三洞并行盾构隧道开挖引起的地表沉降研究.pdf
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1、June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3 期(总第2 8 2 期)山西交通科技三洞并行盾构隧道开挖引起的地表沉降研究曾波(中铁二局第五工程有限公司,四川成都610031)摘要:针对三洞隧道开挖引起的地表沉降规律,以南通轨道交通1号线孩-环区间盾构隧道工程为依托工程,采用现场数据监测、理论分析和数值模拟,研究了三洞并行盾构隧道施工对地表沉降规律的影响。研究结果表明:提出一种计算三洞并行隧道开挖地表沉降曲线的“三阶段分析法”,综合比较“三阶段分析法”得到的沉降预测曲线、现场况降实测数据的拟合曲线及数值模拟的沉降计算曲
2、线可知,提出的“三阶段分析法”和数值模拟方法均能较好地反映三洞并行盾构隧道的真实施工情况。关键词:三洞并行;盾构隧道;地表沉降;数值模拟中图分类号:U455.43文献标识码:A文章编号:10 0 6-3 5 2 8(2 0 2 3)0 3-0 10 7-0 4Study on Ground Surface Settlement Caused by Excavation ofThree-parallel Shield TunnelZENG Bo(Fifth Engineering Co.,Ltd.of CREGC,Chengdu,Sichuan 610031,China)Abstract:Foc
3、using on the settlement law of the ground surface caused by the excavation of thethree-parallel tunnel,and based on the shield tunnel engineering in Hai-Huan section of Nantong RailTransit Line 1,this paper studied the influence of the construction of the three-parallel shield tunnel on thesettlemen
4、t law of the ground surface by field data monitoring,theoretical analysis,and numerical simulation.As a result,a three-stage analysis for calculating the surface settlement curve of excavation of thethree-parallel tunnel was proposed.Comprehensively comparing the settlement prediction curve obtained
5、 fromthe three-stage analysis,the fitting curve of field settlement data,and the settlement calculation curve fromthe numerical simulation,both the three-stage analysis and the numerical simulation can well reflect thereal construction situation of the three-parallel shield tunnel.Key words:three-pa
6、rallel;shield tunnel;ground surface settlement;numerical simulation为满足城市交通发展的需求,地下轨道交通的修建正逐渐成为我国解决城市交通拥挤的重要途径。2021年我国城市投运城规交通线路共计新增运营线路39条,新增运营线路长度12 2 2.9 2 km,其中新增地铁占比7 9.48%,长度9 7 1.9 3 km。与上年同期相比,地铁同比增幅最大。我国各省市级政府都在不断加大轨道交通的建设规模,越来越多的城市加人地铁建设的大潮,中国已处在稳定有序的地铁投资建设阶段。目前常见的地铁隧道施工方法有矿山法、明挖顺作法、钻爆法、盾构法
7、等。盾构法具有安全性及适用性较强,自动化程度高,对周边环境危害较小等优点,尤其适用于埋深大、地质环境差的条件,因此,在地铁隧道建设中盾构法已成为最常用的施工方法之一。但盾构掘进过程会对地层产生扰动造成地层损失,并进一步引起地层变形和地表沉降川,在城市复杂条件下愈发需要对其加以重视,否则可能会造成土体塌陷、地下管线破坏、建筑物倾斜等重大事故 2 。随着地铁网络的逐步形成,受地形、地质、城市规划等多方面因素的收稿日期:2 0 2 2-12-0 8;修回日期:2 0 2 3-0 2-16作者简介:曾波(19 8 9),男,四川遂宁人,工程师,大学本科,2 0 13 年毕业于西华大学机械设计制造及其自
8、动化专业。基金项目:国家自然科学基金(5 17 7 8 6 3 3、5 13 0 8 5 5 2);2 0 2 0 年中国中铁股份有限公司科技研究开发计划引导课题(41、2 43);中铁二局集团有限公司科技研究开发计划课题(2 0 2 2-B-4)1082023年第3 期山西交通科技限制,在中国现有实际隧道工程中,许多工程实例表现为多洞小净距隧道并行施工和新隧道紧现有隧道施工,并且净距呈现越来越近的趋势 3 。因此,如何控制施工引起的地表变形,如何减少盾构隧道施工对相近隧道的影响已经成为隧道工程盾构法中的热点研究问题。然而,现有的文献大多是针对双洞并行隧道的相互影响进行研究,而针对三洞并行隧道
9、之间相互影响的研究起步时间较晚且研究成果较少。三洞并行盾构隧道开挖会造成后行隧道施工对土体的重复扰动、后行隧道在已扰动过的土体中施工对已建隧道的影响、三洞并行条件下地表沉降叠加效应等。综上所述,本文依托南通轨道交通1号线孩儿巷站一环西文化广场站区间盾构隧道建设工程,根据其地质勘察报告及工程施工参数建立三洞并行盾构隧道的数值模型,分析三洞并行盾构隧道开挖的地表沉降变化规律及洞体间的相互影响规律,并调整相邻隧道的净距比、埋深比等因素分析其对隧道地表沉降的影响。1研究区概况三洞并行盾构隧道位于南通市城市轨道交通1号线0 3 标孩儿巷路站一环西文化广场站盾构区间(以下简称为孩-环区间),如图1所示。其
10、中,孩-环区间包含上行线、下行线和停车线。区间上行线设计起里程:SK20+226.052SK20+741.314,全长5 15.2 6 2 m;区间下行线设计起里程:XK20+227.065一XK20+741.330,全长5 14.19 7 m。区间停车线设计起里程:TK0+112.500TK0+627.514,全长5 15.0 14m。上、下行线间距为2 2 m。线路最大坡度和最小坡度分别为4%o和2%o。线路埋深8.9 16 9.9 46 m,管片外径为6.2 m。金恒佳苑1栋端平桥综合楼人民中路游戏动漫城西侧孩儿巷路站环西文化广场站汉庭快捷中南大厦如家快捷锦江之星新华书店7811河道工程
11、人防隧道二十筒北路图1孩儿巷路站一环西文化广场站盾构区间平面图1.1工程地质孩-环区间周边地势较为平坦,地面标高4 6 m,处于长江下游的冲积平原。根据研究区地质勘探资料,沿线软弱土层较厚,主要为粉质黏土、粉土、粉细砂、细砂和中粗砂。研究区间地层从上至下划分7 层,如图2 所示。其中-2 相对较均匀,其余土层不均匀。区间内隧道洞体穿越地层主要为-1层、-2 层。6.21m6.21m6.2m4.8m4.8m?-1-25.55.5m5.5m间距2 2 m-2 t填土:砂质粉土;-2-1粉砂夹粉土;-2 粉砂;-2 t 砂质粉土夹粉质砂土;-2 t-2 砂质粉土夹粉质黏土图2区间地质剖面图2三洞并行
12、隧道开挖引起的地表沉降理论研究2.1计算原理及步骤隧道施工会对地层土体产生扰动引起地表沉降对于多洞并行隧道,当隧道间距较近时,隧道上方各自的卸荷扰动范围会产生重叠,引起土体的重复扰动而引起附加沉降,所以计算后行隧道的地表沉降量时应当在单洞隧道的地表沉降量上增加一个附加沉降增量。计算附加沉降增量的方法有两种:修正系数法、叠加法。修正系数法是通过引人修正系数K对单洞隧道地表沉降曲线计算公式直接修正并偏移,得到后行隧道地表沉降曲线。叠加法是通过叠加扰动机理对后行隧道的不对称沉降进行分析,先计算得到附加沉降曲线,再与先行隧道沉降曲线叠加得到后行隧道地表沉降曲线。修正系数法的弊端在于无法计算重复扰动范围
13、小于隧道间距的平行隧道,而叠加法计算过程更便捷,可以考虑更多施工因素,如三洞隧道间距、隧道先后施工对地表的影响因此,本文以Peck公式为理论基础,基于叠加法提出计算三洞并行盾构隧道地表沉降的“三阶段分析法”。采用该计算方法需满足以下基本假设:满足Peck公式基本假设;假定周围土体为标准弹性的均质土体;不考虑注浆对地表变形的影响;隧道直径相同且相邻隧道间的间径、埋深相同“三阶段分析法”的具体计算步骤如下:a)第一阶段设计算不考虑重复扰动作用下的先行隧道地表沉降曲线b)第二阶段判断三洞隧道之间是否存在重复扰动范围M,若不存在重复扰动范围则3 条隧道沉降曲线一致,仅需根据隧道间距对曲线进行x方向的偏
14、移;若存在重复扰动范围则需通过扰动范围M计算重复扰动曲序的Vlos和Smax,求得附加沉降曲线S(),进行x方向的偏移,偏移距离为L/2。c)第三阶段若不存在重复扰动范围,则直接叠109曾波:三洞并行盾构隧道开挖引起的地表沉降研究2023年第3 期加3 条隧道各自的地表沉降曲线;若存在重复扰动范围,则在不考虑重复扰动的叠加曲线基础上二次叠加偏移后的附加沉降曲线。其计算流程图如图3 所示。根据伟4的研究,三洞并行隧道开挖将在地表形成重复扰动区,如图4所示。其中,W表示三洞并行隧道地表卸荷扰动范围;M代表重复扰动范围;h代表隧道埋深。若ML,表示隧道间存在重复扰动区域,先行隧道对后行隧道周边土体扰
15、动较大,需考虑附加沉降;若MLNOYES存在重复扰动,确定后行隧道的扰动区范圃M第二阶段不在存在需复扰动,后行隧道流降槽确定重复扰动产生的土体写先行隧道相筒损失,进而计算得到最大沉降Smax得到附加沉降曲线公式S(x)S(x)=Si(x)+S2(x)+S3(x)S2(x)=Si()+S2(x)+S;(x)+Si(x)+S2(x)第三阶段叠加得到三洞隧道地表沉降曲线图3三洞并行隧道地表沉降曲线“三阶段分析法”计算流程图地表卸荷扰动范围W重复扰动区M附加沉降曲线深埋线间距L线间距L图4三洞并行盾构隧道重复扰动范围示意图三洞并行隧道地表横向范围的卸荷扰动范围计算公式为式(1):W=2h+2R+2L(
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