盾構近鄰平行隧道對地層變形的影響研究

蘇 曼

(咸陽市秦都區村鎮建設管理站，陜西咸陽 712000)

0 引言

目前，城市地鐵的盾構施工一般為雙線施工，各個施工步都將對土體產生一定的擾動，引起施工區周圍土體的應力場發生改變[1]。因此，對于平行盾構施工，需要對其埋深、間距、開挖面支護壓力以及地層損失率等因素進行分析。本論文擬以蘇州地鐵二號線在建盾構施工區間段為實際工程背景展開，通過數值模擬的方法探討盾構施工對地表沉降影響的機理，確定影響因素，保證盾構機的順利掘進和控制地表沉降，對我國城市地鐵建設具有重要的指導意義。

1 盾構施工對地表沉降的影響[3，4]

盾構推進施工引起的地表和土體沉降位移的歷時變化一般分為盾構到達前、盾構到達、盾構通過時、盾尾通過、后續沉降五個階段，如圖1所示。盾構推進方向地表沉降等高線如圖2所示。

圖1 盾構施工引起的沉降階段規律圖

圖2 盾構推進方向地表沉降等高線示意圖

1)盾構到達前的超前沉降:測點離盾構切口3 m～20 m范圍內所發生的隆沉變化。超前沉降主要是盾構掘削面引起的地下水位降低而發生的。當離盾構切口較近時，受開挖面土體的位移而發生隆沉。

2)盾構到達時的隆沉:測點離盾構切口0 m～3 m范圍內所發生的隆沉變化。不同盾構類型形成不同的隧道掘進方式，由于掘進參數(如最大千斤頂推力、盾構掘進速度等)的差別，使掌子

3)盾構通過時的沉降:在盾構切口至盾尾(即測點離切口為0 m～－1 m)范圍內，開挖面到達盾體上方時，期間發生的沉降或隆起主要是由于盾體向前移動過程中受盾體自重的影響，盾殼對其周邊地層的摩擦和剪切作用引起，主要表現為地表下沉一般發生沉降變化，主要是由盾構超挖、糾偏蛇行引起的土體擾動。

4)盾尾通過后的隆沉:盾尾離開測點0 m～5 m范圍內，由于盾構機外徑大于管片外徑，盾尾離開測點后，管片外表面與地層間的建筑空隙需要填充，以控制地表變形。

2 工程概況

蘇州軌道交通二號線蘇州火車車站至三醫院站分左右線施工，盾構左線掘進1121環;盾構右線掘進1137環。隧道埋深為10.8 m～14.4 m，左右隧道設計間距為6.5 m。本區間隧道采用一臺日本小松公司配制的TM6340PSX Φ6340土壓平衡式盾構機，盾構機本體長度7 655 mm，采用預制鋼筋混凝土管片，管片寬度為1.2 m，外徑 6.2 m，內徑 5.5 m，采取錯縫拼裝，推進速度0 cm/min～6 cm/min。

根據地勘資料，隧道施工段土體上部為③2粉質粘土層，中部為中密狀④3粉土或粉砂層，下部為軟～流塑狀④5粉質粘土層。物理力學參數見表1。

表1 土層力學參數表

TM6340PSX Φ6340土壓平衡式盾構機，盾構機本體長度7 655 mm，采用預制鋼筋混凝土管片，管片寬度為1.2 m，外徑6.2 m，內徑5.5 m，采取錯縫拼裝，推進速度0 cm/min ～6 cm/min。

為了保證隧道施工安全，控制地表沉降，從隧道埋深、隧道間距、開挖面支護壓力及地層損失率四個方面進行分析。

3 隧道埋深對地表沉降的影響

選取標準斷面進行分析，采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析[5，6]。隧道建模圖如圖3所示，平行隧道示意圖如圖4所示。

分析隧道埋深對地表沉降的影響，采用雙線隧道，間距為一倍洞徑，根據城市隧道埋深的特點，選取埋深25 m～5 m的范圍進行分析。隨著埋深的不同，地表最大沉降值如表2所示，曲線如圖5所示。

圖3 隧道建模示意圖

圖4 平行隧道示意圖

表2 不同埋深條件下地表最大沉降值

圖5 不同埋深條件下地表最大沉降值

城市隧道的埋深一般屬于淺埋的范圍，從表2和圖3可以看出，埋深越大，地表最大沉降值越大，埋深5 m時，最大沉降值為－5.56 mm，埋深25 m時，最大沉降值為 －21.61 mm。基本呈線性增長趨勢。

4 隧道間距對地表沉降的影響

分析隧道間距對地表沉降的影響，分別對單隧道、間距一倍洞徑、間距二倍洞徑、間距三倍洞徑四種情況進行分析。隨著間距的不同，地表最大沉降值如表3所示，曲線如圖6所示。

表3 不同間距條件下地表最大沉降值

從表3和圖4可以看出，單隧道開挖沉降最小，為－5.09 mm，影響范圍最小，為86 m;一倍洞徑時沉降最大，為－10.31 mm，影響范圍最大，為96 m;當洞徑擴大為三倍時，沉降值接近于單隧道開挖，為－5.13 mm，影響范圍較大，為144 m。

5 開挖面支護壓力對地表沉降的影響

TM6340PSX Φ6340為土壓平衡式盾構機，選取支護壓力0.14 MPa，0.17 MPa，0.2 MPa，0.23 MPa，0.26 MPa 五種情況進行分析(見表4)。隨著支護壓力的不同，曲線如圖7所示。

表4 不同開挖面支護壓力盾構開挖最大沉降值統計表

從圖7可以看出，當開挖面壓力為0.14 MPa時，掌子面前方15 m處地表開始出現沉降，最大地表沉降達－22 mm;在開挖面后方20 m以外，地表沉降趨于穩定。當開挖面壓力為0.2 MPa時，在掌子面前方10 m處地表開始出現沉降，正上方地表最大沉降值為－14.4 mm;在掌子面后方18 m以外，地表沉降趨于穩定，最大沉降值約為－10 mm，最大沉降值約為－19.4 mm。當開挖面壓力達到0.26 MPa時，掌子面前方6 m處地表出現隆起，前方10.8 m處地表出現最大隆起值為－1.5 mm;在掌子面后方20 m以外，地表沉降趨于穩定，最大沉降值約為－22.5 mm。分析不同支護壓力數據可以看出在開挖面支護壓力小于或大于0.2 MPa時，即對于土壓平衡盾構，當土倉壓力小于靜止或稍高于靜止土壓時，后建隧道開挖后，地表的最大沉降值均發生了增大的變化。

圖7 不同開挖面支護壓力時縱向地表沉降曲線圖

6 地層損失率對地表沉降的影響

盾構施工中，地層損失是造成地表變形的重要原因。本文中采取刀盤切削內輪廓斷面一般大于管片外輪廓斷面，這種擴大部分以及曲線段和收幅過程的擴挖部分地段為超挖。

為研究不同地層損失對地表沉降的影響，本文選取地層損失率分別為0.5%，0.7%，1.0%，1.2%四種工況進行模擬分析。不同地層損失率下地表最大沉降值如表5所示，地表沉降曲線如圖8所示。

表5 不同地層損失率下的最大地表沉降值

圖8 不同地層損失率作用下的地表沉降圖

從圖8可以看出，最大地表沉降量隨著地層損失率的增加而增加，基本呈線性增長的趨勢。

7 結語

通過對盾構開挖地層變形的機理研究，并結合蘇州地鐵二號線近鄰平行盾構隧道的數值模擬，分析埋深、間距、開挖面支護壓力及地層損失率等因素對地表變形的影響，得出了如下結論:

1)在城市淺埋隧道中，埋深越深，地表變形越大;2)平行近距隧道施工，間距越小，地表沉降值越大，間距越大，地表沉降值越小。當間距大于三倍洞徑時，最大沉降值與單隧道施工沉降值接近，但影響范圍略大;3)當開挖面壓力小于靜止或稍高于靜止土壓時，前方土體不隆起，但后期位移增長較大;當開挖面壓力大于靜止土壓時，前方土體隆起，后期位移增長較小;4)最大地表沉降量隨著地層損失率的增加而增加，基本呈線性增長的趨勢。

[1] 楊其新，王明年.地下工程施工與管理[M].成都:西南交通大學出版社，2005.

[2] 齊靜靜，徐日慶，魏 綱.盾構施工引起土體三維變形的計算方法研究[J].巖土力學，2009(8):2442-2446.

[3] 魏 綱，徐日慶.軟土隧道盾構法施工引起的縱向地面變形預測[J].巖土工程學報，2005，27(9):1077-1081.

[4] 陶龍光，劉 波，丁城剛，等.盾構過地鐵站施工對地表沉降影響的數值模擬[J].中國礦業大學學報，2003，32(3):236-240.

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