深圳地铁隧道邻接问题施工力学行为研究
2011-07-13 21:57
深圳地铁隧道邻接问题施工力学行为研究
【摘 要】针对深圳地铁2号线新建隧道邻接既有地铁隧道工程,利用FLAC3D软件进行有限元数值模拟施工力学行为研究,探讨了施工过程地层应力的变化幅度及影响范围、结构内力及结构安全性,提出了确保新建隧道施工和既有隧道运营安全的措施和建议,为隧道交叉段监控量测系统的设计、施工方案的优化及安全控制提供依据。
【关键词】新建隧道;邻接施工;既有隧道;力学行为;数值模拟
0、前言
轨道交通建设将促进副中心城和卫星城的形成,加强中心城与外围的衔接,加快城乡一体化和城市化进程。在这种前提下,重叠隧道、线站位平行或交叉等“近接施工影响问题”已成为一项亟待解决的课题,并引起岩土工程勘察、设计及地铁承建商的广泛重视[1]。本文通过对深圳地铁2号线下穿既有地铁4号线隧道交叉段动态施工复杂力学行为进行研究,主要探讨新建隧道施工过程所引起围岩扰动对地层应力场的变化幅度及影响范围、对既有隧道结构内力及结构安全性的影响,为确保既有隧道的正常运营及新建隧道交叉段监控量测系统的设计、施工方案的优化及安全控制提供依据。
1、工程地质概况
新建区间隧道位于深南大道,原地貌为冲洪积平原,地形平坦。在YCK26+264·747~+276·307段下穿运营中的地铁四号线矿山法隧道,该隧道跨度11·66 m,采用锚喷构筑法施工。新建隧道与既有隧道垂直交叉,新建隧道拟采取盾构法施工。上覆地层主要为第四系全新统人工填筑土(Q4ml)、冲洪积粘性土及砂层(Q4al+pl)、残积粘性土层(Qel);下伏燕山期(γ53)花岗岩。新建隧道洞身穿越花岗岩全、强、中等风化层;既有隧道埋深为9·20m,交叉段隧洞间最小净距仅为1·07m,中间夹土状全风化花岗岩层,围岩为Ⅴ级。
2、三维分析模型[2,3]
2·1 计算模型的建立
利用FLAC3D进行三维施工模拟,分析结构和力学效应复杂的局部重叠隧道段在整个施工过程中的纵向力学效应,以及随施工过程的力学变化[2]。选择正交段YCK26+270~+330作为分析区间,盾构隧道尺寸及各项参数严格按照设计图尺寸建模[4]。
材料采用摩尔库仑准则,大应变变形模型;假定地表及各岩土层均成层均质水平分布,各向同性,不考虑地下水的影响;隧道埋深较浅,所处围岩结构疏松,计算中忽略构造应力;地应力场按自重应力场考虑,支护结构按弹性计算;土压平衡盾构机,盾构推力为在开挖面静止土压力的基础上另加20 kN/m2的推力。采用等参8节点6面体三维实体单元模拟衬砌、地层及注浆加固层,在隧道结构的周边围岩采用细密单元;数值模型分析总共13·79万个单元,约14·70万个节点。目标断面示意见图1,有限元整体网格见图2。
2·2 模型边界条件
在隧道横断面内,水平向右为x轴(横向)正向,竖直向上为y轴(竖向)正向,盾构隧道掘进方向为z轴(纵向)负向;边界条件:在隧道横断面内水平方向取60m (约10倍盾构隧道直径),竖直方向从地表向下取总长54 m (约9倍盾构隧道直径),纵向断面为60 m (40环)盾构隧道区间;其中YCK26+270断面和+330断面为z方向约束,左右x面为x方向约束,底面为y方向约束,地表面则为自由面。
因地铁4号线投入运营,主要模拟2号线隧道开挖对4号线隧道的影响。重点研究2号线下穿既有隧道前后12环(18 m)的情况,将第4和第5段的交界面作为数值模拟分析的目标面,在三维数值模拟分析中,采用17个施工荷载步模拟现场盾构隧道的施工全过程。
2·3 计算参数
按不同的成因时代、岩土类别、状态,确定目标断面附近自上而下穿越地层,用岩土工程勘察报告提供的力学参数。采用钢筋混凝土盾构管片,衬砌管片厚300mm,每环1·5m,采用错缝拼接。结合盾构隧道拼装式衬砌结构特点对刚度进行折减,折减系数0·75。计算参数见表1。
2·4 模拟结果及分析
2·4·1 地层应力
在盾构隧道施工过程中,导致新建隧道工作面附近围岩应力重分布。在隧道横断面内,地应力场变化较大的区域主要集中在离隧道结构3·5 m范围内;下洞施工中,地应力场变化最大的位于下洞两侧拱腰(水平位置)偏下的区域,主要表现为下洞拱腰及仰拱处围岩径向应力增大,拱顶及拱底处围岩径向应力减小;上洞表现为拱腰及拱底应力变小,拱顶应力变大;在隧道纵断面方向上,由于隧道施工对隧道前方和后方土体的影响范围将主要集中在盾构隧道施工断面前方和后方4环(6 m)的区域内。由于隧道施工对两洞间地层纵向的影响较大,其地层的最大主应力值变化也较大,约0·16~0·32MPa。下洞衬砌结构未封闭成环前,拱部应力值较小,变形较大,随着下洞管片衬砌结构刚度及强度的提高,其支护抗力逐渐增大,围岩加于支护结构的径向应力逐渐变大,符合“地层-支护”特征曲线的原理[5];下洞封闭成环后(图3),随着结构的逐步稳定,应力进行调整和再分配,仰拱和边墙处的压力值增大,但仰拱处的压力增长速率相对较大,从而使仰拱部位承受较大的围岩压力。
2·4·2 既有隧道结构内力
因下洞开挖及隧道衬砌支护刚度未有效发挥作用前,造成附加地层变形,引起既有隧道的附加应力。在下洞的施工中,既有隧道中部应力逐渐由压力转变为拉力,而在端部产生压力;当盾构机到达开挖面之前,既有隧道的压力约减少25%,当施工目标面前后3环盾构隧道时,由施工引起既有隧道中部的压力约减小45%,当盾构机通过后,既有隧道中部应力变为拉力(图4)。在各施工阶段,既有隧道附加应力的分布均以下洞中心线形成左右对称状态。既有隧道在施工结束后的附加拉应力分布于目标面前后1·5m范围,最大值约0·1 MPa,附加压应力最大为1·9MPa。
2·4·3 衬砌管片结构内力
将目标面前一环盾构隧道衬砌管片作为研究对象,模拟表明:在管片衬砌前拱部变形较大,应力释放,应力变小;管片衬砌施作后支护结构强度和刚度增加,随结构逐步稳定、应力调整和再分配,围岩施加支护结构内力就迅速增大,仰拱部位承受较大的围岩压力,但轴力只为其最终值的65%左右、弯矩只为其最终值的30%左右;当盾构机继续向前推进时,管片衬砌的内力继续增大;当下洞贯通时,目标面盾构隧道管片的内力值达到最大。目标面一环盾构隧道管片衬砌最终轴力为468 kN,弯矩为16·6 kN·m,最大内力值的位置在下洞两侧拱腰管片衬砌,见图5。
衬砌管片封闭成环后,其轴力和弯矩均呈增长的趋势,但弯矩图显示:拱顶、边墙及拱底部位轴力为衬砌管片外侧受压,内侧受拉;而仰拱部位则外侧受拉,内侧受压;相对而言,管片衬砌的上半部承受较大的轴力和弯矩,说明上半断面的支护结构为主要承压部位。
盾构隧道衬砌管片σ1和σ3同盾构隧道管片弯矩和轴力变化规律基本一致:在盾构隧道管片衬砌施作后,其σ1和σ3迅速达到其最终值的50% ~65%;当盾构机继续向前推进时,其σ1和σ3值也迅速增大,施工结束,目标面盾构隧道管片的主应力值达到最大,其值为6·75MPa。
3、结论及建议
(1)盾构隧道在施工过程中,地应力场变化较大的主要集中在横向3·5 m,纵向6·0 m的区域。盾构推进至目标断面应加强对既有隧道受影响范围的监测。要对上下两洞间的地层进行加固,加固后地层的凝聚力应不小于0·32MPa。
(2)采用“短开挖、强支护、早封闭”可缩短围岩应力重分布的时间。根据监控量测结果调整盾构机的掘进参数,保证同步注浆的注入率和及时性,可防止既有隧道衬砌开裂。
(3)隧道断面上软下硬,盾构施工前应进行地层注浆处理。同时精心设计制作刀盘,在保留对软岩、黏性土地层适应性的基础上,着重提高刀盘对硬岩的破岩能力和对软硬不均地层的适应性,避免盾构机推进过程出现“抬头”现象。
(4)在盾构进出洞前应对一定范围内的地层进行加固和止水,要求加固后的土体的无侧限抗压强度不小于1·0MPa,渗透系数小于10-5cm/s。
(5)交叉隧道施工应严格控制盾构进洞的状态,作好精度控制和纠偏。或将盾构机改由本站进洞为本站出洞,以减少盾构机进洞的影响。
参考文献:
[1]张志强,何川·深圳地铁隧道邻接桩基施工力学行为研究[J]·岩土工程学报, 2003, 25 (2)·
[2]靳晓光,李晓红·深埋交叉隧道动态施工力学行为研究[J]·重庆建筑大学学报, 2008, 30 (2)·
[3]唐剑,付洵,莫阳春·明月山隧道力学响应FLAC3D数值模似[J]·路基工程, 2008 (2)·
[4]章玉伟,等·深圳地铁福市区间初步设计报告[R]·2007·
[5]俞鑫风,王健·地铁隧道近接施工相互影响研究现状及其思考[J]·北京建筑工程学院学报, 2008, 24 (3)·
