三洞并行盾构隧道开挖引起的地表沉降研究.pdf

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:Focusing 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 thesettlement 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 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-parallel;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(1)重复扰动区在地表的横向扰动范围计算公式如式(2)：M=W-L=2(h+R)-L(2)2.2考虑重复扰动的三洞隧道地表沉降计算公式当ML时，则需考虑地表附加沉降。董聪 5 通过对多组隧道实测数据的分析发现，重复扰动产生的附加地表沉降同样满足高斯曲线的正态分布，可以用其描述附加地表沉降的特征：S(x)=Smx72expl1(3)2i2V1ossS(4)max2/2元式中：S（x）为地表处的附加沉降量，m；Sm x 为地表最大附加沉降量，m;x为地面横向距离，m;Vloss为单位长度土体损失量，m/m；i 为附加沉降槽宽度系数，m。基于大量实测数据的拟合分析，Stallebrass和Taylor发现沉降槽宽度系数与沉降槽宽度之间存在如下线性关系：i=M/5(5)董聪 6 利用最小二乘法分析了先行隧道与后行隧道之间土体损失之间的关系，得到了良好的拟合结果，得出以下计算公式，Vloss=0.0249+0.2845Vloss(6)将式（5）、式（6)的计算结果代人式（3)和式（4)中可以求得后行隧道的附加沉降曲线S（x）。将S（x）同样进行x方向的偏移，到偏移距离为L/2，得到偏移后的附加沉降曲线S()和S2(x)：-(x*-L/2)2S(x)=Smax*exp(7)2i2S2(x)=Smx exp 二(x+L/2)2(8)2i2最后将附加沉降曲线式S（）、S（x）与各隧道的地表沉降曲线S(x）S（x）、S，（x)二次叠加后得到最终三洞并行隧道地表沉降曲线：S(x)=S(x)+S(x)+S,(x)+S(x)+S2()=S,max1(x-L,)2(+L2)2exp2i，2+Smax2exp2i2J+Smax3exp22i32(x-L/2)2(x+L/2)2Smexp+SSmaxexp1(9)2i22i23计算实例南通市轨道交通1号线盾构隧道施工情况满足“三阶段计算法”的基本假设，3 条隧道洞体直径和埋深相同。因此，根据上述的“三阶段计算法”对其地表沉降进行预测。该隧道工程为三线隧道，两相邻隧道的中心轴线间距L为11m，净间距为4.8 m，隧道直径6.2 m,埋深为9.9 m。a)第一阶段设计算单洞隧道开挖引起的地表沉降曲线。通过对3 40 监测断面反分析得到沉降槽宽度系数i=5.6m，最大沉降量为-6.0 0 2 mm，土体损失量Vlss为0.8 42 m/m，得到单洞隧道开挖的Peck沉降曲线为：S,(a)=-6.00168 exp-(=11.47039)(10)25.761822b)第二阶段根据式（1）和式（2）计算得到三洞隧道引起的地表卸荷扰动区范围W=48m，隧道间的重复扰动范围M为3 7 m，大于隧道间线间距L。因此，后行隧道施工需考虑重复扰动。根据式（4）、式（5)和式(6)计算得到的附加沉降槽的相关参数如表1所示。1102023年第3 期山西交通科技表1#附加沉降槽曲线相关参数参数名称数值土体损失量Vlos/(mml)0.049沉降槽宽度系数i/m7.4最大沉降量Sma/mm2.642根据地表附加沉降槽参数得到地表附加沉降槽曲线如式(11):2S(x)=-2.641:expX(11)2.8.642c)第三阶段将各隧道施工引起的沉降曲线和附加地表沉降曲线叠加，得到三洞并行盾构隧道的地表最终沉降曲线。将附加地表沉降进行x方向的偏移，偏移距离为LI2，偏移后的附加沉降曲线分别为：(x+5.5)2S)(x)=-2.642 exp(12)2 8.642(x-5.5)2S)(x)=-2.642 exp(13)2 8.642将偏移后的S(x）与上述附加沉降曲线叠加可得最终地表沉降曲线：S(x)=S(x)+S,(x)+S,(x)+Si(x)+S(x)=(x-11)2-6.00168expl-6.00168.25.7618222(x+11)2exp)-6.00168exp25.76182222.57618222(x-5.5)2(x+5.5)22.642:expF-2.642exp1(14)28.64228.642将上述公式绘制成沉降曲线图如图5 所示，“三阶段分析法计算得到的最大沉降量为-11.6 6 mm，现场实测的最大沉降量为-11.6 3 mm，误差仅0.2 6%，说明该计算方法能较好地计算地表沉降。通过将计算结果与现场实测数据、数值模拟结果进行比较验证该计算方法的合理性。0.0-2.0-4.0双洞叠加沉降曲线-6.0三洞叠加沉降曲线S,(a)-Ss,()-8.0S,(x)-S,(x)-10.0S,(x)-12.0-8D-6D-4D-2D OD 2D 4D6D8D距离轴线中心距离/m图5“三阶段分析法”计算得到的地表沉降曲线4数值模拟验证该节采用FLAC3D有限差分软件对南通市轨道交通1号线孩-环区间盾构隧道进行建模。由于仅考虑影响因素对地表沉降的影响，为减小边界效应与模型尺寸效应对数值模拟造成的影响，取y=24m处地表沉降值作为分析对象将数值模拟得到的不同净距比下的沉降值与“三阶段分析法”计算得到的沉降值进行比较，如表2 所示，绘制后的对比图如图6 所示。表2数值模拟值与本文公式计算值结果比较单位：mm数值模拟“三阶段分析法 计算隧道净距比得到的沉降值得到的沉降值0.4-14.4950.6-13.342-13.0930.8-13.075-11.8091.0-12.404-10.8611.2-11.160-10.1071.4-10.189-9.591.6-9.924-9.180.0r一计算公式预测沉降值/-4.0数值模拟沉降值-8.0-12.0-16.0-20.00.4 0.6 0.81.0 1.21.41.61.8隧道净距比图6数值模拟值与“三阶段分析法”计算值结果比较由图6 和表2 可知，整体来看，数值模拟得到的沉降值和本文公式计算得到的沉降值趋势一致，数值相近,两者误差约为1mm。由于“三阶段分析法”考虑的隧道上部为均一地层，而数值模拟中采用的是复合地层，因此数值模拟得到的沉降值略大于“三阶段分析法”的预测值。5结论本文以南通轨道交通1号线孩-环区间盾构隧道建设工程为依托工程，采用理论分析和数值模拟手段，对三洞并行盾构隧道地表沉降规律展开研究，得到以下结论：a)通过Peck公式法反分析得到单洞隧道地表沉降曲线，将进行单洞沉降曲线的偏移及附加沉降曲线的重复叠加，提出计算三洞并行隧道开挖地表沉降曲线的“三阶段分析法”。b)利用FLAC3D软件建立了三洞并行盾构隧道开挖模型，数值模拟得到的最大沉降值为-11.8 mm，“三阶段分析法”公式预测的最大沉降值为-11.6 6 mm，与实测拟合数据拟合得到最大沉降值-11.6 3 mm相比误差分别为1.46%和0.2 5%。c)比较“三阶段分析法得到的沉降预测曲线和数值模拟的沉降计算曲线可知，本文提出的“三阶段分析法”和采取的数值模拟方法均能较好地反应隧道的真实施工情况。（参考文献下转第12 7 页）上接第110 页127原晋喜结构设计优化研究用标2023年第3期全，又不过于保守，造成工程浪费。2.2车辆风荷载修正在式（6)中风荷载的风压标准值P二pCV,其中p是空气密度，风速V的取值应当采用工程所在地开阔平坦区域离地面10 m高处统计所得的50 年一遇10 min平均最大风速 4,计算时V取值不应小于2 0 m/s。若无工程所在地风速记录时，可查阅全国基本风压分布图的基本风压值来代替。在实际中，交通标志结构除受自然风荷载外，还受到由车辆（特别是大型车辆）快速行驶而引起的瞬时风荷载，根据相关研究当车速达到8 0 km/h时形成的风速即可达到2 0 m/s以上，超过风荷载计算所需最低风速，此时对于高度较高，刚度相对较低的标志有必要通过引人风振系数的方法来将车辆引起的风荷载的影响加人到风荷载计算中。另外，进行标志结构风荷载计算时，也可以先对自然风载和根据设计车速计算所得的车辆风荷载进行比较，再选用风速较大值。2.3雪荷载修正在标志结构设计与验算中一般只考虑结构自重和风荷载，结构自重一般按照式(7)计算：G=YYc(2G+2G+C,(7)式中：c为永久荷载（结构自重)的分项系数，一般情况下，采用1.2；Gh为第i块标志板的重量；G为第i根横梁的重量；G，为标志立柱的重量；m为标志板数量；n为横梁数量。在北方地区，特别是对于悬臂式、门架式标志，雪荷载是一项不可忽视的可变荷载。雪荷载是指由于自然降雪或风吹雪作用在结构物顶面，进而形成的雪压，属于一种自然气象荷载，其大小主要由降雪量以及积雪面积决定。雪压标准值的计算式为Sk=So，其中u,为积雪分布系数，就是地面基本雪压换算为结构物顶面雪荷载的换算系数，其取值与结构物顶面坡度、朝参考文献：1方从启，孙钧.软土地层中隧道开挖引起的地面沉降 .江苏理工大学学报（自然科学版），19 9 9（2）：7-10.2 易宏伟，孙钧.盾构施工对软黏土的扰动机理分析 J.同济大学学报（自然科学版），2 0 0 0（3）：2 7 7-2 8 1.3 施建勇，张静，余才高，等.隧道施工引起土体变形的半解析分向及风力等有关。S。为基本雪压，kN/m，基本雪压一般是按工程所在地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，按照50 年一遇的频率，通过概率统计确定的最大值。如无工程所在地相关统计资料也可按全国基本雪压分布图中相关数值计算一般情况下，交通标志的积雪面积应为悬臂横梁、门架架的投影面积，但通常为了保证交通标志的可视性，在标志板面安装时都会有一定的竖向倾角，加之有一些小型构件的存在，使得积雪面积有所扩大，因此在计算雪荷载引起的重力时可引人大于1的雪荷载分项系数。综上，式(7)可以修正为式（8),式中A.为标志构件竖向投影面积，即积雪面积G=0c(Gu+Cu+C.)+y(skSkA.(8)3结语交通标志结构形式多样、受力复杂，功能、设置方式各不相同，在交通标志的结构设计中应充分考虑各项因素。本文提出了应在结构设计中区别不同标志的结构重要性系数，考虑车辆风荷载、雪荷载等优化设计建议，这些建议对优化标志结构设计提供了有益的参考。考虑不同公路等级、标志支撑结构形式、设置位置、标志功能重要度的标志结构的重要性系数应如何确定；车辆风荷载、标志板面到车辆的距离与标志所受到的风压之间的函数关系如何；雪荷载分项系数的确定等还需要继续观察研究。参考文献：1 王建军，钟厚冰，赵晓峰，等.道路交通标志设计理论与方法 M北京：科学出版社，2 0 0 8.2罗亮.东南沿海省份高速公路交通标志结构设计分析 JI.福建交通科技，2 0 2 2（1）：8 8-9 2.3孟祥海，李红萍.交通工程设施设计 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 8.4杨雪.交通标志结构设计优化研究 J.交通与运输（学术版），2015(1):197-200.析 J.河海大学学报（自然科学版），2 0 0 2（6）：48-51.4伟，杨俊峰，曹广勇，等.多排平行顶管穿越公路相互扰动影响研究 CJ/2021年工业建筑学术交流会（上册）.北京：2 0 2 1：265-269,5董聪.多排平行顶管地表沉降计算方法研究 D.合肥：安徽建筑大学，2 0 2 1.