桥梁与隧道工程Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉｎｇ 基孑 地铁双线盾构的 隧追开挖地表沉降舰律研究 王跃力 （河南省水利第一工程局．河南漯河４６２０００） 摘要：隧道开挖会对周围土体产生扰动，并伴随着土层变形。有时候变形过大，地表沉降引起塌方，会严重影响着施工 质量和作业人员安全。基于此，结合某市地铁二号线８标工程实例，采用数值模拟的方法对不同间距隧道开挖地表沉降规律 进行研究，能够为类似工程施工提供一定的参考和借鉴 关键词：双线；不同间距；地表沉降；规律 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—４７８６（２０１２）０１—０１０２—０３ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ Ｌａｗ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ０ｎ Ｍｅｔｒｏ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌｉｎｅ Ｓｈｉｅｌｄ ＷＡＮＧ Ｙｕｅ—ｌｉ （Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃ）ｒ １ ｓｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ，Ｌｕｏｈｅ ４６２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｏｉｌ．ｏｆｔｅｎ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｉｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉＳ ｔＯＯ ｌａｒｇｅ．ａｎｄ ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ． ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｓｏｎｎｅ１．Ｇｉｖｅｎ ｔｈｉｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｎｏ．８ ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏ Ｌｉｎｅ ２ ｉｎ ｏｎｅ ｃｉｔｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈ— ｏｄｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｉｎｇ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ ｌ ｉｎｅ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｌａｗ 法，对延长桥梁使用寿命，保证桥梁的安全运营是 很有必要的。 参考文献 ｆ１］１陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工【Ｍ］．北京： 图２ 空Ｉ司有限兀模型 人民交通出版社．１９９９． ５ 结论 ［２］钟善铜．钢管混凝土结构『Ｍ］．３版．北京：清华 大学出版社．２００３． ５．１ 钢管混凝土系杆拱桥具有材料、景观、施工 等方面的优势，但理论及试验研究仍沿用建筑结构 方面的成果，对于桥梁设计并不完全适用，如何扬 ［３］金成棣．预应力梁拱组合式桥梁——设计研究 与实践［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００１． 长补短，建立独立的钢管混凝土拱桥理论体系，是 一［４］ＣＥＣＳ ２８：９０，钢管混凝土结构设计与施工流程 ［Ｓ］． 项基础而又亟待解决的任务。 ５．２ 根据目前钢管混凝土系杆拱桥出现的情况， ［５】孙潮，陈宝春，张伟中，等．钢管混凝土系杆 拱桥空间效应分析【Ｊ】．福建工程学院学报，２００４，２ （１）：１７—２２． 拱脚、吊杆及其连接等构件对结构的耐久性、安全 性尤为重要，关系到整个结构的安全，要特别注意。 ５－３ 加强对钢管混凝土系杆拱桥施工及使用阶段 的监测及养护，探索这类桥型的常见病害及处治方 １０２ １交通标准化 收稿日期：２０１１－０９—０５ Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ桥梁与隧道工程 １ 引言 目前。为缓解城市交通环境的压力、提高市民 生活质量并促进城市经济建设发展，修建地铁已在 我国各大城市广泛开展。然而，隧道开挖必然会打 破原有土层的应力平衡，引起周围土体产生较大变 形，地表沉降较大，严重的可能引起塌方，比如杭 州地铁塌方（见图１）。这种影响在双线隧道开挖施 工中体现得尤为明显。因此，研究不同线间距隧道 开挖时地表沉降规律，具有重要的现实意义。 图２ Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ模型中的屈服面 式中，ｙ是剪涨角；ｃ ｌ。是初始粘聚力，即没有 塑性变形时的粘聚力；ｅ是子午面上的偏心率，它 控制了Ｇ在子午面上的形状与函数渐近线之间的相 识度。若ｅ＝０．０，塑性势面在子午面上将是一条倾 斜向上的直线，ＡＢＡＱＵＳ￣默认为０．１。 计算中采用“生死单元”的方法模拟材料的变 换。模型尺寸取１００ｍｘ６０ｍ，隧道埋深２７ｍ，开挖 直径Ｄ＝６．２４ｍ。所需参数如表１所示。 表１ 计算参考数据 图１ 杭州地铁地表塌陷图 材料名称 密度ｋｇ／ｍ 弹性模量／ＭＰ 泊松比 粘聚力／ｋＰａ 摩擦角 土体 注浆 ２ 工程概况 ｌ ９ｌ０ ２ ｌＯＯ ３１．８９ ３ ０．４５ ０．３ ２ 一 ３４ 一 该市地铁二号线土建８区间设计全长１ ２６８．４ｍ。 采用盾构法施工，线间距在２０．９６ｍ～５０ｍ之间。该 市属于北温带半湿润的季风性气候，同时受海洋、 大陆性气候控制。一年中降雨多集中在６～９月份， 衬砌 ２ ５００ ３４ ５００ ０．３ 一 一 ４ 计算结果（见图３一图９） 计算结果表明：从上面的地表位移变化云图和 地表沉降曲线可以看出，单线盾构开挖对地表的扰 年平均降雨量为７２０ｒｎｍ。一年平均气温为７ｏＣ～８℃， 最高气温为３８．７℃，最低气温为一３３．１ 。 ３ 计算模型及参数选取 动在地表沉降主要体现在１５ｍ左右的范围，且地表 土体本构模型选取Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ弹塑性模型。 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面公式为： Ｆ－－Ｒ ｑ－ｐｔａｎｊ—ｃ＝０ （１） 式中， 是ｑ 应力面上Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面的 倾斜角，称为材料的摩擦角；ｃ是材料的粘聚力。 Ｒ （Ｑ，Ｊ）按式（２）计算，其控制了屈服面在Ｐ 平面上的形状： 图３ 间距２０．９６ｍ计算单元网络 、／３ ｃｏｓ／ ｓｉｎＱ＋了Ｐ＋Ｃｊ ＯＳＱ＋导ｔｊ ａ （２）式中，Ｑ是极偏角，定义为ＣＯＳ（３Ｑ）＝ ；ｒ是 ｇ 第三应力偏量不变量 。 图２给出了Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面在子午面和７ｒ 平面上的形状，由图２可以比较其与Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ 屈服面、Ｔｒｅｓｃａ屈服面、Ｍｉｓｅｓ屈服面之间的差别。 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ模型中的屈服面： Ｇ：、／（ｅｃ １０ｔａｎｙ） ＋（尺 ）。－ｐｔａｎｙ （３） 图４ 间距２０．９６ｍ隧道开挖围岩变形云图 ２０１２年１月第１期ｆ １０３ 与隧道工程Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 图５ 间距３１．２０ｍ隧道开挖围岩变形云图 网６ 间距３７．４４ｍ隧道开挖围岩变形云图 ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４Ｏ ４５ ５０ ５５ ６Ｏ ６５ ７Ｏ ７５ ８０ ８５ ９０ ９５ １００ 图７ 间距２０．９６ｍ盾构开挖地表沉降曲线 ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ ５５ ６０ ６５ ７０ ７５ ８０ ８５ ９０ ９５ １００ 一盘－左线开控后 ＋双线开挖ｌＯＯｄ后 图８ 间距３１．２０ｍ盾构开挖地表沉降曲线 ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４Ｏ ４５ ５０ ５５ ６０ ６５ ７０ ７５ ８０ ８５ ９Ｏ ９５ １００ －．＿右线开挖后 ＋左线开挖后 ●一双线开挖ｌＯＯｄ后 图９ 不同水平间距盾构开挖１００ｄ后地表沉降曲线 交通标准化 单线开挖的地表沉降一般达Ｎ８ｍｍ左右 隧道在右 线开挖后在短期内进行左线开挖，两条线水平间距 离得越近，地表影响的范围重叠越严重，从图４和 图７可以看出，在水平间距为２０．９６ｍ开挖时，重叠 后的地表沉降在ｌＯＯｄ土体固结后达到１５ｒａｍ左右， 是单线隧道开挖ｌＯＯｄ后沉降的２倍左右，而随着水 平间距的扩大，这种重叠效应逐渐降低，从图５～图 ９的影响趋势可以看出，当间距为３７．４４ｍ时，基本 相互影响不大。 ５ 结论 ５．１ 盾构隧道开挖，土体应力释放，在新的应力 平衡场下土体颗粒位置发生改变，地表产生沉降。 盾构单线开挖地表沉降较大。分布在１５ｍ左右的范 围内，且因盾构对土体扰动较小，在ｌＯＯｄ后的单线 隧道沉降最大值在８ｍｍ以内。 ５．２ 盾构双线隧道，一条隧道开挖后在短期内进 行第二条隧道开挖，土体产生的扰动将会不同程度 的叠加。随着双线水平间距的减小，这种叠加更加 严重，在盾构开挖水平间距为２０．９６ｍ时．盾构引起 的地表沉降在ｌＯＯｄ后趋近于１５ｒａｍ．这是间距为 ３７．４４ｍ时的１．５倍，单线隧道的２倍。 参考文献 『１１张云，殷宗泽，徐永福．盾构法隧道引起的地 表变形分析【Ｊ】．岩石力学与工程学报，２００２，２１ （３）：３８８—３９２． 【２］李广信．高等土力学［Ｍ】．北京：清华大学 版 社．２００４． ［３］张庆贺，廖少明，胡向东，等．隧道与地下Ｔ 程灾害防护［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００９． ［４１关宝树．隧道力学概论『Ｍ】．成都：西南交通大学 出版社，１９９３． ［５１陈卫忠，伍国军，贾善坡．ＡＢＡＱＵＳ在隧道及地 下工程中的应用［Ｍ】．北京：中国水利水电出版社， ２０１０． 『６］施仲衡，等．地下铁道设计与施Ｔ．［ＭＩ．西安：陕 西科技出版社，１９７７． 作者简介：王跃力（１９６３一），男，河南汝南人，工程师，毕 业于重庆大学，从事检测相关工作。 收稿日期：２０１１－０９—１６