盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地表沉降及臨近管線的影響初步分析

1、盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地表沉降及臨近管線的影響初步分析吳鋆（武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司武漢430030）摘要：盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工時(shí)引起地層變形，從而導(dǎo)致地表沉降或隆起，并由此影響臨近地表管線的受力與 變形。本文結(jié)合某工程實(shí)例，建立土體-隧道-管線三維計(jì)算模型，計(jì)算了常規(guī)地層損失率時(shí)隧道掘進(jìn)開挖引起的地表沉降變形量，分析了管線的受力與變形規(guī)律。計(jì)算分析表明：地層損失率對(duì)地表沉降以及管線 的受力與變形有顯著影響。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；沉降；管線1工程概況某兩孔盾構(gòu)隧道工程垂直下穿燃?xì)夤艿?，燃?xì)夤芡鈴?27mm,壁厚17.4mm，埋深12.4m。盾構(gòu)隧道正好垂直下穿該燃?xì)夤芫€，隧道頂距燃?xì)夤艿椎呢Q向凈距僅3m，隧道直

2、徑6.6m，內(nèi)徑5.9m，壁厚0.35m，兩隧道圓心間距16m。工程勘察所得的地質(zhì)資料如表1所示。表1 土層分布情況及計(jì)算參數(shù)土層厚度/m彈性模量MPa泊松比飽和重度（kM/m3）填土290.33319粉質(zhì)粘土3100.33318粉質(zhì)粘土319.70.32420粉質(zhì)粘土14300.27520粉質(zhì)粘土4190.32020粘土3270.27020砂土11360.270202計(jì)算模型與隧道開挖模擬2.1計(jì)算模型由于隧道正好是垂直下穿管線，同時(shí)考慮到土質(zhì)較為均勻，另外，本文計(jì)算是為初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)，故考慮工況較為簡(jiǎn)單。在建立計(jì)算模型時(shí)，水平橫向隧道范圍為16+6.6=22.6m，般取45倍計(jì)算寬度，因

3、而本文取100m;水平縱向長(zhǎng)度，由于前面已提到土質(zhì)較為均勻，且是初步分析，可以按平面問題考慮， 但考慮到管線與隧道是空間分布的，故縱向取一定計(jì)算杜即可，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文取60m;深度方向則依據(jù)表1中的地質(zhì)資料，40m剛好到基巖面，因此，深度方向取40m。最終的計(jì)算模型如圖1所示。其中X向?yàn)樗綑M向，Y向?yàn)樗娇v向，Z向?yàn)樨Q直方向，其中坐標(biāo)原點(diǎn)位于地表，以向上為正，向下為負(fù)。圖1計(jì)算模型2.2隧道掘進(jìn)模擬目前已有許多關(guān)于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方面的模擬1-3, 一般是考慮盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的全過程：施加掘進(jìn)力一開挖一支護(hù)一注漿等。本文則采用隧道開挖中常用的地層損失率法，通過設(shè)定地層損失率，將圍巖一 次開挖

4、后，提取圍巖邊界上的釋放力，乘以釋放系數(shù)，再反向施加于圍巖上。目前常規(guī)的地層損失率在 0.10%0.34%之間，本文則取中間值 0.2%進(jìn)行計(jì)算分析。3計(jì)算結(jié)果及分析3.1地表沉降分析對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起地表的沉降和隆起的表述之中，最經(jīng)典是Peck公式。取縱向60m的正跨中截面處的地表沉降值，如圖2所示，整個(gè)模型的沉降(豎向位移)云圖如圖3所示，隧道局部的沉降云圖如圖4所示。由圖2-4可見：(1) 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的橫向地表沉降槽曲線與經(jīng)典的Peck描述的一致；(2) 地表最大沉降沉降值為1.057cm，小于工程經(jīng)驗(yàn)值 3.0cm，滿足工程要求；(3) 由隧道局部沉降云圖可見在隧道土體開挖后，其

5、實(shí)相當(dāng)于一個(gè)卸荷的過程，因此，隧道拱頂下沉， 而拱底則有少量上浮，與理論分析相吻合。0.0Width (m)圖2地表橫向沉降槽曲線I： 7713*)0： h t 75OGB-OO2 -1 75DOfl-OO2 Eo-1 5000*4)02 -1 5000*4)02 Eb -t 25CKh-0O2 ”仁弊屮媲階I-1-7 5Wt-0WIN -7J 8 -5二-5 WOOW31P -7 5OT0-0O3 -2 WWMW3 博 fl MOO*MW ' DOODOe*OWtfl 2 500022| 2 5000e-003lc 5 0000e-003 50000e-003UJ ? 5000e-0

6、037io ei4fi«-003圖3模型的沉降(豎向位移)云圖2關(guān)0外如如0(0 0000*4000 to 22 5000-003 h 5 £5 0000&-M3 :c? 7 !7 5000C-003EG S 17500e-002!<1.500002 to-I : / TSDgQH tn -I I圖4隧道局部的沉降(豎向位移)云圖3.2管線沉降分析管線屬于埋設(shè)于地下的結(jié)構(gòu)，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)而言，與地面結(jié)構(gòu)不同，地下結(jié)構(gòu)的破壞一般是由于周圍 地層的變形強(qiáng)加在結(jié)構(gòu)上，強(qiáng)迫結(jié)構(gòu)發(fā)生類似的變形。因而，地層位移以及由地層位移引起的結(jié)構(gòu)位移對(duì) 結(jié)構(gòu)安全性的判斷十分重要。圖5和

7、圖6分別為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)結(jié)束后，管線的沉降（豎向位移）云圖和曲線。由圖可見：（1）管線的最大沉降值為 1.214cm，比地表最大沉降值（1.057cm）稍大；（2） 左側(cè)隧道圓心距離左側(cè)邊界有42m，從圖6可見，在最左側(cè)（0-12m）范圍內(nèi)管線位移為正值 （僅0.4mm），之后管線才開始下沉，在42m處沉降值達(dá)到最大值 1.214cm，也即在開挖隧道正上方時(shí)管線的沉降值最大，而不是出現(xiàn)在兩隧道正中間的的位置（該處沉降值為1.042cm）?？紤]到該煤氣管線具有一定的柔性，能承受1.244cm的差異沉降，滿足安全要求。I-1.2201frM)2 to-1.20006-002-1.2000to*1.0

8、00(M()2-8.0000e-M)3to-6.0000e-003 -6.0000003 to-4.0000e-003 -4.0000003 to-2.0000003 n-2.raM)3to O.OOOO&OOOO.OOOOeiOOOto 3.9362e-004圖5管線的沉降（豎向位移）云圖圖6管線的沉降（豎向位移）曲線3.3管線應(yīng)力分析為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)管線的安全性，夲小節(jié)給出管線的應(yīng)力云圖，以作參考。圖7為管線軸向（X向）正應(yīng)力（SXX ）云圖，圖8為沿管線表面的剪切力（SXZ ）云圖。由圖可見：管線軸力最大值為75.8MPa，剪應(yīng)力則跟?。?5.5MPa）,均低于一般的管材的強(qiáng)度，滿

9、足工程要求。46904eWto4.0000e+0D7-4.0000eWto-2.0000e+0D7-2.0000e+007 to O.OOOOe+OOOO.OOO&e+OOOto 2.0CO0e+0072.D00te+007to 4.0000e+0074.M0fe+007 to 6.0000e+007G.MOte+007 to 7.5606e+007圖7管線軸向應(yīng)力（SXX ）云圖I-1,5605e+007 lo-1.5000e+007-1.5000e+0G7o-1.0000e+007 -k0000e+007 to-5.00Me+006J-5.0000e+006lo O.MOfe+OO

10、O0.000064000 to SOOOOeWK_ 5.0C0te+006to I.OOOOeW1 1.000fe+007 to 1.3572e007圖8管線表面剪切應(yīng)力（SZX ）云圖4結(jié)語(yǔ)本文結(jié)合某地鐵盾構(gòu)隧道施工工程，采用地層損失率法，初步計(jì)算分析了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地表沉 降、管線陳健以及管線受力規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：（1） 地表沉降滿足經(jīng)典的 Peck公式預(yù)測(cè)的沉降槽曲線，地表最大沉降僅1cm，滿足工程要求；（2）管線的最大差異沉降僅 1.2cm，最大應(yīng)力僅75MPa，均能滿足工程要求；（3） 管線的沉降稍大于地表沉降，主要是因?yàn)楣芫€與隧道頂部垂直凈距僅3m，管線位于隨帶開挖引 起的松動(dòng)圈內(nèi)，故其沉降比地表沉降大。因此，在今后工程中必須注意近距離、超近距離盾構(gòu)施工對(duì)管線的影響。參考文獻(xiàn)1 張海波，殷宗澤，等近距離疊交隧道盾構(gòu)施工對(duì)老隧道影響的數(shù)值模擬J.巖土力學(xué)，2005,26（ 2）:282-286.2