地铁盾构双线隧道施工地层变形及衬砌结构应力数值分析

王忠昶,常龙，夏洪春

(1.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028; 2.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622)*



地铁盾构双线隧道施工地层变形及衬砌结构应力数值分析

王忠昶1,常龙1，夏洪春2

(1.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028; 2.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622)*

为预测盾构双隧道施工周围土体的变形及衬砌结构管片应力规律，以石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间双线隧道为工程背景，在考虑各土层材料性质及盾构施工工艺的基础上，利用FLAC3D建立了盾构双隧道的三维精细数值模型，研究了盾构双隧道衬砌管片的应力规律，并与现场实际监测数据进行了对比分析.结果表明：盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30m.随着隧道埋深增加，对应地表监测点位累计沉降值变小，与隧道埋深成反比对应关系.隧道附近土体的第一主应力存在应力集中现象，应力集中系数约为1.3.衬砌管片应力分布存在差异性，靠近双隧道共同扰动的管片侧的拉应力和剪切应力集中现象较为明显.衬砌管片横断面形变以“椭圆化”变形为主，兼有断面收缩变形.

盾构双隧道；数值分析；地层变形；应力

0 引言

盾构法因其具有施工时不阻断交通、施工安全快速、对周围环境影响小、有利于提高工程质量和保护地面环境等优势，近年来越来越多被应用于城市隧道的修建，已成为地铁建设的主流施工方法.而施工引起的地层变形问题也成为隧道设计和施工中的热点问题.因此，准确分析和计算盾构施工引起的地层变形及衬砌结构应力具有非常大的理论和实际意义.

目前，对城市隧道盾构法施工引起的地层沉降的研究方法主要有：Peck公式[1]、理论计算[2- 3]、相似材料模拟试验[4]、有限元模拟[5- 8]等.地铁盾构双线隧道先后施工引起的地面沉降有：Ito & Histake用边界元法对弹性和粘弹性地层中浅埋隧道引起的三维地面沉陷进行了分析[5]，李桂花采用弹性有限元法模拟了不同埋深、不同直径、不同间隙条件下的隧道开挖，深入研究了施工

间隙参数并总结出相应经验公式[6]，张海波分析了隧道施工模拟中存在的问题，提出了用开挖卸荷单元来模拟开挖面土体的变形[7]，李鹏利用数值模拟研究了不同施工方案的地表沉降[8]等.

本文根据石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间左右线盾构隧道先后施工的特点，考虑隧道施工过程中的土层开挖、管片安装及盾尾注浆等工艺，采用有限差分软件FLAC3D对地铁盾构隧道左右线的开挖支护过程进行了仿真，并选取合理的参数实现对土体材料特性、结构几何特征、载荷、边界等的确定，得出了谈固区间盾构双线隧道施工引起的管片受力及地层沉降特点，并与现场地面监测数据进行了对比分析，以便对实际施工及地下管线的保护给予更好的指导.

1 工程概况及监测点布置

1.1 工程概况

石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间全长1.208 km，纵坡呈“V”字型坡，最大纵坡25‰.区间为双洞双线，盾构区间双隧道轴线距离15.2 m，最小覆土厚约9 m，最大覆土厚约17 m.土压平衡式盾构机的技术参数主要包括：盾壳外径6.25 m，刀盘外径6.28 m，厚度40 mm，盾壳长度9.95 m，盾尾长度3.20 m.衬砌管片厚度300 mm，环宽1.2 m，管片内径5.4 m，管片外径6.0 m，混凝土强度等级为C50，根据需要及时进行盾尾注浆.隧道横断面不同材料的网格图和盾尾管片及充填尺寸示意图分别如图1和图2所示.

图1 隧道横断面网格图

图2 盾尾管片及充填尺寸 示意图(单位：mm)

1.2 地面沉降监测布置

地表沉降监测基准网(高程基准网)以石家庄市城市轨道交通1号线一期工程高程系统为基准建立，并附合于地铁施工中的精密水准点上，其编号为：BM{1}30、BM{1}31.沉降监测基准点应处于变形影响范围以外并可以保持长期稳定的位置，数量为3个，编号为JD1～JD3.监测点优化布置具体情况如表1所示.

表1 监测点优化布置表

2 双线隧道盾构施工的FLAC3D数值模拟

2.1 三维数值计算模型的确定

沿线路纵向开挖长度取60 m，隧道内径D=5.4 m，模型上边界按实际土体分层取至地表面，即埋深17 m；下边界取至隧道底部以下4D，即21 m；横向边界取至隧道外侧6D，即32.4 m；三维有限差分计算模型的长×宽×高为60 m×64.8 m×44 m.取平行隧道横断面水平向为x轴，竖向为z轴，沿隧道轴线推进方向为y轴，建立三维坐标系.底部边界为固定约束；侧边界为侧向位移约束.整个模型共有36 500个六面体单元.数值计算模型如图3所示.

图3 数值计算模型

土体材料参数取值依据地质勘查资料，衬砌管片及盾壳为弹性材料，计算参数如表2所示.

表2 盾构区间土体及管片的物理参数

表2 盾构区间土体及管片的物理参数(续表)

2.2 隧道开挖模拟方法

自重应力场计算完成后，将所有节点位移赋值为0.隧道每个施工循环为1.2 m，单线隧道纵向长60 m，通过50个施工循环来完成，双线隧道施工共需100个循环，右线隧道出洞后再开挖左线隧道.详细的施工过程(图1)为:① 开挖围岩内的所有层;② 隧道掌子面施加0.3 MPa的均布压力来模拟千斤顶的顶进压力；③ 恢复盾壳，超挖土层通过弱化土层参数实现;④ 6个施工循环后，去除盾壳模拟盾尾的土层损失，在盾尾土层施加0.2 MPa的环向注浆压力;⑤ 盾尾安装衬砌管片、注浆土层; 注浆土体采用改变原状土体力学属性方法.

图4 建模流程图

计算模型的上边界施加均布荷载20 kPa来模拟表载荷情况，本文采用的建模流程图如图4.

2.3 盾构施工数值计算结果分析

图5～8给出了左右线隧道不同推进距离时地层的竖向位移，由图可知：

(1)盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.随着盾构机的不断向前推进，地层竖向位移和影响范围逐渐增大，左右线隧道贯通后地表的最大沉降约为10 mm，横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30 m.距离隧道起始开挖位置越近，横向地表沉降的影响距离越大;

(2)左线隧道掘进时，深部地层的竖向位移呈偏向右侧隧道的“W”型，距离隧道轴线越近，竖向位移越大，距离隧道轴线越远，竖向位移越小，靠近地表时竖向位移呈偏向右侧隧道的抛物线型;

(3)地层的最大沉降值发生在隧道拱顶，拱顶的竖向位移大于拱底的竖向隆起.

图5 右线隧道贯通时地层的竖向位移云图

图6 左线隧道开挖12 m时 地层的竖向位移云图

图7 左线隧道开挖24 m时 地层的竖向位移云图

图8 左线隧道贯通时地层的竖向位移云图

2.4 地面沉降计算值与实测值的比较

分别根据右线隧道三个断面：盾构机尾部、盾构机后方10 m处、盾构机后方50 m处的实际监测数据绘制了横向地表沉降曲线，计算结果与实测值的比较分别见图9.

(a)盾构机尾部

(b)盾构机后方10 m

(c)盾构机后方50 m

北-谈区间右线地表监测点累计沉降值总体呈反抛物线形式发展.由于隧道纵向坡度呈“V”字型坡，与累计沉降曲线反向对应，随着隧道埋深增加，对应地表监测点位累计沉降值变小，与隧道埋深成反比对应关系.数值计算得到的地表沉降最大值、反弯点的位置、沉降槽的宽度以及横向上离轴线不同距离处的沉降值都与实测数据基本一致.

3 衬砌管片的应力与变形分析

图10给出了双线隧道贯通后土层和衬砌管片的第一主应力云图(图中拉应力为负，压应力为正).由图可知：横向断面上隧道内外侧土体的第一主应力存在应力集中现象，应力集中系数约为1.3，土体的第一主应力快速增加到最大值，然后缓慢减少至原岩应力.距离隧道轴线越近，应力集中现象越明显.

图10 双线隧道贯通后土层及隧道的第一主应力云图(单位：Pa)

图11,图12分别给出了双线隧道贯通后，先挖的右隧道衬砌管片的第一主应力和剪切应力云图，由图可见：

(1)盾构衬砌管片主要承受压应力，管片顶部的内侧压应力最大，管片的左右两侧出现较小的拉应力，靠近左侧隧道的一侧拉应力较大，远离左侧隧道的一侧拉应力较小;

(2)同一截面的衬砌管片的剪切应力分布存在较大差异性，衬砌管片的左右两侧的剪切应力较大，顶部和底部的剪切应力较小，由于左右线隧道施工的扰动，使得右侧衬砌管片在靠近左侧隧道侧剪切应力集中程度较大.

图11 右线隧道衬砌管片第一主应力云图(单位：Pa)

图12 右线隧道衬砌管片剪切应力云图(单位：Pa)

图13给出了左右线隧道贯通后衬砌管片横断面变形示意图.由图可见：衬砌管片横断面形变以“椭圆化”变形为主，兼有断面收缩变形；隧道左右侧有向外扩张，挤压土体趋势；拱顶和拱底被

图13 管片横断面变形示意图

压缩变形.先开挖的右侧隧道变形明显要大于后开挖的左侧隧道，先开挖的右侧管片内侧向左变形更大，外则向右变形较小，底部隆起更加明显，这是因为土体存在先期的位移及变形历史，致使土体弹性模量降低，抵抗变形能力变小.

4 结论

石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间双线隧道盾构施工为工程背景，考虑地铁盾构施工过程中盾构开挖、衬砌支护及土体注浆等工艺和上部土体的分层及左右隧道施工的相互影响，运用FLAC3D建立盾构隧道的三维精细数值模型，较为真实准确得模拟出周围土体的应力和变形规律及衬砌管片的内力、位移分布特点，并结合现场实际测量数据进行了对比分析.得出主要结论如下：

(1)盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30 m；

(2)北-谈区间右线地表监测点累计沉降值，总体呈反抛物线形式发展.由于隧道纵向坡度呈“V”字型坡，与累计沉降曲线反向对应，可以说明，随着隧道埋深增加，对应地表监测点位累计沉降值变小，与隧道埋深成反比对应关系;

(3)横向断面上隧道附近土体的第一主应力存在应力集中现象，应力集中系数约为1.3.钢筋混凝土管片衬砌应力分布存在差异性，具体表现为两侧轻微受拉，顶底部受压.偏向双隧道共同扰动的管片侧的拉应力和剪切应力集中现象较为明显;

(4)衬砌管片横断面形变以“椭圆化”变形为主，兼有断面收缩变形；隧道左右侧有向外扩张，挤压土体趋势；由于先期扰动，先开挖的右侧隧道的变形要大于左侧隧道的变形.

[1]PECK R B. Deep excavation and tunneling in soft ground. State of the Art Report[R]. Proc. 7th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering,1969:225- 290.

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[7]张海波,殷宗泽,朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(5):755- 760.

[8]李鹏, 袁松, 林志. 武汉地铁双线隧道区间盾构法施工的三维数值仿真分析[J]. 铁路标准设计, 2011(4):74- 78.

Numerical Analysis of Lining Structure Stress and Ground Settlement Induced by Double-Tube Parallel Shield Tunneling

WANG Zhongchang1,CHANG Long1,XIA Hongchun2

(1.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Civil and Architectural Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China)

In order to analyze the surrounding soil structure in the shield tunneling process and the stress and deformation law of lining structure，the dynamic simulation of the shield tunneling is conducted with Flac3D software combining with the engineering situation of Shi Jiazhuang double parallel tunnels line No．1- 07. The stress and deformation of surrounding soil and lining for double-shield tunnel construction are studied, and the simulated results are compared with in-situ values. It is shown that the ground subsidence caused by shield tunnel excavation is spread to the surface along the tunnel axis, and the horizontal diffusion angle is about 45°. The influence range of the horizontal ground surface settlement is about 40 m distance from the center of the tunnel. The corresponding accumulated subsidence value of the surface monitoring pointsn is decreased with the increase of buried depth. The tunnel buried depth is inversely proportional to the corresponding relationship. There is stress concentration phenomenon in soil around the tunnel. The stress concentration coefficient is about 1.3. The stress distribution of cross section of lining segment exists difference. The concentration phenomenon of the tensile stress and shear stress is more obvious near common disturbance zone of double tunnels. The main deformation of cross section of lining segment is ovalization deformation and shrinkage deformation.

double-tube parallel shield tunnels；numerical analysis；ground settlement；stress

1673- 9590(2017)01- 0081- 05

2016- 01- 08

国家自然科学基金资助项目(51574055)

王忠昶(1976-),男，副教授,博士，主要从事地下工程灾害预测及防治方面的研究

E-mail:wazoch@163.com.

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