砂卵石地层管幕施工中地层扰动的数值模拟

刘新建, 张 倍, 边 金, 罗文江, 赵 辉

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100124； 2.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124； 3.北京城市交通协同创新中心， 北京 100124；4.中铁十九局集团有限公司， 北京 100124)

砂卵石地层管幕施工中地层扰动的数值模拟

刘新建1, 张 倍2,3, 边 金2,3, 罗文江4, 赵 辉4

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100124； 2.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124； 3.北京城市交通协同创新中心， 北京 100124；4.中铁十九局集团有限公司， 北京 100124)

为判断工程施工对地层的扰动程度，依托矿山法新建北京地铁8号线木樨园桥南站—大红门站区间正线下穿既有10号线盾构区间工程，提出以土层沉降作为施工扰动微变形判断依据，进行钢管顶进施工现场实验，并在实测数据基础上采用FLAC3D软件建立三维数值模型，研究砂卵石地层中管幕施工对地层扰动变形的影响。结果表明，管幕施工对上部地层的扰动以沉降为主；砂卵石地层中管幕预支护体系能够减小隧道施工对上部土层的扰动；在管幕预支护体系作用下进行新建隧道的施工，能够将既有结构的沉降变形控制在允许范围内。研究结果可为相关地下工程管幕预支护体系设计、施工提供参考。

砂卵石地层； 管幕法； 施工扰动； 微变形控制； 数值模拟

管幕法是在结构体外围预先进行钢管顶进，并在钢管侧面利用锁扣连接，在锁扣空隙内填充止水材料，形成一个能抵御上部荷载的超前支护体系，以起到隔断周围水土的帷幕结构作用，从而减小对上部土体、既有建(构)筑物和周围环境的扰动[1]。作为地下空间开发的一种暗挖施工辅助工法，管幕法具有对周围环境扰动小、施工空间限制低、对复杂环境适应性强等特点[2]，因此在一些施工空间狭小，周边环境复杂的地下空间施工中，运用管幕作为支护结构，既能保证施工的安全进行，又能减少对周围环境的影响。目前，对于砂卵石地层中管幕施工近距下穿既有线微变形控制的研究较少，特别是砂卵石地层中管幕施工穿越既有运行地铁隧道的扰动研究更是鲜见。矿山法新建北京地铁8号线木樨园桥南站～大红门站正线下穿既有10号线盾构区间工程，新建隧道下穿既有隧道穿越土层主要是砂卵石地层。锁扣管幕的施工过程复杂，土层变形控制极其严格，传统的理论计算方法难以准确有效地对管幕施工进行定量分析预测。笔者采用现场原位实验与空间三维有限元数值模拟相结合的方法模拟管幕施工对周围土体及既有结构沉降变形的影响。

1 工程概况

矿山法新建8号线木大区间正线(木樨园桥南站～大红门站)近接下穿既有10号线盾构区间(大红门站～石榴庄站)，下穿区间长度43 m，距离既有区间最近处2.5 m。新建区间隧道与上方的盾构隧道位置关系如图1所示。

图1 既有隧道与新建隧道剖面位置关系

该工程是全国首例近距离下穿既有正在运行区间隧道的工程。既有10号线处于正常运营状态，对于隧道变形控制非常严格，要求穿越施工引起的既有线沉降不超过3 mm，隆起不超过2 mm。

工程采用“锁扣管幕+全断面深孔注浆”方案进行施工，即在隧道上导洞距离拱顶0.5 m处顶进27根φ299 mm钢管幕，并进行注浆加固，管幕施工完成后对开挖面进行全断面深孔注浆，随后进行隧道的开挖。

锁扣管幕对上部土体可以起到很好的支护作用，防止砂卵石坍塌，同时可以保证上部土体在注浆作用时整体沉降或者隆起，避免局部不均匀变形。文中主要研究锁扣管幕的施工及其对地层的扰动。根据工程详细勘查报告，新建隧道下穿既有隧道穿越土层主要是砂卵石地层。管幕施工方案见图2。

图2 管幕施工位置

2 施工扰动判断依据

土的扰动大体是指由于外界机械作用造成的土的应力释放，体积、含水量或孔隙水压力变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化[3]。施工引起的扰动对土体性质的影响机理极其复杂，如何评估工程施工对环境的扰动程度，一直是学术界致力研究的课题。土层扰动定量评价的方法有残余孔隙水压法[3]、体积压缩法[4]、不排水模量法[5]、扰动因子法[6]、p-q-e评价法[7]、剪切应变法[8]、切线模量法[9]等。有研究表明，管幕施工引起的地表变形与盾构施工引起的地表变形规律极为相似[10-11]。黎春林等[12]提出考虑施工扰动出现塑性区，采用土体应力比和土体扰动度等指标判断施工扰动范围。以上各种扰动评价和扰动区的判断准则是建立在土体应力、应变、孔隙比、孔隙水压力、体积模量、应力历史等一个或者几个指标上。

在管幕近距离穿越既有运行隧道施工中，对于地层沉降要求极为严格。表1给出了既有结构变形控制限值，管幕施工引起的既有线结构沉降和隆起均不宜超过1 mm，属微变形控制范畴。微变形控制中土层位移是最为重要的控制指标，实际施工中，采用精密的位移传感器可以较准确地测量地层的微变形。因此，文中以土层的沉降值作为判断施工扰动的主要因素，即认为施工引起的土层沉降越大则引起的土层扰动越大，以沉降作为评估工程施工对环境扰动的指标，并以此为依据进行钢管顶进施工实验和管幕施工数值模拟研究。

表1 既有结构变形监测控制值

Table 1 Monitoring and control of deformation monitor-ing of existing structures construction

监测项目s/mm预警值报警值控制值竖向上浮0.70.81.0竖向沉降2.12.43.0

3 管幕单管顶进实验

3.1 孔位及测点布置

设计在左线人防扩大端掌子面下半导洞左侧中部位置预先进行单根钢管顶进施工实验。在实验钢管正上方由地表向下打孔安装多点位移计，布置六个测点，测点间距0.5 m，由下自上依次编号分别为A～F。其中最底部测点A距离3#实验钢管顶端0.5 m。设计孔位及测点见图3。

图3 孔位及测点布置

3.2 土层位移

顶管实验施工过程中，通过多点位移计监测土层位移。各测点位移结果见图4。距离管幕上方0.5 m处的监测点A沉降值为0.014 mm，根据工程经验该点沉降值过小与实际不符，可能是安装位移计过程中操作不当导致该处位移计失灵，故将此点按照离散点处理。管幕施工过程中各测点最终竖向位移区间及其趋势线见图5，其中,s为测点最终沉降量；h为测点距离管幕上方高度。

图4 监测点随钢管顶进沉降曲线

Fig. 4 Monitoring point settlement curves with pipe jacking

图5 监测点最终竖向位移曲线

分析图5可知，钢管顶进至监测点下方附近时，开始对地层产生扰动，扰动主要以土层沉降为主，土层沉降随钢管顶进持续增加，继续顶进10 m后各位移监测点的沉降趋于稳定。监测点B为顶管实验施工引起的地层沉降最大位置，最大沉降值为0.12 mm。距离钢管正上方高度超过2 m时，最终沉降已不足0.04 mm。由各测点最终竖向位移曲线分析也可知，单根钢管顶进施工中，随着土层与钢管距离增加，周围土层的扰动呈现出负指数衰减趋势。

4 数值模拟

4.1 数值模型与力学参数

采用FLAC3D软件建立简化三维模型,见图6。

图6 计算模型

由图6可见，土体划分为五层，由上自下依次为填土、粉细砂、圆砾卵石、粉质黏土、砂卵石。各层土体及注浆区均采用摩尔-库伦破坏准则，钢管间锁扣及注浆采用弹性介质模拟，钢管及隧道衬砌采用壳单元模拟。参照所依托工程的地质勘察资料，采用加权平均法确定土的物理力学参数。管幕支护结构和新建隧道与既有线的空间位置关系见图7，模型中材料的物理力学参数取值见表2、3。

图7 新建结构与既有结构空间位置关系

Fig. 7 Spatial relationship between new structure and existing structure

表2 土和注浆材料参数

表3 锁扣和壳单元材料参数

模型的上边界为地表，竖向共取47 m，平行钢管顶进方向取37 m，垂直钢管顶进方向取44 m。地表为自由边界，不考虑地面超载作用，模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动，底部限制竖向位移。管幕钢管的顶进方法为：先顶进中间位置的钢管，然后由中间向两侧依次对称顶进剩余的钢管。施工过程为：第1～27根钢管顶进及锁扣注浆—袖阀管注浆加固—深孔注浆加固—全断面注浆—隧道开挖和施加衬砌。采用应力释放来模拟钢管顶进对土层的扰动，应力释放率取0.9，分十步等比例释放完成，比例系数为0.99。

4.2 单根钢管施工

4.2.1 测点布置

为了研究单根钢管顶进施工过程对地层变形的影响，在第一根钢管正上方距离钢管顶进端17 m的位置布置六个位移监测点(图8)，由下自上依次编号为a～f，与钢管的净间距分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 m。

图8 测点布置

4.2.2 土层位移

第一根钢管顶进施工过程，各监测点竖向位移分布曲线如图9所示，各测点土层最终位移曲线如图10所示。

图9 单根钢管顶进过程测点沉降曲线

图10 单根钢管顶进完成测点最终位移曲线

单根钢管施工数值分析结果和现场实验结果呈现出相似的规律：钢管顶进对管上方的土层扰动表现为引起土层沉降；距离钢管上方越远的土层沉降变形越小；管幕单根钢管施工时，随着土层与钢管距离增加，周围土层的扰动呈现出负指数衰减趋势。

数值分析中各测点的最大位移值和实验监测结果能够较好地吻合，证明了数值模拟采用的分析模型和参数取值比较可靠，能够较好地模拟实际工程土层的扰动。

4.3 穿越过程既有线沉降位移

4.3.1 测点布置

单根管幕数值模拟结果验证了数值模拟所取参数的可靠性，基于此继续模拟管幕支护结构施工和新建隧道下穿既有线施工过程。如图8所示，在管幕穿越既有线的中间位置布置五个监测点，距离管幕顶端正上方高度分别为0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m，由下自上依次编号1～5。

4.3.2 土层位移

管幕结构施工完成后土层位移云图和监测点竖向位移分布见图11、12。

图11 管幕施工完成后土层位移云图

Fig. 11 Displacement cloud of soil after completion of pipe construction

图12 管幕施工监测点竖向位移曲线

Fig. 12 Vertical displacement curves of monitoring point in pipe construction

分析图11和图12可知，管幕多根钢管施工对土层的主要扰动为引起管幕上方土层的沉降，对管幕左、右侧及下方的土层扰动较小；随着管幕钢管顶进数量的增加，管幕上方土层的沉降值逐渐增大，沉降随钢管顶进数量的增加呈现二次抛物线增大趋势;对于距离管幕上方较远(大于2 m)的土层，沉降随钢管顶进数量的增加而增大的趋势线逐渐接近于直线。由图12也可知，管幕施工完成后，距离管幕顶部最近的测点并不是沉降最大的位置，说明已顶进的钢管对其上方附近的土体具有支挡作用；管幕施工引起既有结构的沉降为0.833 mm(小于1 mm)，满足变形控制要求。

5 结 论

(1)管幕单根钢管顶进施工中，随着土层与钢管距离增加，周围土层的扰动呈现出负指数衰减趋势。

(2)管幕多根钢管施工对管幕上部土层的扰动以沉降为主，扰动随着土层与管幕距离的增加而减弱，管幕顶部土层沉降最大。管幕上方土层沉降随着管幕钢管顶进数量的增加呈现二次抛物线增大趋势。

(3)砂卵石地层管幕预支护体系可以将既有结构沉降变形控制在允许范围内，满足沉降控制要求。

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(编校 荀海鑫)

Simulation of formation disturbance in construction of sand and gravel stratum

LiuXinjian1，ZhangBei2,3，BianJin2,3，LuoWenjiang4，ZhaoHui4

(1.Beijing Rail Transit Construction Management Co. Ltd., Beijing 100124, China; 2.Key Laboratory of Urban Security & Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;3.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation, Beijing 100124, China;4.China Railway 19 Bureau Group Co. Ltd., Beijing 100124, China)

This paper is aimed at identifying the degree to which projects disturb strata. The research involves establishing the new route of the Muxiyuanqiao South Station and Daxingmen Station using the mine method; based on the measured data, developing the three-dimensional numerical model using the FLAC3D software; and thereby investigating the influence of the pipe construction on the perturbation deformation in the sand and gravel stratum. The results show that the disturbances of the upper strata by the curtain construction are dominated by sediment; the pre-support system in the sand and gravel strata could reduce the disturbance of the upper soil layer by the tunnel construction; and the construction of the new tunnel under the action of the pipe pre-support system allows the existing structure of the settlement deformation to be controlled within the allowable range. The study could provide references for the design and construction of the pre-support system for the underground engineering.

sand and gravel stratum; pipe curtain method; construction disturbance; microdeformation control; numerical simulation

2017-03-15;

2017-07-28

国家自然科学基金项目(41572276)

刘新建(1978-)，男，广西省田东人，高级工程师，硕士，研究方向：地铁施工安全控制，E-mail:346427165@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.014

U455.43

2095-7262(2017)05-0515-05

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