盾構(gòu)施工不同中線間距對(duì)地表沉降的影響

盾構(gòu)施工不同中線間距對(duì)地表沉降的影響摘要】以成都地鐵一號(hào)線桐梓林站至火車南站區(qū)間段為背景,采用FLAC3D數(shù)值模擬的手段,對(duì)成都市特有地質(zhì)條件下雙線盾構(gòu)隧道施工不同中線間距引起的地表沉降進(jìn)行了研究,得出了一些具有指導(dǎo)意義的結(jié)論?！娟P(guān)鍵詞】盾構(gòu)法施工,地表沉降,數(shù)值模擬0、引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快,我國(guó)的地鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。地鐵隧道在施工過(guò)程中由于地層物質(zhì)被挖出,自洞室臨空面向地層深處一定范圍內(nèi)地層應(yīng)力將發(fā)生調(diào)整,會(huì)引起地層移動(dòng)而導(dǎo)致不同程度的沉降和水平位移。由于施工技術(shù)質(zhì)量及周圍巖土介質(zhì)的復(fù)雜性,即使采用較先進(jìn)的盾構(gòu)法,其施工引起的地層移動(dòng)也不可能完全消除。當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)和變形超過(guò)一定的限度時(shí)就會(huì)影響到隧道和地表建筑物的正常使用和安全,尤其對(duì)于城市地鐵,區(qū)間隧道一般都穿越城市中心地帶,因建筑物密集、施工場(chǎng)地狹小、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下管網(wǎng)密布、地面交通繁忙、施工條件受到限制,對(duì)環(huán)境的控制要求更為嚴(yán)格。為減少由于隧道施工引起的地表移動(dòng)和變形所造成的對(duì)地表建筑物和地下設(shè)施的損害以及對(duì)周圍建筑環(huán)境的不良影響,必須對(duì)可能發(fā)生的地表移動(dòng)和變形做出正確的估計(jì),從而可以選擇最佳的施工技術(shù),制定一套完善的措施以確保施工地區(qū)地表建筑物與地下管線等重要設(shè)施的安全［1］。目前成都地鐵的建設(shè),大多采用盾構(gòu)法施工。同時(shí)由于成都市特有的地層特征、施工條件及其他差異,使得成都市盾構(gòu)開挖隧道引發(fā)的沉降以及對(duì)周圍環(huán)境的影響問(wèn)題尤為突出。本文將針對(duì)成都市特有地質(zhì)條件下雙線盾構(gòu)隧道施工不同中線間距引起的地表沉降進(jìn)行研究。1、FLAC3D簡(jiǎn)介FLAC(FastLagrangianAnalysisforContinua)即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析,它是一種基于拉格朗日差分法的顯式有限差分程序，是由國(guó)際著名學(xué)者、離散元法的發(fā)明人PeterCundalI博士在20世紀(jì)70年代中期開始研究開發(fā)的面向土木建筑、采礦、交通、水利、地質(zhì)、核廢料處理、石油及環(huán)境工程的通用軟件系統(tǒng),是美國(guó)Itasca國(guó)際咨詢集團(tuán)公司的軟件核心產(chǎn)品最知名的軟件系統(tǒng)之一。FLAC及FLAC3D已在全球70多個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用,在國(guó)際土木工程(尤其是巖土工程)的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界贏得廣泛的贊譽(yù)［2］。FLAC3D采用的“顯式拉格朗日”算法和“混合—離散分區(qū)”技術(shù),能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng),由于無(wú)需形成剛度矩陣,因此,基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維巖土工程問(wèn)題。由于采用了自動(dòng)慣量和自動(dòng)阻尼系數(shù),克服了顯式公式存在的小時(shí)間步長(zhǎng)的限制以及阻尼問(wèn)題。所以，F(xiàn)LAC3D是一個(gè)求解三維巖土問(wèn)題的最理想工具之一。2、模型建立及參數(shù)選取成都地鐵桐梓林站至火車南站區(qū)間為兩條單線圓形隧道，線路起于桐梓林站［Z(Y)DK13+566.4］,止于火車南站［Z(Y)DK14+509.9］,左右線長(zhǎng)度均為943.5m,均為地下隧道。單線隧道外徑6.0m,內(nèi)徑5.4m,線間距由12m逐步增加到18m。最大坡度為22%。,最小坡度為3%。。最大埋深20.5m,最小埋深13.9m。沿線有大量的地下管線,地面交通繁忙。為了反映盾構(gòu)開挖時(shí)各個(gè)因素的影響,對(duì)水平推進(jìn)的盾構(gòu)隧道進(jìn)行計(jì)算分析，開挖隧道的基本情況為:襯砌外徑6.0m,襯砌管片厚度為0.3m,管片環(huán)寬為1.5m,分塊數(shù)為6塊，管片的混凝土標(biāo)號(hào)為C50,其對(duì)應(yīng)的彈性模量為34.5GPa,泊松比為0.2,用剛度折減系數(shù)來(lái)考慮環(huán)向接頭的影響，剛度折減系數(shù)取為0.8〔3］,因此計(jì)算時(shí)襯砌的彈性模量為27.6GPa,按彈性均勻圓環(huán)考慮。地層視為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，注漿層按彈性材料考慮。管片、地層和注漿層均采用實(shí)體單元模擬。計(jì)算中采用的材料參數(shù)見表1。表1數(shù)值樓擬養(yǎng)數(shù)表由舟材料丹人血1變堆機(jī)Hhl卩』稱檢擾蟄土L91ja35EK2IJ卵石.T.■>■>■：i25LE5i111i2524星(12540中爭(zhēng)鳳化泥畀2L4511妬斗t注第層L9斗■：12眾多研究和實(shí)測(cè)資料表明,地下隧道開挖后的應(yīng)力應(yīng)變,僅在隧道周圍距離隧道中心點(diǎn)3倍~5倍隧道開挖寬度（高度）的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響,在3倍寬度處的應(yīng)力變化一般在10%以下,在5倍寬度處一般在3%以下。所以,計(jì)算邊界即可確定在3倍~5倍開挖寬度。在這個(gè)邊界上,可以認(rèn)為開挖引起的位移為零［3。］為了消除邊界效應(yīng)，兩側(cè)面及底面距隧道最近的邊緣約為30m,上側(cè)取至地表。邊界條件采用位移邊界條件，上邊界為自由面,兩側(cè)面、底面均受法向約束。坐標(biāo)原點(diǎn)位于兩隧道圓心連線的中點(diǎn)上//軸朝上,z軸沿隧道延伸方向,x軸為土體橫向方向。土體結(jié)構(gòu)沿隧道延伸方向取60m,土體橫向取80m,豎向取56m。本次模擬考慮開挖對(duì)地表沉降的影響,開挖沿z=0向z=60方向分步進(jìn)行開挖，每次開挖3m。該模型有45160個(gè)單元,49371個(gè)節(jié)點(diǎn),采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行計(jì)算（見圖1）。3、數(shù)值模擬及分析成都地鐵桐梓林站至火車南站區(qū)間的兩條單線圓形隧道，線間距由12m逐步增加到18m。為了反映該盾構(gòu)區(qū)間雙孔隧道不同中線間距對(duì)地表沉降的影響，分別選取中線間距L=12m丄=14m丄=16m丄=18m進(jìn)行分析。計(jì)算中取隧道埋深為20m,掘進(jìn)壓力為600kPa,左右洞同時(shí)同向開挖，每次開挖3m,共開挖30m。不同中線間距模型位移云圖如圖2~圖5所示,其地表沉降曲線如圖6所示。0 10 20 3(1 40 $0圖6踐踣中技地我縱向逛膝曲垃團(tuán)從圖2~圖6可以看出,在相同的條件下,中線間距越小,地表沉降越大,主要是因?yàn)橹芯€間距較小,開挖對(duì)地層擾動(dòng)比較大,使得地層強(qiáng)度有所弱化;隨著中線間距的增大,中線間距對(duì)地表沉降的影響越來(lái)越小,中線間距為16m和18m時(shí)，線路中線地表縱向沉降曲線基本重疊在一起,說(shuō)明當(dāng)中線間距大于16m時(shí)，該區(qū)間隧道中線間距的變化對(duì)地表沉降的影響趨于穩(wěn)定。因此,當(dāng)雙孔隧道中線間距較小時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?加固左右隧道中間的土層,以減少地表沉降;在條件容許的情況下可以適當(dāng)增加中線間距,以減少地表沉降。4、結(jié)語(yǔ)本文采用FLAC3D數(shù)值模擬的手段,對(duì)成都市特有地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行了研究,得到了以下主要結(jié)論:在相同的條件下,中線間距越小，地表沉降越大;當(dāng)中線間距大于16m時(shí),該區(qū)間隧道中線間距的增加對(duì)地表沉降的影響趨于穩(wěn)定。當(dāng)雙孔隧道中線間距較小時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?加固左右隧道中間的土層,以減少地表沉降;在條件容許的情況下可以適當(dāng)