双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究_魏纲

第9期
魏
纲等：双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究
2563
析解对土体变形的研究较少，且对于土体三维深层 沉降及水平位移的研究仍没有进展。由于实际施工 过程中产生的是三维土体变形，且影响变形的因素 较多，如两条隧道前后开挖距离、隧道轴线埋深、 两条隧道的水平间距等， 因此， 需进行深入的研究。 本文基于文献[10]提出的双线水平平行盾构施 工引起的土体变形二维解析解，推导出土体变形三 维解析解。通过算例分析，将计算值与实测值进行 比较，研究了不同影响因素对土体变形的影响。
第 35 卷第 9 期 2014 年 9 月
文章编号：1000－7598 (2014) 09－2562－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No.9 Sep. 2014
双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究
魏 纲，庞思远
（浙江大学城市学院 土木工程系，杭州 310015）
1
引
言
大沉降量和沉降槽宽度明显比单线盾构大。 目前，国内外对于双线平行盾构施工引起土体 变形的研究越来越多，按研究方法可以分为：①基 于 Peck 公式的经验方法[1－4]；②随机介质理论[5]； ③边界单元法[6]；④有限单元法 [7－ 8]；⑤模型试验 法 [9]；⑥解析解 [10] 。按研究内容可以分为一维地 面沉降 [1 －3, 5, 7－9]和二维土体变形[4, 6, 10]， 其中采用解
( y L / 2 b)2 ln l z 2 (ln l ln l ) exp (h R)2 (h d l )2
Abstract: Based on the two-dimension calculation approaches of soil deformation caused by ground loss in double-line parallel shield tunnel (DLPST) construction, the three-dimensional calculation approaches of soil deformation caused by DLPST are established. Altering equations of ground loss rate are established by choosing different longitudinal locations as variables. With consideration of the impact of the first shield construction on the second one’s, the total soil deformation induced by DLPST is obtained by calculating soil settlement caused by both the first and the second shield tunnel construction. The proposed method is able to calculate the deep soil settlement and horizontal soil displacement, which can reflex the three-dimension soil deformation relatively precisely. The result indicates that the calculated value by the proposed method almost coincides with measured value. As the distance to excavation face x increases, the soil settlement volume tends to increase, and remains stable when x=-40 m approximately in the end. The maximum of total settlement volume increases as the excavation distance between the first and the second shield shortens. With the depth of z increasing, the soil settlement increases slightly, but the settlement slot width slightly reduces. The maximum settlement tends to decrease along with two article tunnel axis level distance L increasing, and the settlement curve shape will slowly change from V-shape into W-shape which is not conform to the normal distribution. Key words: double-line parallel shield tunnel; soil deformation; ground loss; three-dimensional calculation approaches
摘
要：基于双线水平平行盾构施工中土体损失引起的土体变形二维解析解，建立土体变形三维解析解。取不同的纵向位置
作为变量，建立土体损失率沿纵向的变化方程；考虑先行隧道施工对后行隧道的影响，分别计算两条盾构隧道施工引起的土 体变形，叠加得到双线平行盾构施工引起的土体总变形。其方法能够计算土体深层沉降和水平位移，较精确地反映土体三维 变形。算例分析结果表明：预测值与实测值较为吻合；土体沉降随着离开挖面距离的增加而不断增大，最终在 x = -40 m 左 右时趋于稳定；随着先行隧道与后行隧道开挖距离的接近，最大土体总沉降量逐渐增大；土体沉降会随着深度 z 的增大而略 微增加，但沉降槽宽度将略微减小；随着两条隧道轴线水平距离 L 的增大，最大土体沉降逐渐减小，沉降曲线形状慢慢由 V 型转变成 W 型，不再符合正态分布规律。 关 键 词：双线平行盾构隧道；土体变形；土体损失；三维解析解 文献标识码：A 中图分类号：TU 432
dr
1 1 2 2 ( y L / 2 b ) ( h z ) ( y L / 2 b ) 2 (h z ) 2 4 Rg l g l 2 4 z (h z ) Bl [( y L / 2 b) 2 (h z )2 ]2 4 R 2
1 4 z (h z ) 2 2 2 2 2 ( y L / 2) (h z ) [( y L / 2) (h z ) ]
( y L / 2)2 ln r 4 Rg r g r 2 B exp r 4R2 (h R)2
z 2 (ln r ln r ) R 2 ( y L / 2 b) h 2 h dl (h d r )2
Study of three-dimensional soil deformation caused by double-line parallel shield tunnel construction
WEI Gang, PANG Si-yuan
(Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China)
2 y L / 2 b） （ ln l z 2 (ln l ln l ) exp （1） 2 (h R) (h dl )2
式中：R 为隧道半径； Br 为先行隧道的计算参数； Bl 为后行隧道的计算参数，计算参数取值具体可以 参考文献[13－14]； b 为后行隧道开挖引起的最大沉 降值偏离后行隧道轴线的距离值，以远离中轴线为 正； r、 r 分别为先行隧道计算参数； l、 l 为后 行隧道计算参数。 双线平行盾构施工引起土体总的水平位移为 U y ( y, z ) U r ( y, z ) U l ( y, z ) R 2 ( y L / 2) h 2 h dr 1 2 ( y L / 2) (h z )2
地面 y L L/2 gl dl L/2 gr h
(ห้องสมุดไป่ตู้y L/2) 2 ln r z 2 (ln r ln r ) R 2 exp (h R)2 (h d r ) 2 2
hz hz 2 2 2 ( （ (h z )2 y L / 2 b ) ( h z ) y L / 2 b） 2 （ 2z [ y L / 2 b） (h z )2 ] 4 Rg l g l 2 Bl 2 （ (h z )2 ]2 4 R 2 [ y L / 2 b）
后进行叠加，得到双线平行盾构施工引起的总的土 体变形，推导得到双线平行盾构施工引起总的土体 竖向位移公式为
U z ( y, z ) U r ( y, z ) U l ( y, z ) R2 hz hz 2 2 2 2 （y L/2） (h z ) （y L/2） (h z ) 2
2 2z （ [ y L/2） (h z ) 2 ] 4 Rg r g r 2 Br 2 (h z ) 2 ]2 （ [ y L/2） 4R2
2
现有研究及本文方法
文献 [11] 建立了盾构法隧道统一土体移动模
2.1 现有计算方法及不足之处 型，提出盾构隧道施工中由于土体损失，土体会朝 某焦点移动，该焦点位置与土质条件有关。 文献[12]基于该模型，推导了单线盾构隧道施 工引起的二维土体竖向位移与水平位移解析解。推 导时假定：①计算在开挖面通过一定距离后由土体 损失引起的最大土体位移值， 即取最大土体损失率； ②不考虑正面附加推力和摩擦力的影响；③ 施工阶 段土体不排水，土体泊松比 = 0.5，则地面沉降槽 体积等于土体损失体积；④土质为均匀黏性土，属 线弹性材料；⑤不考虑盾构施工工艺（如各类平衡 方式和掘进参数等）的影响。 文献[10]在文献[12]的基础上， 进一步推导了双 线水平平行盾构施工引起的土体变形二维解析解。 假定右侧隧道先开挖，计算简图见图 1。图中 y 为 离中轴线的横向水平距离；z 为离地面的垂直向距 离，由地面向下为正；h 为隧道轴线埋深；L 为两隧 道圆心间的水平距离； g r 、 g l 分别为先行、后行隧 道产生的最大等效土体损失参数； d r 、 d l 分别为先 行、后行隧道土体移动焦点到隧道中心点的距离。 分别计算先行隧道和后行隧道施工引起的土体变 形， 计算时考虑先行隧道施工对后行隧道的影响 （包 括后行隧道计算参数改变和最大值位置偏移） ，然
近年来，我国很多大城市都开始兴建地铁，大 多数采用双线水平平行盾构施工。盾构法隧道施工 必然会打破原有地层的应力平衡，可能引起周围土 体产生较大变形，严重时可能引起塌方，而这种影 响在双线水平平行盾构隧道施工中尤为明显，其最
收稿日期：2014-03-03 第一作者简介：魏纲，男， 1977 年生，博士，教授，硕士生导师， 主要从事地下隧道施工对周边环境影响及风险控制方面的研 究工作。 E-mail: weig@zucc.edu.cn