盾构穿越富水砂卵石地层的地表沉降及离散元分析_张福天.pdf

工程技术建 筑 技 术 开 发 97Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月盾构穿越富水砂卵石地层的 地表沉降及离散元分析张福天1，王 征2，郑选荣3，李帅良3（1.中交一公局集团有限公司，北京 100015；2.西安市轨道交通集团有限公司，西安 710018；3.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安 710054）摘要 盾构法是地下工程施工中较为常用的一种施工方法。在进行双向平行隧道盾构施工时，隧道之间会存在相互影响。以西安地铁六号线为例，结合相关地层数据，采用离散元软件（MatDEM）模拟了盾构隧道下穿砂卵石地层，研究了不均匀地表荷载对砂卵石地层隧道地表沉降的影响。研究表明：砂卵石地层中盾构掘进引起的地表沉降形状为V形；随着地表荷载大小增加，地层内部应力大小和边界处受力最大值也会明显增大。关键词 盾构隧道；砂卵石地层；地表沉降；数值模拟 中图分类号U231+.3；U456.3；TU94+1文献标志码A文章编号1001-523X(2023)02-0097-03SURFACE SUBSIDENCE AND DISCRETE ELEMENT ANALYSIS OF SHIELD TUNNELING THROUGH WATER-RICH SAND AND PEBBLE STRATAZhang Fu-tian，Wang Zheng，Zheng Xuan-rong，Li Shuai-liang AbstractAt present,the shield method is a commonly used construction method in underground engineering construction.During the shield construction of two-way parallel tunnels,there will be mutual influence between the tunnels.In this paper,taking Xian Metro Line 6 as an example,combined with relevant stratigraphic data,the discrete element software(MatDEM)is used to simulate the sand and gravel stratum under the shield tunnel,and the influence of uneven surface loads on the surface settlement of the sand and gravel stratum tunnel is studied.The research shows that the surface subsidence caused by shield tunneling in the sand and pebble formation is shaped like the letter V.With the increase of the surface load,the internal stress of the stratum and the maximum force at the boundary will also increase significantly.Keywordsshield tunnel;sand and pebble formation;surface subsidence;numerical simulation盾构法已成为中国城市隧道施工主要方法1。方法不可避免地对周围土壤产生扰动，导致地面变形。城市地铁隧道通常为双平行隧道，砂卵石地层由于其强烈的分散性，很容易受到盾构隧道的扰动。韦生达等研究表明，地面损失是引起地面沉降的主要因素，通常用来表征盾构施工引起的土壤 扰动2。随着数值分析计算技术的发展，除地表沉降的理论算式外，数值模拟凭借着高精度、高计算量等优势，逐渐成为施工风险预测和分析的主要手段。砂卵石地层明显不连续。盾构施工在此类地层中引起的地面沉降不同于粘性土等连续介质中的沉降。以往对盾构隧道施工引起的地面扰动的研究主要是在粘性土等连续介质中进行的。很少有研究涉及离散地层，如砂卵石地层内双平行盾构隧道方面的 研究3。以西安地铁六号线为研究背景，进行现场监测和数据分析，总结砂卵石地层中双平行盾构隧道施工引起地表沉降主要影响因素。此外，结合离散元软件（MatDEM）从微观层面研究地表沉降机理4。1 工程概况1.1 施工范围西安地铁六号线包含田家湾车站、田家湾站穆将王路站区间，标段位于西安市灞桥区咸宁东路。田家湾车站位于西安市灞桥区咸宁东路与规划路长田路交叉路口，区间线路自田家湾车站引出后，由西向东沿咸宁东路至浐河并下穿浐河、侧穿穆将王立交桥、至穆将王路站，重点为穆将王路车站西段。1.2 地层岩性情况砂卵石地层中的颗粒存在着较大空隙，颗粒之间接触面积较小，聚合力较低，导致这类地层极易受到外界环境干扰。尤其在砂卵石地层（图1）中进行盾构施工，容易破坏卵石地层力学状态，导致地层的失稳，产生沉降等一系列的工程问题。收稿日期：20230101作者简介：张福天（1989），男，黑龙江鹤岗人，工程师，主要研究方向为桥梁与隧道工程。工程技术建 筑 技 术 开 发98 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月砂砾浐河一级阶地浐河河漫滩中砾圆砾粉细砂卵石图1 地层纵断面示意2 离散元数值模拟2.1 建立隧道开挖模型在进行构建堆积模型的过程中，采用了随机堆积的生成方式。首先建立长、宽为50 m50 m的二维初始地层模型，为了更好地模拟卵石地层的结构，选用的颗粒单元的平均半径为0.4 m，单元半径的分散系数取用0.2。为保证生成的每一个颗粒单元能够随机、均匀分配到模型各个角落，给每一个生成的颗粒单元随机施加移动速度。在颗粒运动停止后，在模型上方施加一个覆盖上表面的压力板，自上向下对模型整体进行压实操作，重复6次。通过以上的重力沉积与压实作用，可以更好地模拟现实中的自然土层。模型试验所用材料数据可参考表1。表1 地层材料相关参数弹性模量/Pa泊松比抗拉强度/Pa抗压强度/Pa内摩擦系数密度/（kg/m3）10E+090.155E+065E+070.62 850由于现实生活中受重力作用，地层颗粒与衬砌结构紧密贴合。在将结构体放入隧洞后，将地层所有颗粒单元断开连接，重新进行重力沉积操作，保证颗粒单元的紧密接触，完成初始化模型的建立（图2）。50453525154030201050z/m40503020100 x/m1.80.81.60.61.40.41.20.2210图2 最终隧道模型2.2 模拟结果分析在前文建立的初始化模型上，将相同10 MPa大小的压力，以不同的作用宽度（0 m、20 m、50 m），分别施加在地层上表面中间段。对3种不同宽度的均布荷载作用下产生的地层应力分布、竖直方向上的沉降位移及边界受力曲线图像进行对比研究，借此得出相关结论，提出施工建议。当地层上表面均布荷载作用宽度为0（即无荷载作用）时，隧道主要承受上部地层的重力作用，从图中可以看出隧道衬砌结构体在左右侧腰部受到的压应力最大，其中力链分布以两平行隧道之间地层尤为明显。图3（c）地层竖向位移沉降中，上表面地层沉降最大，随埋深的增加而逐渐变小，隧道底部地层几乎无竖向位移沉降。50453525154030201050z/m40503020100 x/m4-60-8-2-10-41072（a）50453525154030201050z/m40503020100 x/m-60-2-1-3-5-41107（b）50453525154030201050z/m40503020100 x/m-0.01-0.02-0.03-0.04-0.05-0.06-0.07-0.08-0.09-0.1（c）图3 上表面无荷载（a）竖向正应力；（b）水平正应力；（c）竖向位移沉降当上表面在中间段20 m宽度内施加10 MPa压力时，地层内应力变化显著，如图4所示。两平行隧道之间地层出现多条明显竖向应力链，荷载施加部位以下应力较为集中。水平正应力增加较为显著，但分布均匀。竖向位移沉降在荷载作用位置处较为严重，隧道衬砌顶部土体沉降较大。工程技术建 筑 技 术 开 发 99Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月50453525154030201050Z m40503020100 x/m10.5-0.5-1.5-1-20108（a）50453525154030201050Z m40503020100 x/m-4-6-8-10-12-14-16-18-20108（b）50453525154030201050Z m40503020100 x/m-0.05-0.15-0.25-0.1-0.2-0.30（c）图4 上表面中间段20 m范围内施加均布荷载（a）竖向正应力；（b）水平正应力；（c）竖向位移沉降当在上表面50 m范围内（上表面全覆盖）施加压力时，分布较为均匀，无明显力链分布，但与无荷载情况下的图像对比，地层内部应力大小明显增大。图5（c）地层竖向位移沉降中显示，地层模型整体沉降量较大。竖向沉降主要集中在两平行隧道正上方地表处，沉降曲线形状呈V形。3 结束语以西安地铁下穿浐河段工程为背景，通过矩阵离散元软件建模，构建隧道下穿地层数值模型。砂卵石地层易受到盾构掘进的干扰，通过对比模拟图像，研究砂卵石地层中盾构掘进引起土壤扰动，及隧道上方地表存在不同分布面积荷载，地层随之产生响应。（1）砂卵石地层中盾构掘进引起的地表沉降形状为V形，开挖之后安装的衬砌结构在左右侧腰部受50453525154030201050Z m40503020100 x/m1081-1-2-3-40（a）50453525154030201050Z m40503020100 x/m108-0.2-1.2-0.4-1.4-0.6-1.6-0.8-1-2-1.80（b）5045352515404050303020201010500Z mx/m-0.10-0.2-0.3-0.4-0.5（c）图5 上表面中间段50 m范围内施加均布荷载（a）竖向正应力；（b）水平正应力；（c）竖向位移沉降到的压应力最大。施工过程中应注意保证同步注浆进行及时加固。（2）离散元法对砂卵石地层盾构施工模拟具有良好的适用性。上地表荷载出现集中分布时，荷载作用下方地层会出现较为集中的力链分布。当地表荷载大小增加时，地层内部应力大小和边界处受力最大值也会明显增大。参考文献1 陈雄龙，桂美华.覆土层、岩石强度和柱宽对三平行洞隧道安全性的影响J.浙江大学学报(理学A：国际应用物理工程学报)，2009，10（11）：15811588.2 韦生达，姚佩仪，彭鑫，等.砂卵石地层盾构施工对地层扰动与地表沉降的影响分析J.建筑技术，2021，52（11）：13311334.3 梁立唯，刘春，秦岩，等.基于MatDEM的盾构滚刀破岩离散元建模与数值模拟J.隧道与地下工程灾害防治，2019（3）：116122.4 赵志国，赵旭伟，周萌.卵漂石地层盾构机超挖对地层变形影响的离散元分析J.隧道与轨道交通，2019（S2）：4350.