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双线隧道盾构推进过程引发地表沉降变化规律的数值模拟_管红兵.pdf
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1、第 33 卷第 1 期广东石油化工学院学报Vol 33No 12023 年 2 月Journal of Guangdong University of Petrochemical TechnologyFebruary 2023双线隧道盾构推进过程引发地表沉降变化规律的数值模拟管红兵,朱永祥(滁州职业技术学院 建筑工程学院,安徽 滁州 239000)摘要:应用 FLAC3D 软件,以某地铁双线隧道盾构推进过程为研究对象,通过双线隧道建模、盾构推进工况模拟、推进过程土层变位分析等研究,验证了地表横向沉降槽 peck 曲线的形态特征。研究得出了双线隧道先后推进过程诱发地表横向沉降的规律特征,即地表横
2、向沉降槽曲线呈现中间大两边小的凹形形态,地表横向沉降槽曲线所反映的地表最大沉降量随盾构推进位置改变而表现逐步增大至稳定的趋势;地表横向沉降槽曲线对称轴位置也随右线隧道盾构推进施工的展开而发生由左向右转移调整的趋势。关键词:双线隧道;盾构;土层变位;地表沉降中图分类号:U231 3文献标识码:A文章编号:2095 2562(2023)01 0057 05针对我国日益繁重拥堵的交通问题,一些城市开始建设以地铁为代表的轨道交通。地铁和其他交通运输方式相比,具有准点度高、载客量大、速度高效、对环境污染影响小等特点,但建设地铁投资费用高,且地铁施工处于地下暗挖环境,易引发开挖段土体变形,诱导土体沉陷、周
3、边建筑物发生损害等风险事故,当风险事故不可控时,更将威胁到人民生命财产安全1。地铁隧道的施工方法有盾构法、暗挖法等。盾构法指采用大型盾构机械进行隧道开挖,实现土体掘进、预应力管片衬砌安装、土渣外运等循环操作,最终形成设计隧道洞体2。当前对地铁隧道暗挖预测分析地表沉降的方法主要有经验法、理论分析法以及数值模拟法等。经验法以及理论分析法主要以公式推导计算、力学分析等为主要方法,如刘建航、廖学明、柳厚祥、刘纪峰等专家应用这些方法已经取得了丰富的研究成果3 6。数值模拟法是近年来随着计算机软硬件技术不断发展而出现的新研究方法,尤其适用于结构复杂施工环境的地层变形预测分析7。本文以FLAC3D 作为数值
4、模拟工具,以国内某市在建地铁隧道工程为背景,模拟盾构机推进过程中,隧道沿线地层的应力变化趋势以及地表沉降的变化特点和规律,为降低盾构施工风险、防范工程事故发生提供必要的研究依据。1工程背景及模型构建本研究所依托的工程项目为国内某市修建的地铁 5 号线工程某隧道区间,区间全长约 1500 m,隧道沿线所穿越土层基本为黏性土。采用土压平衡式盾构机施工作业,设计隧道外径(含衬砌厚度)为 6 m,隧道内径为 5 4 m,衬砌管片厚度为 0 3 m,每环管片幅宽 1 5 m,采用六块预制混凝土管片块体拼接而成。隧道分左右双线,双线间净距 12 m,隧道中心距地表平均埋深在 20 m 左右。在开展研究时,
5、只选择具有代表性的部位进行建模,根据相关研究表明,盾构推进时,影响土体发生变位的横向范围边界大致距隧道侧边 4 倍隧道直径,竖向范围边界大致距隧道底边3 倍隧道直径,超出这个边界,影响几乎为零。再结合隧道埋深、双线隧道间距等设计参数,最终可以确定出本项目 FLAC3D 模型横向 x 方向尺寸 60 m,模型沿隧道前进 y 方向尺寸 60 m,模型竖向 z 方向尺寸 40 m。模型的六个端面还需要设定必要的边界条件,除模收稿日期:2022 02 11;修回日期:2022 04 25基金项目:安徽省教育厅自然科学研究重点课题(KJ2020A0999);安徽省住房城乡建设科学技术计划项目(2021
6、YF13);安徽省教育厅质量工程(2020szsfkc0680);滁州职业技术学院“学科育人示范课程”建设项目(szjz 2021 08)作者简介:管红兵(1978),男,安徽滁州人,硕士,讲师,主要研究方向为岩土工程。型顶面设定为自由地表外,其余前后左右底部边界都需要设定为位移约束,项目研究所构建出的 FLAC3D 模型如图 1 所示。土层用 FLAC3D 中的摩尔库伦本构模型实体单元模拟,衬砌管片以及盾构机体外壳用壳体结构单元模拟,材料设置为弹性体。隧道所在土层土质参数以及管片、注浆材料等,根据地质报告以及材料性质等,以能最真实地反映施工实际情况的要求,各土层的各项力学参数取定数值如表 1
7、 所示。图 1FLAC3D 模型2计算假定及工况设置为了保持与工程施工实际一致,在研究前,需要作出一些计算假定,并设置如下工况。(1)忽略隧道沿线地表及各土层的微小起伏变化,一律简化考虑为均匀水平层状分布;(2)盾构机推进时,先用Null 模型模拟开挖一环管片幅宽内土体及注浆层单元,在掘进掌子面上施加 210 kPa 土仓平衡压力。表 1隧道沿线土层土质分布及土质参数土质名称天然重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/()弹性模量/MPa泊松比杂填土1929090100030素填土190150180128035粉质黏土183326172190030黏土186300168245030灰砂岩1
8、98360250902032同时,在隧道开挖面周围土体上生成壳结构单元,材料弹性参数中刚度值设置为较大值,用于表示盾构外壳;(3)盾构机每向前推进一环管片的宽度,删除上一环盾构壳体,并重新生成新的盾构壳体,改变刚度等参数,使其符合管片混凝土刚度,并进行同步注浆,在隧道周围土体上施加注浆压力,通过设置运算步,保持注浆压力,再删除注浆压力,然后恢复注浆层单元,模拟硬化后的注浆层8。按照每步推进 1 个管片幅宽,共推进 40 循环步完成单线隧道开挖;(4)左线隧道盾构机先行推进,在推进完 40 循环步后,完成左线贯通,然后右线隧道开始推进,按与左线同样工况进行开挖、管片安装、同步注浆等循环步,完成右
9、线隧道贯通。2 1盾构机推进过程土层变位分析本次研究的盾构机推进分左右双线,左线先行施工,右线在左线推进60 m 后,再开始推进。具体数值模拟过程如下:由于隧道开挖前,土层中存在着自重应力,为真实反映场地实际状况,在模拟盾构机推进前,需要先模拟出土体的初始应力场,然后,将应力产生的位移等恢复为零,作为盾构机推进研究地层变位变形的初始条件9。土体初始应力场的形成,可以通过对模型设置重力加速度条件,然后完成不平衡迭代计算,即可求解出土体初始应力场,图 2 图 3 为计算获得的土层内竖向及水平方向初始应力云图,图 4为土层内因竖向初始应力存在而产生的初始位移云图。从图中可见,初始应力分布较均匀,且随
10、土层深度增加而增加。图2隧道沿线土层内竖向初始应力范围 图 3隧道沿线土层内水平方向初始应力范围 图4隧道沿线土层内地层竖向初始位移范围接下来,开始进行盾构机推进模拟。先开始左线隧道盾构机推进,盾构每环管片幅宽为 1 5 m,按照每步完成 1 个管片环长度开挖及管片拼接的速度向前循环推进。为了研究盾构机在不同推进阶段下影响土体发生变位的特点、规律,这里选择三个代表性的断面,分别是向前推进到 y=12,36,60 m 的断面。当盾构机推进到这些位置时,记录下发生的土层竖向位移云图,如图 5 至图 7 所示。图 5左线隧道盾构沿纵向推进至 12 m 处土层内竖向位移85广东石油化工学院学报2023
11、 年根据图5 显示,此时地层竖向沉降量最大值为 30 627 mm(图中 3 0627E 0 2 为 0 0362m,转换为 mm单位表达,下同),具体位置在 y=0 m 至 y=3 m 位置之间处于盾尾顶部注浆层上方;地层隆起量最大值为 34 52 mm,具体位置在 y=0 m 至 y=3 m 位置之间处于盾尾底部注浆层下方。根据图 6 显示,此时地层竖向沉降量最大值为35 523 mm,具体位置在 y=0 m 至 y=28 m 位置之间,处于盾尾顶部注浆层上方;地层隆起量最大值为34 426 mm,具体位置在 y=0 m 至 y=28 m 位置之间图6左线隧道盾构沿纵向推进至36 m 处土
12、层内竖向位移范围盾尾底部注浆层下方。根据图 7 显示,此时地层竖向沉降量最大值为36 021 mm,具体位置在 y=0 m 至 y=52 m 位置之间,处于盾尾顶部注浆层上方;地层隆起量最大值为34 223 mm,具体位置在 y=0 m 至 y=52 m 位置之间,处于盾尾底部注浆层下方。左线隧道盾构机推进结束后,右线隧道盾构机按照同样的循环步向前推进,直至左右双线贯通,此时,再次记录地层竖向位移云图,如图 8 所示。图7左线隧道盾构沿纵向推进至60 m 处土层内竖向位移范围根据图8 显示,当左右双线隧道全部贯通后,地层竖向位移云图总体呈现出对称分布规律,即 W 形。土体沉降量最大值为3886
13、5 mm,所在位置为两条盾构隧道顶注浆层上方;土体隆起最大值为 30662mm,所在位置为两条盾构隧道底注浆层下方。由上述模拟分析,可以知道盾构在推进过程中对隧道周围土体产生扰动,且隧道内部土体被挖空卸荷,破坏了土体内初始的平衡状态,从而使土层发图 8双线隧道全部挖掘完毕时土层内竖向位移范围生位移变位,位于隧道顶部的土体发生竖向沉降,而隧道底部的土层则发生竖向隆起变形。双线隧道全部掘进完成后,地层竖向位移大致关于两隧道线路中线所在的竖向平面对称分布。2 2地表横向沉降槽曲线验证分析2 2 1先行隧道盾构推进过程诱发地表横向沉降规律盾构机在向前推进过程中,隧道周围土层发生的变位、应力改变等,最终
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