复合地层TBM隧道变形演化规律研究

孙鹤明,胡锡鹏,张书香,王文广,张历男



复合地层TBM隧道变形演化规律研究

孙鹤明,胡锡鹏,张书香,王文广,张历男

(中交第一公路工程局有限公司, 北京, 100024)

以重庆轨道环线TBM(硬岩隧道掘进机)区间隧道为背景, 利用有限差分数值分析与现场监控量测相结合的方法, 对复合地层TBM隧道施工影响下地层变形进行了研究。对上软下硬复合地层、倾斜复合地层及均质地层3种工况下的数值计算结果表明: 复合地层条件下隧道顶部及底部位移较大, 而隧道周边收敛位移较小; 隧道开挖时掌子面前方1倍直径处开始发生明显位移, 并于掌子面后方3～5倍直径处趋于稳定, 整个隧道纵向沉降曲线呈明显的“S”型。现场监测结果显示, 受复合地层差异的影响, 地表沉降呈偏态单凹槽状的数值计算结果与现场监控量测数据反映的规律基本相同。

隧道工程; 复合地层; 硬岩隧道掘进机; 现场监测

城市地铁隧道穿越城市中心地带, 通常有埋深浅、断面小、地质条件复杂且变形要求高等特点[1–3]。采用TBM(硬岩隧道掘进机)方法进行隧道开挖势必对地层产生扰动, 引起地层变形。影响地层变形的因素很多, 除受盾构直径、盾构掘进参数等设计因素影响外, 还与现场地质条件, 如地层性质、隧道埋深、周边建筑物距离等有很大关系。

关于城市地铁施工对地层变形的影响, 国内外学者做了大量研究[4–7]。王长虹[8]研究了盾构隧道施工引起的地面沉降、建筑物的变形及力学行为; 马紫娟[9]通过数值分析方法研究了盾构隧道开挖面距离、注浆压力的大小对地表沉降的影响规律; 张治国[10]以上海轨道交通11号线为工程依托研究了地铁盾构复杂叠交穿越引起的临近地铁隧道的变形规律; 黄明利[11]基于现场地层变形监测数据调整隧道支护参数, 实现了施工及设计方案优化。目前, 对复合地层条件下盾构隧道地层变形的研究较少, 因此, 本文将以重庆轨道交通环线TBM隧道为背景, 结合数值模拟及现场监控量测数据, 对盾构隧道穿越复合地层的地层变形特征进行分析, 为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

轨道交通环线是重庆市轨道交通线网的重要组成部分, 是线网中最重要的骨干线路。重庆轨道交通环线上桥站至凤鸣山站区间右线隧道总长858.4 m, 其中复合TBM区间长841.9 m; 左线隧道总长为870.0 m, 其中复合TBM区间长853.502 m。区间线路纵断面为单坡, 最大坡度26‰, 最小坡度2‰, 隧道顶部埋深为10.2～30.4 m。沿线穿越的岩层主要为J2s-Sm砂岩泥岩(软岩)、J2s-Ss砂岩(硬岩), 属于典型的上软下硬复合地层。经设计勘察后, 综合考虑采用单护盾TBM进行掘进。盾构刀盘直径为6.88 m, 采用高强混凝土管片错缝拼接, 管片厚35 mm, 每环掘进1.5 m。沿线主要控制性建(构)筑物有宏达建材公司、内环快速路、鸿禧酒店等, 对地层变形要求十分严格。

2 复合地层数值模型

针对依托工程的地质条件及工程特点, 采用FLAC3D软件对TBM掘进时复合地层变形进行数值分析。模型材料采用莫尔库仑强度准则, 管片采用liner单元模拟。管片参数为: 法向、切向刚度均为6.4 × 1012Pa; 拉强度为4 MPa; 摩擦角为25°; 内聚力为8 MPa。地层材料参数见表1。图1为采用的三维模型, 模型空间尺寸为100.0 m(方向)、80.0 m(方向)、100.0 m(方向), 隧道开挖方向为轴负向。模型左右边界施加水平约束, 隧道轴线和模型底面节点施加位移约束。

表1 土层物理力学参数 材料弹性模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)内聚力/kPa 砂质泥岩108433.2588 砂岩1710542.22073

图1 三维模型

结合工程实际, 选取上软下硬复合地层、均质地层及倾斜上软下硬复合地层(倾斜角30°)3种工况进行数值分析, 模型计算时先分别生成初始应力场, 然后依次进行shell单元施加超前支护、model null开挖、施加TBM刀盘推力及liner单元模拟管片等程序进行计算。图2为3种工况下的计算位移云图。由图2可知, 均质地层及上软下硬复合地层工况下计算得到的位移左右对称, 而倾斜工况下位移呈左大右小的非对称模式, 这与倾斜条件下左边地层条件较差密切相关, 同时也说明了模型计算的正确性。3种工况下隧道左右墙体的竖向位移均较小, 而隧道顶部及底部则出现较大的位移, 各工况下隧道顶部最大计算位移分别为-7.26、-8.62和-9.11 mm, 隧道底部最大计算位移分别为3.68、4.15和5.27 mm。各工况下计算得出的隧道收敛位移均较小, 且均向洞内收敛, 说明围岩强度高、整体固结好, 这与工程实际较为吻合。

图2 不同工况下隧道位移云图

图3为不同工况下隧道顶部纵向沉降曲线。由图3可知, 3种工况下掌子面前方约1倍直径处顶部开始发生明显位移, 随后掌子面后方位移迅速增大, 并于掌子面后方约1倍直径处位移速度变缓, 变化速率逐渐减小, 于掌子面后方3～5倍直径处趋于0。整个隧道纵向沉降曲线呈明显的“S”型曲线。对比不同工况下的沉降曲线可知, 均质软地层条件下沉降最大, 倾斜复合地层沉降量次之, 而上软下硬地层沉降量最小。同时需要指出的是上软下硬地层和倾斜复合地层工况下掌子面前方的沉降位移较为一致, 且沉降量均较小。

图3 不同工况下隧道纵向沉降曲线

3 监控量测

通过现场监控量测手段对地层变形进行控制分析。监测的项目主要有地表沉降、隧道收敛、建筑物倾斜及沉降等。其中地表沉降监测点沿开挖方向每5 m布置1组监测点, 间距5～10 m。以沿线K3 + 580断面的沉降点进行分析, 该组断面共布设了9个沉降监测点, 通过实测的数据绘制成横向地表沉降曲线(图4)。监测结果图4显示, 断面地表沉降呈偏态的单凹槽状, 最大沉降值位于中心右侧附近, 最大沉降值为7.0 mm, 比3种工况下的数值计算结果均小, 这与实际工程中注浆量及注浆压力的控制有关。图5为K3 + 580断面最大地表沉降点(DB-5)的历时曲线, 由图5可知, 随着隧道的掘进, 地表沉降曲线大致可分为4个阶段, 即TBM到达前的上升阶段、达到后的快速沉降阶段、缓慢变形阶段以及TBM离开后的平稳阶段。

图4 K3 + 580断面沉降监测曲线

图5 DB-5地表沉降监测历时曲线

4 结论

本文通过数值模拟及现场监测方法对复合地层条件下TBM施工诱发的变形规律进行了研究, 得到以下结论。

(1) 通过有限差分软件模拟了复合地层条件下隧道掘进, 数值结果显示隧道掘进后顶部及底部受到的影响最大, 最大变形量分别为9.11 mm和5.27 mm, 而隧道周边收敛变形相对较小。

(2) 隧道开挖时地层出现超前变形, 约掌子面前方1倍直径处便有明显位移, 并于掌子面后方3～5倍直径处趋向于稳定。隧道纵向沉降曲线表现出明显的“S”型曲线。

(3) 现场监测数据显示, 地层差异对地表沉降有较大影响, 其横向地表沉降曲线由标准的单槽曲线转化为偏态的单凹槽状曲线。

[1] 刘大刚, 陶德敬, 王明年. 地铁双隧道施工引起地表沉降及变形的随机预测方法[J]. 岩土力学, 2008, 29(12): 3 422– 3 426.

[2] 李享松. 紧邻建筑物浅埋暗挖车站的施工技术[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(2): 54–59.

[3] 史超凡, 马石城. 隧道开挖对既有管线沉降的影响[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2015, 27(3): 62–67.

[4] 施成华, 彭立敏, 雷明锋. 盾构法施工隧道地层变形时空统一预测方法研究[J]. 岩土力学, 2009 30(8): 2 379–2 384.

[5] 王忠昶, 王海涛, 朱训国, 等. 地铁盾构双隧道施工诱发的地层变形规律分析[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(3): 53–58.

[6] 姜安龙. 盾构隧道施工地层变形三维解及影响因素分析[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(1): 127–135.

[7] 史亚军, 郭彩霞, 台启民, 等. 无水大粒径卵石层中盾构开挖地层变形规律分析[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(6): 77–84.

[8] 王长虹, 柳伟. 盾构隧道施工对地表沉降及临近建筑物的影响[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 7(2): 354–360.

[9] 马紫娟, 王李管, 刘红兵. 土压平衡盾构双线隧道施工引起的地表沉降规律研究[J]. 石家庄铁道学院学报(自然科学版), 2007, 20(4): 49–53.

[10] 张治国, 黄茂松, 王卫东. 遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(9): 1750–1761.

[11] 黄明利, 徐飞, 伍志勇. 城市环境下TBM施工对围岩稳定性影响的监测分析及支护参数优化[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(7): 1 325–1 333.

(责任编校: 江河)

Study of the ground deformation of tunnel TBM construction in composite ground

Sun Heming, Hu Xipeng, Zhang Shuxiang, Wang Wenguang, Zhang Linan

(China First Highway Engineering Co LTD, Beijing 100024, China)

Based on a certain constructing tunnel of Chongqing Transit circle line, the deformation characteristics of surrounding rock affected by the TBM tunneling in composite ground are studied by FLAC3D and site monitoring. Ground deformation in tunneling with three kinds of conditions (upper-soft lower-hard ground, composite incline ground and homogeneous ground) is conducted. The simulation results show that both the deformation at the top and bottom of the tunnel are large, but the peripheral displacements are relatively small. The settlement at the top of tunnel increases at the distance of 1 times of diameter before the tunnel face, which tends to be steady at the distance of 3～5 times diameter after the tunnel face. The whole longitudinal settlement curve behaves a typical “S-curve”. From site monitoring results, lateral surface subsidence is presented as a single groove shape. The simulation is consistent with the site monitoring results.

tunnel engineering; composite ground; TBM; site monitoring

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.019

U 451

A

1672–6146(2017)01–0083–03

孙鹤明,442459859@qq.com。

2106–11–10