盾構機動載作用下小凈距漸變重疊隧道穩定性研究

李 棟，張鳳舞，周聲才，，周東平，郭臣業，夏彬偉

(1.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶400060;2.重慶市能源投資集團，重慶401121;3.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶400030)

在城市地鐵工程中，由于上、下行線公用站臺的原因，一般將上、下行隧道設計成水平并行隧道。但由于受城市建(構)筑物的限制和地下空間綜合利用開發的需要，在地鐵區間局部或全部采用上下重疊隧道的情況將越來越多［1-3］。近年來，國內外學者對重疊隧道的施工力學、縱向地層變化及地表沉降等方面開展了大量研究［4-7］。隨著盾構機在地鐵隧道施工中的廣泛使用，出現了“隧道先開挖，盾構機后通過”的施工形式，由于盾構機重量大、隧道間距小，在此過程中容易引起下洞結構變形過大甚至破壞，影響后期使用，但目前對此類問題研究甚少。筆者以重慶地鐵六號線花卉園—大龍山區間小凈距漸變重疊隧道工程為背景，采用數值模擬和現場監測相結合的手段，對在后通過的盾構機動荷載作用下，小凈距漸變重疊隧道的變形、結構附加內力及彎矩的演變規律進行了研究。

1 工程概況

重慶地鐵六號線花卉園—大龍山區間隧道采用上下重疊、交錯布置的形式，線間距從9.8 m漸變至完全重合(圖1)，上洞最小埋深15 m，下洞最大埋深42.5 m，采用“隧道法先開挖，盾構機后通過”施工方式。隧道上覆地層由上而下依次為：第四系全新統填土層(Qml4)、侏羅系中統沙溪廟組(J2S)沉積巖層。圍巖級別為Ⅳ級，主要以中等風化砂質泥巖或泥質砂巖夾薄層砂巖為主，圍巖整體性較好。局部地下水主要為松散孔隙水和基巖裂隙水。

圖1 隧道斷面形式Fig.1 Cross-section of tunnel

盾構機通過前，仰拱先回填至盾構機通過底面，并預埋43 kg/m的弧形底面鋼軌，鋼軌間距為2.6 m，同時預埋D108×6.5鋼套管，鋼管長度為0.5 m，縱向間距為3 m，橫向間距為3.5 m。預埋鋼軌部分與仰拱同時澆筑。盾構機依靠支撐靴提供的反作用力步進，步進速度控制在3～5 m/h，護盾沿預埋導向軌滑行，將兩側靴用膠墊包裹以減輕對二襯側墻的壓力(圖2)。

圖2 盾構機實物Fig.2 Shield machine

2 數值計算及結果分析

2.1 計算模型及材料參數

采用ANSYS軟件進行計算，模型長120 m，寬60 m，高度60 m，隧道埋深18 m，見圖3。盾構機頭長8 m，重約350 t，將其線性分布在上洞上，即在上洞的襯砌上加兩個220 kN/m沿軸向分布的線性荷載。底部加水平和豎向約束，左右兩側加水平約束。上、下洞分別采用I 16和I 18工字鋼進行臨時支護，拱墻和仰拱使用C25噴射混凝土。由于鋼架是0.8 m/榀，在計算過程中，將其折算成鋼板。材料的物理力學參數見表1。

圖3 計算模型網格劃分Fig.3 Mesh division of computation model

表1 材料參數Table 1 Material parameters

2.2 計算結果及分析

2.2.1 位移計算

下洞拱頂豎向位移如圖4。經計算，斷面1和斷面2下洞拱頂豎向位移均較小，分別為－1 mm和－0.8 mm。因此，在盾構機后通過上洞的過程中，支護結構起到了良好支撐作用，有效控制了隧道變形。

圖4 下洞拱頂豎向位移曲線Fig.4 Curve of vertical displacement of vault

2.2.2 應力計算

圖5 下洞襯砌的主應力Fig.5 Main stress of lining structure

由圖5可知，斷面1和斷面2下洞初襯主應力云圖變化基本一致，最大第一主應力均出現在仰拱及拱頂區域，分別為2.44 MPa和1.84 MPa，最大第三主應力均出現在右拱腳處，分別為－12.6 MPa和－9.48 MPa。

通過對下洞初襯的主應力場的分析，在盾構機后通過上洞過程中，下洞的仰拱及拱頂局部區域的鋼筋混凝土的應力較大，應進行加固。其余部分的主應力都較小，整個隧道結構處于穩定狀態。

2.2.3 鋼拱架內力計算

下洞鋼拱架的軸力、彎矩如圖6。

圖6 下洞鋼拱架附加縱向內力Fig.6 Additional longitudinal internal force of the steel gantry

由圖6可知，斷面1和斷面2下洞鋼拱架最大軸力分別為－1 480和－1 220 kN，最大彎矩分別為12.7和9.8 kN·m。可見，作用在鋼架上的內力小于其自身承載力，支護結構穩定。在兩洞交錯段，盾構機后通過上洞使下洞承受的豎向壓力因向兩側圍巖轉移而減小，因此下洞彎矩較小。雖然彎矩值并不大，但彎矩呈明顯偏轉，靠下洞右墻腳處顯著增大，相應的仰拱底處明顯減小。

計算發現，在盾構機后通過上洞過程中，斜槽回填部分局部混凝土區域產生了塑性區。故在回填混凝土時，應盡量回填密實，增強結構的穩定性。

3 監控量測

3.1 監測方案

目前對“隧道先開挖，盾構機后通過”的設計和施工尚無相應技術規范和標準，也沒有可以借鑒的工程經驗。因此，只有加強現場監測，才能掌握盾構機在動荷載作用下小凈距漸變重疊隧道的動態反應。

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根據地質條件、隧道埋設條件及上下洞距離的漸變規律，沿隧道縱向共布設了12個監測斷面，進行附加縱向變形和附加軸力監測分析，測點布置如圖7。

圖7 監控監測點布置圖Fig.7 Layout of monitoring measuring points

3.2 監測結果分析

3.2.1 附加縱向變形

實測下洞附加縱向變形如圖8。可以看出，盾構機后通過上洞過程中，各點附加縱向變形以盾構機支撐靴位置為中心呈前后對稱形式，整體上呈拱頂沉降及拱腰側鼓的變化趨勢。在支撐靴前方0.5 D(D為下洞直徑)到后方1 D范圍產生較大沉降，最大值為－1.93 mm，隨著盾構機步進影響的逐漸消散，各點沉降量逐漸減小，在支撐靴前方0.5～1.5 D和后方2.5～1 D范圍產生少量隆起，最大值為0.21 mm;最終，在支撐靴前方1.5 D距離后基本不受影響，在支撐靴后方2.5 D距離后產生最大值為0.5 mm永久沉降。拱腰變形最要集中在支撐靴前方1 D和后方1.5 D范圍內，最大值為0.69 mm。各特征點的附加縱向變形與上下洞的相對位置密切相關，隨著重疊隧道凈距的逐漸減小，受盾構機步進影響顯著增大，拱頂沉降值和水平收斂值均增大。

圖8 下洞附加縱向變形曲線Fig.8 Curve of longitudinal additional deformation

3.2.2 附加縱向軸力

實測下洞附加軸力變化如圖9。可以看出，盾構機后通過上洞所引起的下洞縱向附加軸力變化規律分布較為復雜，但各影響因素作用條件下的內力變化趨勢一致，隨著隧道凈距減小，下洞的附加軸力逐漸增大，并以支撐靴位置為中心對稱分布，最大附加軸力約為1 510 kN，主要影響范圍為后方1.5 D至前方1 D。

圖9 下洞附加縱向軸力Fig.9 Additional longitudinal axis force

3.2.3 盾構機步進速度影響

監測還發現，在盾構步進過程中，盾構機一旦停機，就意味著再次步進時所需的支撐靴推力要比前一次啟動時所需的推力更大，此時推進力增加的速度也明顯高于停機前的增加速度。如果停頓時間過長，在盾構機頭停留部位將對重疊隧道中間夾層及結構產生持續壓力，使其產生蠕變，導致下洞對應點附加變形和附加應力顯著增加。因此，應提前做好盾構機步進準備工作，保證盾構機勻速步進。

結合數值模擬和現場監測可得出，盾構機后通過上洞對下洞的主要影響范圍為支撐靴前方1.5 D至后方2.5 D。經對比可知，實測下洞縱向附加變形、附加應力值比數值計算大，原因是數值模擬對地層圍巖取均質各向同性體，實際工程中巖體存在軟弱結構面，屬非均質各向同性體。但就分布規律而言與數值計算結果大體一致。

4 隧道變形的應對措施

提高隧道的設計強度和剛度不失為一種應對上述縱向效應的有效措施，但從前面分析來看，盾構機后通過對隧道產生的縱向影響具有臨時性和局域性，采用此類永久性措施是不經濟。基于此，筆者對一些實用的臨時措施進行了研究，主要從減弱縱向效應影響和增強自身抵抗力(剛度和強度)考慮。

4.1 減弱縱向效應影響措施

從數值模擬和實測分析結果可以看出，盾構機機頭通過時所引起的下洞縱向效應最為顯著。因此，可以考慮將盾構機步進時不必要的部件進行臨時拆卸，等通過危險段后再進行組裝;應盡量控制盾構機勻速步進，并在導向軌上預抹黃油，減小步進時摩擦系數，從源頭上削減這種附加縱向效應。同時，可根據下洞拱頂、拱腰的縱向變化規律，進行臨時梯度壓重，以使變形光滑過度，減弱此縱向效應［8］。

4.2 增強自身抵抗力措施

隨著盾構機步進預先在下洞設置臨時鋼支撐，包括縱向和橫向支撐加強，并通過液壓千斤頂給予一定初始預應力，可有效抵消來自盾構機的附加作用力，提高隧道襯砌結構抵抗變形的能力，但對給予的預應力應與上下洞位置關系相對應，預加應力值不宜過大，預應力施加速度不宜過快。其次，對上洞仰拱進行回填壓漿可以加固隧道周邊地層，并改善結構域周邊地層的接觸狀態，保證盾構機步進時隧道穩定性。

5 結論

通過采用數值計算和現場監測相結合的研究手段，對盾構機動載作用下近距離漸變重疊隧道的變形、附加內力和彎矩的分布變化影響規律研究可得如下結論：

1)盾構機后通過隧道上洞，將引起下洞整體上呈拱頂下沉及拱腰側鼓的變化趨勢，實測最大沉降值位于支撐靴后方1～2 m處;在支撐靴前方1～1.5 D和后方1.5～2.5 D 范圍內發生少量隆起，而后逐漸趨于穩定。

2)不均勻沉降主要集中在支撐靴前方1.5 D到后方3 D范圍內，在支撐靴前方1 D到后方1.5 D的范圍內梯度最大，這也是下洞附加內力受盾構機步進影響最不利的區域。

3)盾構機后通過將引起下洞在支撐靴后方產生較大的附加力，而前方影響較小。在支撐靴附近形成突變，迅速攀升，最大附加軸力值為1 510 kN，隨后略有下降，逐漸趨于穩定。

4)盾構機步進速度不均勻或出現停機現象，將大大增大所停留位置的附加變形和附加應力值，因此應做好準備工作，保證盾構機勻速步進。

5)從減弱縱向效應影響和增強自身抵抗力方面提出了應對措施，能較好地消除盾構機通過上洞對下洞產生的不良影響。

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