上软下硬地层地铁盾构施工地表沉降模拟分析

王 鹏,谭庆振,潘随伟,任安琪,章善保

(1.马鞍山学院 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243000; 2.中铁十四局集团隧道工程有限公司,山东 济南 250000)

随着城市化的高速发展,人们对于城市轨道交通的需求日益增加。盾构法具有效率高、掘进快、节约空间等优点,被广泛应用于地铁隧道施工中。上软下硬地层隧道是在围岩条件复杂、上下岩土体物理力学性质差异较大的地层中修建隧道。盾构机掘进过程中遇该地层时,易引起盾构机偏离原设计轴线造成的隧道纵向线形不佳等问题[1-4]。国内外学者主要通过理论分析、模型试验、工程实测和数值模拟等方法研究上软下硬地层单双线盾构掘进对地表沉降等的影响。吴波等[4]、何祥凡等[5]、贾宝新等[6]对上软下硬地层单双线盾构掘进引起的地表沉降进行了理论研究,并对地层三维沉降进行预测。武科等[7]通过FLAC3D建立了“八”字形上软下硬地层盾构隧道模型并进行数值模拟,得出了地层沉降规律,并论述了超前支护措施的作用。周力军等[8]、袁侨蔚等[9]、章邦超等[10]、冯慧君等[11]通过地铁工程实测和数值模拟分析上软下硬地层隧道施工及不同软硬岩复合高度比对地表沉降规律和不同因素的影响。地表沉降经历盾构掌子面前方的变形期、开挖扰动期和固结沉降期,并主要发生在开挖扰动期。本文以某地铁工程大岭山东站—松山湖站的盾构掘进为研究背景,利用数值模拟软件建立符合工程地质的上软下硬数值模型,并进行数值模拟,通过实测值和模拟值对比分析上软下硬地层单线和双线盾构掘进及地质硬层比对地表沉降规律的影响。

1 工程概况

1.1 工程简介

某地铁工程大岭山东站—松山湖站区间长约3 111 m。岩土层从上至下依次是黏性土素填土、粉质黏土、砂质黏土、全强中风化混合花岗岩。隧道洞身主要穿过全强风化花岗岩。起点里程为右线CK33+637.390,终点里程为右线CK36+748.147。区间隧道采用双线土压平衡盾构机施工。左右线盾构中心点距离为14 m,埋深为15.88～34.11 m,盾构直径为6 m,管片厚度为0.35 m,管片宽度为1.5 m,错缝拼接。采用同步注浆方式对管片进行充填,由大岭山东站至松山湖站先施工左线,后施工右线。盾构区间平面图见图1。

图1 盾构区间平面图

1.2 工程地质与水文地质

根据岩土工程勘察报告,岩土层为人工填土层、第四系残积砂质黏性土层、加里东期岩层。地下水属于水文地质II单元,主要是第四系松散岩类孔隙水(一)和基岩裂隙水(二)。

在岩土工程勘察报告中,大岭山东站—松山湖站区间横断面DBC80(距钻探孔M1Z3-DDS23约13 m)附近的上软下硬地层长度约为70 m,盾构掘进时掌子面硬岩厚度先增大后减小,形成上软下硬地层,地面为荒地和新城路绿化带,周围无建筑物。该处先采用地面深孔爆破,再进行盾构掘进,最后采用微差爆破和不耦合装药等控制爆破。上软下硬地层剖面见图2。岩土层物理力学参数见表1。

表1 岩土层物理力学参数

图2 上软下硬地层剖面图

1.3 监测内容

在地表沿盾构掘进方向布置纵向和横向监测点。纵向监测点间距为10 m。沿纵向每隔50 m布置一个横断面。监测频率为每天1次。变形较大或出现报警时,增加监测频率并分析原因。监测点布置图见图3,并将横断面DBC80设定为目标掌子面。

图3 监测点布置图

2 双线隧道数值模型及参数

2.1 双线隧道数值模型

使用FLAC3D软件将连续快速拉格朗日分析法应用于岩土工程,该方法在解决相关问题上具有优越性[12]。选择横断面DBC80进行研究,隧道埋深为23 m,数值模型长(x轴)80 m、宽(y轴)75 m、深(z轴)50 m,管片拼接为50环,管片厚度为0.35 m,注浆层厚度为0.15 m。岩土体采用莫尔库伦弹性模型,土方开挖采用空模型null命令,管片采用liner衬砌单元。固定约束模型四周边界和底边界,顶部边界自由。岩土体参数通过“prop range z”赋值。土方开挖后,通过衬砌单元赋值管片参数,先模拟左线盾构施工,再模拟右线盾构施工。上软下硬地层数值模型共划分309 200个网格单元和319 209个节点(见图4)。

图4 上软下硬地层数值模型

2.2 数值模型管片参数

数值模拟时盾构管片的弹性模量为30.0 GPa,密度为2.5 g/cm3,泊松比为0.2。利用等代层模拟盾构注浆过程。盾构管片拼装时激活衬砌单元,模拟盾尾管片拼装过程。在管片与岩土体之间注浆时,激活注浆等代层单元,浆液弹性模量为23 MPa[10]。

3 地表沉降规律及硬层比影响

3.1 单双线隧道地表沉降变形分析

对横断面DBC80进行数值模拟。盾构掘进前先平衡初始地应力,将位移和位移速率降为0,模拟岩土体开挖前的稳定状态。掘进一个管片宽度,建立一次衬砌,依次循环至左线掘进贯通,再掘进右线隧道至双线贯通。在左右线盾构中心线(x=-7 m和x=7 m)对应的地表各布置50个纵向监测点。在以横断面DBC80地表布置73个横向监测点,分别监测地表的纵向沉降、横向沉降。先行左线后行右线盾构掘进数值模拟云图如图5所示。

(a)左线盾构掘进至横断面DBC80变形

(b)右线盾构掘进至横断面DBC80变形

(c)双线隧道贯通变形

单双线盾构掘进引起的地表横向沉降实测值和模拟值对比如图6所示。左线盾构掘进引起的地表横向沉降实测值和模拟值的变化基本一致,均近似呈V形变化。两个沉降值均在左线盾构中心位置最大,最大值分别为8.2 mm和8.71 mm。先行左线后行右线盾构引起的地表横向沉降实测值和模拟值的变化也基本一致,均近似呈W形变化。横向沉降实测值和模拟值的最大值分别为12.3 mm和12.79 mm。

图6 地表横向沉降对比

模拟结束后,分别调取左线和右线盾构机掘进至横断面DBC80、左线隧道贯通、双线隧道贯通时的地表纵向沉降模拟值。其实测值和模拟值的变化规律见图7。由图7可知,左、右线盾构机掘进至横断面DBC80和左线、双线隧道贯通时的地表纵向沉降实测值和模拟值的变化规律基本一致。左线和右线目标掌子面沉降模的拟值分别为2.86 mm和5.35 mm。目标掌子面后25 m的地表纵向沉降基本稳定,且目标掌子面前约15 m的地表纵向沉降变化也较小,因此盾构掘进对前后地表沉降的影响范围约为40 m。由图2和图7可知:当盾构穿越由软入硬地层时,地表纵向沉降逐渐减小,其模拟值和实测值分别由11.1 mm减小至8.65 mm和由10.4 mm减小至7.4 mm;当盾构穿越由硬入软地层时,地表纵向沉降逐渐增加,其模拟和实测值分别由8.65 mm增加至13.92 mm和由7.4 mm增加至14.7 mm,纵向距离为60～75 m;模拟值逐渐减小的原因是与盾构机掘进掌子面较近。

图7 地表纵向沉降对比

3.2 硬层比对地表横向沉降的影响

上软下硬复合地层对地表沉降影响较大,为了研究需要,将盾构掌子面范围内的硬层厚度(中风化混合花岗岩8-3)与盾构外径的比值定义为硬层比。分别研究硬层比为0%(掌子面无8-3地层)、16.7%、33.3%、50%、66.7%、83.3%和100%(掌子面全部为8-3地层)。利用FLAC3D软件建立均匀分布的地质模型并分别进行数值模拟。隧道上方的地质参数保持不变,仅改变掌子面硬岩厚度。分析数据可以得出不同硬层比条件下左线贯通和双线贯通时地表横向沉降变化规律(见图8)。

由图8可知,左线贯通和双线贯通时,地表横向沉降最大值均随硬层比的增加逐渐减小。当硬层比为0%～16.7%和83.3%～100%时,对地表横向沉降最大值的影响相对较小。当变化率为0.7%～1.7%时,可认为全断面为软层或硬层。当硬层比为16.7%～83.3%时,左线和双线地表横向沉降变化均较大,且变化率分别为30.6%和32.9%。

图8 硬层比对地表横向沉降影响

3.3 硬层比对地表纵向沉降的影响

图9为不同硬层比条件下模拟获得的左线和右线盾构机掘进至横断面DBC80时地表纵向沉降的变化规律。随着硬层比的增加,左线和右线状态下的地表纵向沉降值均逐渐减小。当硬层比为0%～16.7%和83.3%～100%时,对地表纵向沉降的影响相对较小。当硬层比为16.7%～83.3%时,左线和双线的地表纵向沉降变化相对较大。盾构掘进对掌子面前后地表沉降的影响范围约为40 m,其中掌子面前方5 m至后方15 m的范围内地表沉降变化率最大,即曲线斜率最高。

(a)左线目标掌子面前后地表纵向沉降

(b)右线目标掌子面前后地表纵向沉降

4 结论

(1)单线盾构掘进引起的地表横向沉降规律以盾构中心线(x=-7 m)为基准,呈现出近似的V形;双线盾构掘进以双线隧道中心(x=0 m)为基准,呈现出近似的W形。模拟值和实测值变化规律基本一致。

(2)单线和双线盾构机掘进时,刀盘前后40 m左右的地表变形较大,且盾构机刀盘前方5 m至后方15 m范围内地表沉降速度最大。

(3)地表纵向沉降随地质硬层比的增加而减小,硬层比为0%～16.7%和83.3%～100%时,对地表纵向沉降影响相对较小,硬层比为16.7%～83.3%时,地表纵向沉降变化较大,因此可将硬层比为83.3%、16.7%作为上软下硬复合地层研究的上下限。