盾构施工不同中线间距对地表沉降的影响
2011-07-08 17:35
盾构施工不同中线间距对地表沉降的影响
【摘 要】以成都地铁一号线桐梓林站至火车南站区间段为背景,采用FLAC3D数值模拟的手段,对成都市特有地质条件下双线盾构隧道施工不同中线间距引起的地表沉降进行了研究,得出了一些具有指导意义的结论。
【关键词】盾构法施工,地表沉降,数值模拟
0、引言
随着社会经济的迅速发展和城市建设步伐的加快,我国的地铁建设进入快速发展时期。地铁隧道在施工过程中由于地层物质被挖出,自洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力将发生调整,会引起地层移动而导致不同程度的沉降和水平位移。由于施工技术质量及周围岩土介质的复杂性,即使采用较先进的盾构法,其施工引起的地层移动也不可能完全消除。
当地表移动和变形超过一定的限度时就会影响到隧道和地表建筑物的正常使用和安全,尤其对于城市地铁,区间隧道一般都穿越城市中心地带,因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、地面交通繁忙、施工条件受到限制,对环境的控制要求更为严格。
为减少由于隧道施工引起的地表移动和变形所造成的对地表建筑物和地下设施的损害以及对周围建筑环境的不良影响,必须对可能发生的地表移动和变形做出正确的估计,从而可以选择最佳的施工技术,制定一套完善的措施以确保施工地区地表建筑物与地下管线等重要设施的安全[1]。
目前成都地铁的建设,大多采用盾构法施工。同时由于成都市特有的地层特征、施工条件及其他差异,使得成都市盾构开挖隧道引发的沉降以及对周围环境的影响问题尤为突出。本文将针对成都市特有地质条件下双线盾构隧道施工不同中线间距引起的地表沉降进行研究。
1、FLAC3D简介
FLAC(FastLagrangian Analysis forContinua)即连续介质快速拉格朗日分析,它是一种基于拉格朗日差分法的显式有限差分程序,是由国际著名学者、离散元法的发明人Peter Cundall博士在20世纪70年代中期开始研究开发的面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统,是美国Itasca国际咨询集团公司的软件核心产品最知名的软件系统之一。FLAC及FLAC3D已在全球70多个国家得到广泛应用,在国际土木工程(尤其是岩土工程)的学术界和工业界赢得广泛的赞誉[2]。
FLAC3D采用的“显式拉格朗日”算法和“混合—离散分区”技术,能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动,由于无需形成刚度矩阵,因此,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维岩土工程问题。由于采用了自动惯量和自动阻尼系数,克服了显式公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题。所以, FLAC3D是一个求解三维岩土问题的最理想工具之一。
2、模型建立及参数选取
成都地铁桐梓林站至火车南站区间为两条单线圆形隧道,线路起于桐梓林站[Z(Y)DK13+566. 4],止于火车南站[Z(Y)DK14+509. 9],左右线长度均为943. 5 m,均为地下隧道。单线隧道外径6. 0 m,内径5. 4 m,线间距由12 m逐步增加到18 m。最大坡度为22‰,最小坡度为3‰。最大埋深20. 5 m,最小埋深13. 9 m。沿线有大量的地下管线,地面交通繁忙。为了反映盾构开挖时各个因素的影响,对水平推进的盾构隧道进行计算分析,开挖隧道的基本情况为:衬砌外径6. 0 m,衬砌管片厚度为0. 3 m,管片环宽为1. 5m,分块数为6块,管片的混凝土标号为C50,其对应的弹性模量为34. 5 GPa,泊松比为0. 2,用刚度折减系数来考虑环向接头的影响,刚度折减系数取为0. 8[3],因此计算时衬砌的弹性模量为27. 6 GPa,按弹性均匀圆环考虑。
地层视为理想弹塑性材料,服从Mohr-Coulomb屈服准则,注浆层按弹性材料考虑。管片、地层和注浆层均采用实体单元模拟。计算中采用的材料参数见表1。
众多研究和实测资料表明,地下隧道开挖后的应力应变,仅在隧道周围距离隧道中心点3倍~5倍隧道开挖宽度(高度)的范围内存在实际影响,在3倍宽度处的应力变化一般在10%以下,在5倍宽度处一般在3%以下。所以,计算边界即可确定在3倍~5倍开挖宽度。在这个边界上,可以认为开挖引起的位移为零[3]。为了消除边界效应,两侧面及底面距隧道最近的边缘约为30 m,上侧取至地表。边界条件采用位移边界条件,上边界为自由面,两侧面、底面均受法向约束。坐标原点位于两隧道圆心连线的中点上,y轴朝上,z轴沿隧道延伸方向,x轴为土体横向方向。土体结构沿隧道延伸方向取60 m,土体横向取80 m,竖向取56 m。
本次模拟考虑开挖对地表沉降的影响,开挖沿z=0向z=60方向分步进行开挖,每次开挖3 m。该模型有45 160个单元,49 371个节点,采用Mohr-Coulomb模型进行计算(见图1)。
3、数值模拟及分析
成都地铁桐梓林站至火车南站区间的两条单线圆形隧道,线间距由12 m逐步增加到18 m。为了反映该盾构区间双孔隧道不同中线间距对地表沉降的影响,分别选取中线间距L=12 m,L=14 m,L=16m,L=18m进行分析。计算中取隧道埋深为20m,掘进压力为600 kPa,左右洞同时同向开挖,每次开挖3 m,共开挖30 m。不同中线间距模型位移云图如图2~图5所示,其地表沉降曲线如图6所示。
从图2~图6可以看出,在相同的条件下,中线间距越小,地表沉降越大,主要是因为中线间距较小,开挖对地层扰动比较大,使得地层强度有所弱化;随着中线间距的增大,中线间距对地表沉降的影响越来越小,中线间距为16m和18m时,线路中线地表纵向沉降曲线基本重叠在一起,说明当中线间距大于16 m时, 该区间隧道中线间距的变化对地表沉降的影响趋于稳定。因此,当双孔隧道中线间距较小时,应采取适当的工程措施,加固左右隧道中间的土层,以减少地表沉降;在条件容许的情况下可以适当增加中线间距,以减少地表沉降。
4、结语
本文采用FLAC3D数值模拟的手段,对成都市特有地质条件下盾构隧道施工引起的地表沉降进行了研究,得到了以下主要结论:在相同的条件下,中线间距越小,地表沉降越大;当中线间距大于16 m时,该区间隧道中线间距的增加对地表沉降的影响趋于稳定。当双孔隧道中线间距较小时,应采取适当的工程措施,加固左右隧道中间的土层,以减少地表沉降;在条件容许的情况下可以适当增加中线间距,以减少地表沉降。
参考文献:
[1] 阳军生,刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社, 2002.
[2] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社, 2005.
[3] 李志业,曾艳华.地下结构设计原理与方法[M].成都:西南交通大学出版社, 2008.
