盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟_陶龙光

收稿日期: 2002 07 05 作者简介: 陶龙光( 1940-)男,北京市人,中国矿业大学教授,从事城市地下工程及岩土工程方面的研究. 第 32 卷 第 3 期　　　　　　　　　　　　　　 中国矿业大学学报　　　　　　　　　 　　Vol. 32 No . 3 2003年 5月 　　　　　　　　Journal o f China Univ er sity of M ining & T echnolo gy　　　　　　　　May 2003 文章编号: 1000-1964( 2003) 03-0236-05 盾构过地铁站施工对地表沉降 影响的数值模拟 陶龙光1, 刘　波1, 丁城刚1, 卓发成2, 赵德刚3, 李志南3 ( 1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院, 北京　100083; 2. 上海隧道局盾构公司, 上海　200032; 3. 广州市地下铁道设计研究院, 广州 广东　510010) 摘要: 采用 FLAC3D软件,以拟建的广州地铁 3# 线典型车站为例, 对盾构过站, 扩挖成站施工引 起的地表沉降规律进行了数值模拟,研究了不同工况盾构双隧道过站施工对地面带来的影响;并 在此基础上采取不同加固土体措施情况下,模拟了扩挖建站对地面变形的影响程度. 研究结果 对盾构直接过站是一种技术支持,作为盾构过站施工对地表沉降影响预测的方法,可为我国 盾构法技术的扩大应用提供部分理论依据和参考. 关键词: 地铁车站; 盾构施工; 地面变形; FLAC3D; 数值模拟 中图分类号: TQ 529　　文献标识码: A 　　盾构法在城市地下软土隧道施工中已得到大 量的应用,上海、北京、广州、深圳、南京等地在地铁 建设中都采用过盾构法施工,在地铁隧道施工中, 盾构法具有非常广阔的发展和应用前景. [ 1～4] 盾构法在应用中, 人们十分重视的一个问是 盾构施工引起的地表沉降问题.实践表明,再先进 的盾构技术也会引起不同程度的地面沉降,以至影 响到临近建(构)筑物的安全或正常使用,因此准确 预测盾构施工引起的地表沉降和影响范围是一项 十分重要的工作. 国内外预测盾构隧道施工对地表影响的研究 方法有以 Peck法为代表的经验公式、工程类比法 和数值计算等方法 [ 2, 5] . 目前,国内关于盾构施工 对地表影响的研究还限于一般地铁区间隧道施工 引起地表沉降的预测与研究,对于盾构过车站并扩 挖成站所引起的地表沉降规律和预测的研究工作 尚未见到报导. 广州地铁 3#线拟采用在盾构通过车站的基础 上扩挖成站的方案,进行典型车站的施工.采用该 方案,对地表建(构)筑物的影响作出评价和预测则 是十分必要的. 本文在广州市建委科技基金支持 下,采用 FLAC3D对上述方案引起的地表沉降进行 了数值分析. 1　工程情况简介 1. 1　典型车站的选择 广州地铁 3# 线即将建设, 在《广州市轨道交通 三号线工程总体策划纲要(讨论稿)》中建议林和西 路站、华工站、天河北站有条件可采用暗挖或盾构 过站后扩挖的施工方案. 其中林和西路车站位于天河北路与林和西路 交叉口, 街道两边有较密集的高层建筑物, 属城市 中心地段标志性建筑物,西北侧有已建成的广州国 际贸易中心大厦、中国市长大厦; 东北侧有中信广 场、东站广场、荟雅苑;南侧是天河体育中心.其中, 广州国际贸易中心大厦及中信广场的地下室部分 超出道路红线. 比较 3 个车站,林和西路站环境复杂、周围高 大建筑物较多, 车站规模较大, 地质水文条件较复 杂,但资料清楚;因此,该站更具有典型性, 故选择 林和西站进行盾构过站基础上扩挖成站施工引起 地表沉降的预测、分析. 1. 2　车站形式及规模 林和西站设计客流量 74365人/ d,车站按三级 考虑, 采用岛式站台、站台宽度大于8m , 线间距 1 3 . 2m , 站厅净高大于3m , 车站站台有效长度 140 m ,站台装修面至轨顶面净高 1. 080 m ,站台层 地坪装修面至结构中板地面净高大于 4. 300 m .车 站埋深约 20 m , 预测时, 结构形式采用三拱立柱 式,在盾构过车站基础上进行扩挖,并拟定了扩挖 施工顺序. 1. 3　地质、水文条件 林和西站土层分布及性质如表 1 表 1　林和西路土层分布及性质 Tabl e 1　Properties of soil in Linhe West Station 土层 编号 厚度/ m 密度/ ( k gõm - 3) 体积模 量/ MPa 剪切模 量/M Pa 内摩擦 角/ (°) 粘聚力/ kPa 1 1. 9 2140 4. 67 2. 15 27. 7 11. 0 4-1 2. 5 1990 2. 47 1. 63 19. 6 22. 5 5-1 9. 0 1980 3. 58 1. 65 22. 8 49. 2 7 2. 4 2000 3. 49 1. 80 28. 3 46. 2 8 8. 0 2310 4. 33 2. 60 35. 0 48. 3 9 36. 2 2410 91. 70 42. 30 45. 0 785. 0 　　砂层孔隙水及中风化岩裂隙水为主, 稳定地下水位埋深为 1. 9～5. 7 m . 2　FLAC3D软件及模型描述 2. 1　软　件 FLAC 3D (拉格朗日元法)是一种三维显函数有 限差分程序, 可对连续介质进行大变形分析,是目 前世界上最优秀的岩土力学数值计算软件之一 [ 6] , 这套软件在模拟支护体方面提供了梁、桩、锚杆、壳 体等多种结构单元,非常适合于研究隧道开挖等岩 土工程问题. 2. 2　模型描述 1) 计算域的确定 根据林和西站设计条件, 计算范围确定为: 上 至地面,下至隧道底部以下 40 m 处, 横向取洞室 中线两侧各 60 m ,因车站有效长度 140 m, 则沿隧 道轴线方向长取 200 m .开挖前后三维计算模型的 网格剖分如图 1,图 2所示. 图 1　盾构开挖隧道基础上开挖车站网格剖分 F ig. 1　FLAC mesh of expanding constr uction station based on shielding t unnels 2) 荷　载 模拟过程主要考虑永久荷载,包括建筑物结构 自重, 地层压力、水压. 图 2　开挖后的车站断面图 Fig. 2　Computer mesh o f cr oss section of station after ex cavation ( 1) 建筑物自重: 计算中简化为均布竖向荷 载,计算范围内考虑广州国际贸易中心、中信广场 和市长大厦的荷载,按建筑物基础的埋深施加.隧 道结构自重按设计尺寸及材料重度计算确定; ( 2) 地层压力: 垂直地压为上覆盖层的重度, 水平地压为垂直地压乘以侧土压系数 k0 ( k0 = 0. 65) ; ( 3) 静水压力: 采用水土耦合计算. 3) 边界条件 模型侧面和底面为位移边界,侧面限制水平移 动,底部限制垂直移动,模型上面为地表,取为自由 边界. 4) 强度准则、变形模式 采用摩尔-库仑准则, 大应变变形模式,盾构按 每天 5～10 m 的施工进度推进.因采用泥水加压 盾构, 故对工作面土体施加略高于土压力的均布压 力.考虑盾尾间隙, 并于管片安装后在隧道周边施 以注浆压力. 3　隧道盾构施工所引起地表沉降分析 3. 1　盾构推进引起的沉降沿纵向分布 如图 3所示,盾构推进时周围土体受到切口环 切入土体的作用力、泥水压力及摩擦力的作用,盾 构前方出现地表隆起,若以 0. 1 mm 做为影响范围 的起点和终点, 则盾构前方 30 m 内均为影响范 围;最大隆起量为 1. 3 mm ,在盾构后方 7 m 处开 始下沉.随着盾构的推进, 地表慢慢下沉,但施工期 间沉降量比较小. 图 3　盾构推进轴线方向地表变形 F ig . 3　Ground movement along ax ial dir ection w ith advance of shield tunneling 237第 3期 　　　　　　　　　　陶龙光等: 盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟　　　　　　　　　　　　　 3. 2　盾构推进引起的沉降沿横向分布 按下列几种方案模拟, 其模拟结果如下: 1) 方案1双盾构同时施工, 同向推进:这种情 况下引起地表沉降的横向分布如图 4. 图 4　盾构同时施工平行隧道引起地表沉降横向分布图 Fig . 4　Profile of g round sett lement induced by tw o tunnels shielding const ruction synchronously 2) 方案 2单盾构施工:施工完一条隧道后,再 施工另一条隧道时,引起地表沉降的横向分布如图 5. 图 5　隧道盾构施工后引起的地表沉降横向分布 F ig . 5　Pro file of g round settlement after shield tunneling 1. 第 1条隧道; 2. 第 2条隧道 3) 方案 3双盾构相向施工:预测中按图 6的4 种状态对盾构施工影响进行了计算,其结果与曾小 清的研究结果[ 7]基本一致. 图中^ 为盾构推进方 向, L 为两盾构间距离. 图 6　双线隧道盾构对向施工状态图 Fig. 6　State of tw o tunnels shielding constr uction w ith opposite advances 　　( 1) 状态( a)时,地表沉降规律与单盾构施工 沉降规律一致; ( 2) 状态( b)两台盾构间土体受到挤压, 施工 期间地表变形(隆起)严重; ( 3) 状态( c)两台盾构间土体受到张拉, 施工 导致地表开裂; ( 4) 状态( d)盾构施工时对地表的影响与方案 2建好一条隧道再施工另一条隧道的情况类似. 3. 3　结果分析与结论 对以上 3种盾构施工方案计算结果进行分析 可得出如下结论: 1) 方案 3中, 应尽量避免 2 台盾构处于相互 影响范围内同时工作. 2台盾构同时施工距离应大 于 40 m; 当距离小于 40 m 时,应停掉 1台盾构,只 用 1台盾构施工;超过 40 m 后,再 2台同时反向推 进.因此,双隧同时施工应避免两盾构距离过近,建 议两盾构施工距离为 50 m 左右; 2) 3种双隧施工方案引起的地表最大沉降值 为 19～21 mm 之间, 两条隧道中心线上的沉降值 不等(不对称) ; 3) 3 种方案引起的地表最大沉降略有不同, 但当隧道直径、埋深、中心距离一定时,盾构施工对 地表沉降在横向上的影响范围是基本相同的. 林和西站, 双线隧道埋深 20 m, 隧道中心距 13. 2 m ,盾构外径 6. 0 m, 以沉降值 0. 1 mm 为影 响范围的起、终点, 盾构施工对地表的影响范围为 两隧道中心线以外各 30 m ,即沉降槽宽度为80 m. 中信大厦主楼在沉降影响范围以外,裙房的一 238　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 32卷 部分在施工影响范围以内, 国际贸易中心局部在影 响范围以内. 4　扩挖成站施工引起地表沉降分析 4. 1　车站断面形式 车站断面考虑了三拱岛式车站, 三拱侧式车站 及三条平行隧道岛式车站的几种情况,以三拱岛式 车站为例,其断面如图 7. [ 8, 9] 图 7　林和西路三连拱岛式车站设计断面图 F ig . 7　Design sketch of L inhe West Island-Station wit h t hr ee-jointed-ar ch 4. 2　应力与位移分布 位移矢量如图 8,最大主应力分布如图 9,塑性 区分布如图 10所示. 图 8　位移矢量图 Fig. 8　Vecto r of displacement 图 9　最大主应力分布图 F ig. 9　Distr ibution of t he max imum pr incipal stress 图 10　塑性区分布图 Fig. 10　Distr ibution o f plastic zone 4. 3　扩挖沉降计算 根据车站断面,按拟定的扩挖步骤, 并对土体 分别采取4种不同加固措施,即: 1) 不作任何土体 加固; 2) 采取预注浆加固土体(拱顶注浆厚 2 m～ 2. 6 m ) ; 3) 采用土层锚杆加固土体(锚杆长 4 m～ 6 m ,间距 1. 0 m) ; 4)采取预注浆加土层锚杆加固 土体的情况下,开挖车站得到的地表沉降横向分布 如图 11. 图 11　4种开挖引起的地表横向沉降分布图 Fig . 11　Comparison of gr ound settlement due to four different ex cavation reinfor cement 1. 无任何加固; 2. 土层锚杆加固; 3. 预注浆加固; 4. 预注浆加土层锚杆 4. 4　主要结论 根据四种方案计算结果,可得出如下结论: 1) 由于地层损失的增加,地表沉降在盾构施 工的基础上加大,其横向影响范围也增大; 2) 工况 1的最大沉降为- 43 mm,距离车站中 心线各 60 m 为影响范围,沉降槽宽接近 120 m ,工 况 4影响范围最小, 最大沉降为- 25 mm ,沉降横 向影响范围为 96 m; 3) 预注浆和土层锚杆加固土体对控制地表沉 降均有明显作用,预注浆加固更为有效; 4) 计算结果显示, 前三种工况引起的地表沉 降最大值均超出 30 mm ,工况 4所引起的地表沉降 可以控制在 25 mm 内. 5　结　语 地铁车站施工采用盾构施工过站、扩挖成站的 方法在国内尚无先例,研究此种方法对地表沉降及 周围建筑物的影响十分必要,本文中盾构单隧道施 工引起的地表沉降模拟结果与广州地铁二号线区 间隧道盾构施工的实测值比较接近;盾构双隧道施 工引起的地表沉降规律的模拟结果与曾小清的计 算结果类似;对于盾构过站施工基础上扩挖成站引 起地表沉降规律的模拟,因无先例比较, 且广州地 铁三号线刚开始建设,此结果只是一种预测,可供 分析研究参考. 239第 3期 　　　　　　　　　　陶龙光等: 盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟　　　　　　　　　　　　　 参考文献: [ 1]　Sel By A R. Tunneling in soils-g round movements, and damage to building s in Workington, UK [ J] . Geo technical and Geological Engineering , 1999, 17 ( 3) : 351-371. [ 2]　刘建航, 侯学渊.盾构法隧道[ M ] . 北京: 中国铁道出 版社, 1991. [ 3]　侯学渊.软土新技术[ M ] .合肥: 安徽科学技 术出版社. 1999 [ 4]　陶龙光, 巴肇伦.城市地下工程[ M ] . 北京: 科学出版 社, 1996. [ 5]　Oettl G, Stark R F, Ho fstetter G . A compar ison of elastic-plastic so il models for 2D FE analyses of t unneling [ J] . Computers and Geo technics, 1998, 23 ( 1) : 19-38. [ 6]　Itasca consulting g roup. Fast Lagrang ian Analy sis of Continua in 3 D imension ( FLAC3D ) , Ver sion 2. 0, M anual, Itasca, M inneso ta, M inneapo lis. 1997. [ 7]　曾小清.地铁工程双线盾构隧道平行推进的相互作用 及施工力学的研究[ D ] .上海 :同济大学, 1998. [ 8]　中华人民共和国国家标准, 地下铁道设计规范 ( GB50157- 92) [ S] .北京: 中国出版社, 1993. [ 9]　铁道部标准, 铁路隧道设计规范( TBJ3- 85) [ S] . 北 京:中国铁道出版社, 1985. Numerical Simulation of Ground Sett lement due to Const ructing M etro-Station Based on Shield Tunneling TAO Long-guang 1 , L IU Bo 1, DING Cheng-gang 1, ZHUO Fa-cheng 2, ZHAO De-gang 3, LI Zhi-nan 3 ( 1. School of M echanics and Civ il Engineering , CUMT , Beijing 100083, China; 2. Shaihai Tunnel Bureau, Shanghai 200032, China; 3. Guangzhou M etr o Design and Resear ch Institute, Guangzhou, Guangdong 510010, China) Abstract: According to the typical metro-station of the Guangzhou metro line 3 # to be const ructed, the FLAC 3D codes was adopted and the numerical simulat ion of the ground sett lement due to expanding metro- stat ion on the basis of shield-constructed tunnels was presented. T he inf luence on ground sett lement due to the tw o-tunnel shielding const ruct ion in different const ruct methods w as also simulated. F inally , the range of the ground set tlement as a result of expanding metro-stat ion w as studied when using dif ferent reinforcement measures. This investigation is a technique support for const ructing the metro-stat ions by expanding shielding tunnels direct ly and provides a method to predict the ground movement. It w ill also undoubtedly of fer theoretical reference for promot ing the shielding const ruct ion. Key words: metro-stat ion; shielding const ruct ion; ground movement ; FLAC3D ; numerical simulat ion (责任编辑　王玉浚) 240　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 32卷