盾构隧道施工中土灵敏度分析

目前,我国各大城市的地铁交通发展越来越快,盾构法施工因其具有安全、快速、高度机械化等优点得到越来越广泛的应用,北京、天津、广州等地区均成功完成盾构地铁隧道。我国的南水北调工程中也成功运用盾构法修建了穿越黄河河底的引水隧道。河海大学的胡如军等人对盾构隧道管片设计参数的灵敏度进行了分析,并对设计进行了指导[1]。而在施工方面,合理分析盾构施工中周围土体的情况,通过研究其各主要参数的灵敏度,从而有针对性地对隧道进行支护,对提高隧道施工的效率和安全均具有十分重要的意义。
西安地铁二号线是西安地铁系统中的第一条线路,也是西安交通规划中重要的一环,其施工过程中的安全和质量受到了广泛的重视。西安是世界闻名的古都,地下文物丰富且线路中涉及多处文物古迹, 地下黄土地质较为复杂,所以对盾构开挖中周围土体的灵敏度分析研究非常迫切。
考虑到仿真数值模拟分析成本较低,且可以较好地模拟实际工程情况[2-4]。故本文以FLAC3D仿真模拟软件进行计算机模拟研究,分析了土体各主要参数灵敏度,对施工中改善土体提出有针对性的措施具有重要意义。

1　工程概况
西安市地铁二号线(铁路北客站-韦曲段)工程属于陕西省西安市城市轨道交通系统,为西安市重点工程建设项目,线路北起西安铁路北客站(草滩),南至长安区,正线全长26.456 km。其中某区间拟采用盾构法施工。
此区间地势较平坦,不存在断层构造,地貌上属黄土梁洼区的黄土梁。本区间场地内地层为:地表一般分布有厚薄不均全新统人工填土(Q4ml),其下为上更新统风积(Qeol3)新黄土(局部为饱和软黄土)及残积(Q3el)古土壤,再下为中更新统风积(Ql2eo)老黄土和冲积(Q2al)粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。主要地层特征和参数见下文2.2。

2　FLAC3D仿真数值模拟
2.1　模型建立
根据既有的研究,模型网格范围取隧道直径D的3~5倍[5]。根据工程情况和所研究的问题,模型网格选取半边结构,仅研究单隧道周围的土体变形。模型中X方向为宽度方向,Y方向为隧道开挖前进方向,Z方向为竖直深度方向。模型的边界条件为:左边的对称面和右边界均施加X方向水平约束;隧道轴线方向,前后边界都施加Y方向的位移约束;模型下边界施加Z方向的竖向约束。本文中D=10 m,埋深C取20 m,模型X方向取50 m,Y方向取100 m,Z方向从隧道上方取至地面,隧道下方取35m,共65 m。按照平面应变问题进行模拟计算。
模拟中,用三维的六面体单元来模拟土体,用shell单元来模拟衬砌管片,土体本构模型采用摩尔—库伦模型。根据研究重点,隧道周边网格较密,随着与隧道中心距离增大,网格尺寸加大。在内部分层施加土体的自重荷载来实现初始地应力场的模拟。使用空单元来实现隧道的开挖。具体模型如图1所示。

本文研究重点为隧道周围土体各主要参数灵敏度对隧道土体变形和沉降的影响规律,故模拟中采取了一些措施来排除施工中其他因素的影响:隧道一次性掘进40m,排除施工中多步开挖引起的隧道周围土体累计变形;隧道开挖后立即施加管片支护控制周围土体发生变形;不考虑盾构机盾尾空隙的存在,排除隧道在盾构机通过后的后续下沉;为了使效果更加明显,模拟时掘进面施加一半的支护力;以隧道掘进面洞顶沉降为隧道变形的衡量标准,考察土体各参数变化的影响。
2.2　计算参数的选取
根据西安地铁二号线某区间岩土工程勘察报告中的土体物理力学参数,对土体进行了适当简化,对性质类似的土层进行合并处理,分为5层土体,并取出其相应的各层土体的计算参数和支护管片的参数,如表1和表2所示。

3模拟结果分析
3.1　黏聚力的影响
为了研究黏聚力的变化对土体的影响,计算时保持其他条件不变,黏聚力大小分别取为2,4,6,8,10 kPa,得出对应的掘进面洞顶沉降随黏聚力变化的曲线,如图2所示。

由图2可以看出,随着黏聚力的增大,曲线斜率逐渐减小,由此可知,当土体黏聚力较小时,黏聚力的变化对掘进面洞顶沉降有一定影响,而当黏聚力较大时,黏聚力的变化对掘进面洞顶沉降影响不大;再者,从整体来看,黏聚力的变化对掘进面洞顶沉降的影响有限,当黏聚力由2增加至10时,洞顶沉降仅有7.7 mm的差别。
3.2　内摩擦角的影响
在研究内摩擦角对土体的影响时,其他条件按照土体本来的物理力学参数计算,得出内摩擦角分别为15°,20°,25°,30°,35°时的掘进面洞顶沉降随内摩擦角变化的曲线,如图3所示。


由图3可以看出,随着内摩擦角的增大,曲线斜率逐渐减小,由此可知,当土体内摩擦角较小时,内摩擦角的变化对掘进面洞顶沉降影响较大,而当黏聚力较大时,黏聚力的变化对掘进面洞顶沉降影响不大;再者,从不同内摩擦角对应的洞顶沉降来看,内摩擦角变化对掘进面洞顶沉降的影响比黏聚力变化对其的影响大,当内摩擦角由15°增加至35°时,最小值24.45 mm,最大值48.22 mm,掘进面洞顶沉降增加了23.77 mm。
3.3　弹性模量的影响
在研究弹性模量对土体的影响时,保持土体其他参数不变,得出弹性模量分别取2,4 ,6 ,8 ,10MPa时的掘进面洞顶沉降随土体弹性模量变化的曲线,如图4所示。


由图4可以看出,随着弹性模量的增大,曲线斜率同样逐渐减小,由此可知,当土体弹性模量较小时,弹性模量的变化对掘进面洞顶沉降影响较大,而当弹性模量较大时,弹性模量的变化对掘进面洞顶沉降影响不大;再者,从不同的弹性模量对应的掘进面洞顶沉降来看,弹性模量变化对掘进面洞顶沉降的影响比黏聚力和内摩擦角变化对其的影响更大,当弹性模量由2 MPa增加至4 MPa时,最小值54.59mm,最大值198 mm,掘进面洞顶沉降增加了143.41mm。

4　结论
(1)3条曲线的走势大致相同,说明了隧道周围土体参数值的大小对隧道的影响是一致的,且土体参数越好,隧道掘进面洞顶沉降受土体参数变化的扰动也越小,灵敏度越低。
(2)3条曲线的数值相差较大,这说明土体各参数对隧道周围土体沉降的影响力不同,即隧道对土体各参数的敏感性不同,模拟结果表明敏感性由大到小的顺序为弹性模量、内摩擦角、黏聚力。
(3)在盾构隧道掘进过程中,对隧道周围土体的控制应该由主要因素到次要因素,有针对性地控制才能取得更好的支护效果,进一步提高施工的效率和安全性。