矩形隧道施工引起的地表变形分析

周　隽

(上海隧道工程股份有限公司)

摘　要　运用有限元数值分析的方法,对宁波市开明街～药行街地下通道工程施工过程中隧道周围的地层

变形进行计算预测,将计算结果与现场监测资料进行对比,对大断面矩形隧道施工引起的地表变形规律进行分析,为我国推广矩形隧道掘进提供参考。

关键词　矩形隧道　掘进机　施工技术　地表变形　数值分析1　工程概况

宁波市开明街～药行街地下通道位于宁波市中心,由于地面客流和车流量大,所以通道必须采用暗挖法施工。根据通道断面尺寸、工况条件和环境保护要求,上海隧道工程股份有限公司制造了一台4m×6m矩形隧道掘进机进行施工,工程平面见图1。

矩形隧道组成,通道之间净距为2m,平均覆土厚度4m。矩形隧道主要在淤泥质粘土层和淤泥质粉质粘土层中穿越,具体情况见图2。

本通道施工穿越了药行街,道路下有大量地下管线,其中埋深最深的󰂋450污水管距离通道顶面为1m。

2　矩形隧道掘进机设计　　本工程过街通道由两条长度各为50m的平行

本通道工程主要在呈流塑状的淤泥质粘土层和淤泥质粉质粘土层中顶进,施工中必须严格控制地表变形。因此本工程采用了一台4m×6m偏心多轴式双刀盘土压平衡矩形隧道掘进机进行通道施工,具体形式见图3。3　有限元数值分析预测地面沉降

在矩形隧道施工中引起地层损失、隧道周围受扰动、受剪切破坏土体的再固结和衬砌变形是引起地面沉降的主要原因。根据这一特点,利用有限元程序ANSYS对矩形隧道推进进行二维非线性有限元模拟,通过计算预测地面沉降。

(1)模型的描述

首先将问题简化为平面应变问题,模型采用plane42单元,模型尺寸为16m×28m。该模型两

图1　工程施工平面图

侧边界约束水平位移,底部边界固定,模型上部为地

表,取为自由边界。

图2　工程地质剖面图

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图3　4m×6m矩形隧道掘进机总图表1　地基土设计参数建议值表

层号

12a2c

土层名称粘土

淤泥质粘土淤泥质粉质粘土

W/%34.242.043.2

ρ/KN・m-1

19.016.717.7

固结快剪

e0.9651.3301.216

W1

/%43.540.839.9

Ip/%19.817.815.5

ES122/Mpa3.762.272.08

C/Kpa281514

Ф)/(°

15.39.09.1

　　(2)计算参数(见表1)

(3)计算结果

通过有限元计算,得出在施工期间地面沉降为32.3mm,沉降槽影响范围在30m左右,具体情况见图4、图5。4　施工与监测本工程于2003年1月开工,同年8月23日矩形隧道掘进机开始第一条通道施工,9月23日贯通;第二条通道于10月4日开始掘进,至10月17日贯通。大断面矩形隧道掘进机日均推进能力达到4m/d,最高日推进6m。

(1)地面变形情况

图4　掘进位移计算图

在第一条矩形隧道推进过程中,由于遇到暗浜

和地下障碍物,整个推进过程中地表沉降较大。调整施工参数后,第二条通道地表沉降基本达到设计和规范要求。正常推进段地表沉降在30mm以内,与有限元数值计算的结果十分吻合。隧道轴线位置地表沉降见图6。

图6　隧道轴线位置地表沉降图

图5　沉降影响范围计算图

《地下工程与隧道》2006年第2期—21—

图7　横向沉降槽示意图

图8　纵向沉降历时变化图

　　(2)地表沉降横向分布规律

　　第二条隧道z=25m处,典型横断面地表沉降见图7。本工程地表变形影响区域主要集中在轴线两侧15m范围内,沉降占总沉降量的95%左右,水平距离超过15m后,沉降趋于零。整个横向沉降槽的分布形态与有限元数值分析的沉降曲线吻合较好。　　(3)地表沉降纵向分布规律

图8所示为第二条隧道z=25m隧道中线纵向沉降历时变化图。从统计分析看:切口到达前地表沉降较小,甚至表现为少量的隆起;矩形隧道掘进机通过时引起的沉降速率迅速增加,这一阶段的地表沉降占总体沉降量的80%以上;盾尾脱出后沉降速率显著减慢,后期沉降占总体沉降量的20%左右。5　结论

(1)采用有限元计算得出的结果与实测结果基本吻合。这说明只要合理的建立计算模型,选用合—22

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理的计算参数,有限元法是一种研究隧道盾构施工力学过程的有效工具。

(2)监测和有限元计算结果均表明:因初始应力状态改变造成土层变形和地层损失,是矩形隧道推进施工造成地表沉降的主要因素。

(3)监测资料表明:即使工况条件相同,但采用的施工参数和施工质量不同,相应的地表沉降也会有很大的差异;施工因素(如开挖时土压平衡力的设定、衬砌的壁后注浆是否及时和注浆充填率的大小等)对地表沉降具有重要影响。

(4)从监测资料和有限元计算结果也可看到:矩形隧道推进对周围土体的影响规律与单圆盾构较为相似,但横断面沉降槽的宽度比圆隧道大,圆隧道约2D,矩形隧道为5D左右。

(收稿日期:2006-03-30)

《地下工程与隧道》2006年第2期

UNDERGROUNDENGINEERINGANDTUNNELS

(Quarterly)No2.Jun.2006

AbstractsofMainContents

(1)SafetySchemeandFirePerformance2basedDesignofUnderwaterRoadTunnel………FanYiqunetal.

Bylookingatthefireresistancedesignsofpastprojects,thoroughdiscussiononthebasicideaofalargetunnelsecuritysystemcanthenbecarriedout.Thefireresistingsystemofatunnelcanbemoreeffectiveifitisbuiltuponscientificbasis.

(5)PavementTechnologyofAsphaltonCementConcreteRoad………………………………WangJianqing

TherearenodesignguidelinescoveringthestandardsofasphaltpavementonexistingcementconcreteroadinChina.BasedontheexperienceoftheasphaltpavementofXinWeiRoadandDaTingRoadinShang2hairoad(A6,A7,A30),somesuggestionsareprovidedwithregardtothedesignandconstructionpointsintheasphaltpavementforreference.

(8)StudyontheResourceSharinginPowerSupplySystemofUrbanRailTransit

　　　………………………………………………………………………………………WangXiaobaoetal.

Thearticleillustratestheresourcesharinginpowersupplysystemofurbanrailtransitthroughitsneces2sities,implementationmethod,powerreliabilityinthenetworkandnewcharacteristicsofpowersupplysys2temandloomingproblemswhentheconstructionmodeofurbanrailchangesfromasinglelineintonetworkconstruction.

(11)VehicleSelectionintheDesignofUrbanRailTransitEngineering………………………ZhengJianwei

BasedonthedesignpracticeofShenzhenMetroLine3,thearticleexplainsthemaintechnicalprinciplesintheselectionofrailtransitvehicleincludingthedeterminationofrailtransitmode,maximumspeed,carconfiguration,numberofmotorcarinonetrain,powersupplymodeandbrakingresistor.

(14)FeasibilityAnalysisandStrategyforDriverlessOperationonShanghaiRailTransitSystem……CaiYu

DriverlessrailtransitsysteminChinaisstillattheinfantstage.Asetofstrategycanbecomeupwithfordiscoveringtheinfluencingfactorsofdriverlessrailtransitsystembyanalyzingthecurrentoperatingproce2duresoftheShanghaiRailTransit.

(17)ReconstructionofZhongChunRoadStationinShanghaiRailTransitLine9………………CuiYankai

ThisarticleintroducesthereconstructionproposalofZhongChunRoadStationinline9ofShanghaiRailTransitSystem,discussesonkeyissuessuchasthelineallocationstylesandthestructurerebuildingplan.(20)AnalysisofGroundDeformationbyRectangularTunnelConstruction…………………………ZhouJun

ThefiniteelementnumericalanalysisiscarriedoutbasedontheinformationobtainedfromthesiteoftheKaiMingStreet～YaoHangStreetTunnelProjectinNingbo.Itisusedtoanalyzetheextenttowhichthetun2nelconstructionaffectsthedeformationofsurroundingground.Thecomputationresultisthencomparedwiththesitedatatoobservehowactualsituationdiffersfromtheory.Suchastudyiscrucialforthedevelopmentofrectangulartunnelconstructiontechnologyinthefuture.

(23)LiningSegmentDesignProposalofWuhanYangtzeRiverShieldTunnel…………………LuZhiqiang

InviewoftheliningdesignofWuhanYangtzeRivershieldtunnel,ananalysisiscarriedoutbasedonvar2iousdesignparameters(suchassegmentalringstructure,segmentaldivision,segmentalringwidth)ofthetunnelwalllininginordertohaveareasonableconceptonthelining.(26)ProtectiveCuttingandClearConstructionofShallowSubwayTunnel……………………YuXuanping

Theremovalofdeepembeddedobstacleisofgreatdifficultyduringtunnelconstruction.Thearticleintro2ducestheworkingprincipleandapplicationofthefull2circleboringmachineaswellasprotectivemeasuresofaworkingsubwaytunnelduringthecuttingofadamagedsection.Thepracticeshowsthatthefull2circlebor2ingmachineisofhighverticaltoleranceandworkingefficiency.Andthetechniquecanbeappliedtosimilarprojects.

(30)ElementFloatandImmersionConstructionofWaterIntakeTunnelofJiaxingPowerPlant(2ndphase)　　　…………………………………………………………………………………………MaJianfengetal.

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