Xue Wei2
(1.The Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300251,China; 2.Three Houses in Tianjin Construction Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300170,China)

In this text,under the background that there is up and down overlap shield tunnel engineer in Tianjin Subway 5th line from Chenglindao to Jintanglu,based on finite element software MIDAS-GTS,analyze the effect of clear distance between up and down overlap tunnel and elasticity modulus,cohesive force, Poisson＇s ratio and frictional angle of soil body on initial shield tunnel deformation by simulation.The result shows that clear distance between close-spaced tunnel and elasticity modulus of soil body have remarkable effect on initial tunnel deformation.

Overlap shield tunnel;MIDAS-GTS;Initial tunnel deformation;Soil body parameter

U451＋.4

:A

:1004-0366(2016)05-0100-04

2015-06-02;

:2016-06-23.

史天龙(1989-),男,天津人,硕士,助理工程师,研究方向为隧道及地下结构设计.E-mail:1002705479＠qq.com.

Shi Tianlong,Xue Wei.Simulation Analysis of Influencing Factor on Initial Shield Tunnel Deformation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):100-103.[史天龙,薛伟.先建盾构隧道变形的影响因素模拟分析[J].甘肃科学学报,2016,28(5):100-103.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.023.