盾構隧道近接淺埋式矩形隧道合理凈距的研究

李巖松，陳壽根，周澤林

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隨著我國城市建設的不斷發展，地下建筑也在不斷發展，地鐵建設過程中不可避免的出現了小凈距重疊隧道的情況。隧道開挖使圍巖受到擾動，繼而波及附近圍巖，當隧道之間距離很接近時，附近的圍巖又會對已建成隧道造成影響，這使得土體力學行為變得極為復雜。因此，對小凈距隧道的研究變得極為重要。國內外已經對該類工程進行了相關研究，也取得了很多成果。如王明年等人［1］以紅嶺中路－老街－曬布段區間重疊隧道為背景，對34種工況進行模擬分析后，對小凈距重疊隧道重疊段近接分區進行研究，為重疊段區間隧道的設計與施工提供了理論支撐;李朋等人［2］對武漢地鐵2號線1期工程和4號線1期工程中建設的4孔交疊盾構隧道進行了三維有限元模擬，分析盾構掘進對地表沉降的影響，以及后挖隧道對先挖隧道變形與受力的影響。雖然國內外已經對小凈距隧道進行很多研究，但在對上部為淺埋式矩形閉合框架隧道，下部為雙線盾構隧道的小凈距重疊隧道工程的研究還是比較少的。因此，極有必要對在該種工程條件下引起的圍巖力學行為進行研究。

1 工程概況

深圳地鐵11號線起于福田站，終至碧頭站，線路全長51.73 km(其中地下線長34.99 km)，最高運行速度為120 km/h。深圳地鐵11號線具備快速聯系城市中心區與西部片區的功能，同時兼顧機場快線功能，串聯了福田中心區、南山、前海、機場、福永、沙井、松崗等片區。本項研究的工程背景為深圳地鐵11號線南山—前海灣區間隧道。

深圳地鐵11號線南山—前海灣區間隧道東起桂廟路路口，在桂廟路下向西穿行，經過前海路、月亮灣大道和平南鐵路后，進入前海片區，最后到達前海灣站，全長約3.627 km。隧道穿越的地層主要為礫質黏性土、全強風化花崗巖、個別地段為淤泥、砂層、填石層、孤石和基巖凸起等。區間隧道(并行盾構隧道)埋深17.6～29.3 m，線間距13.0～19.2 m，采用盾構法施工，與先期建設的桂廟路下穿隧道(在區間隧道上方，寬37.1 m，高7.1 m，明挖法施工)重疊(上下重疊隧道)約2.2 km(雙線)，區間隧道與桂廟路下穿隧道的最小凈距僅為1.0 m。

2 計算模型及參數的確定

2.1 有關假定和計算前提

(1)設各土層為各向同性材料，無節理、裂隙，且水平分布。(2)在計算中將各向不連續盾構裝配式襯砌視為連續均質圓筒，不考慮襯砌管片橫向和縱向連接。(3)通過分別改變上下重疊隧道、水平并行隧道之間凈距來模擬多種工況下(共60種工況)隧道圍巖力學行為。如圖1所示，計算時矩形閉合框架隧道埋深A始終為3 m，雙線盾構隧道與矩形閉合框架隧道凈距 B 分別取 1、2、3、4、5、6、7、8、10、12 m。雙線盾構隧道凈距 d 分別取 3.3、4.3、5.3、6.3、7.3、13.3 m(凈距為 0.5D、0.65D、0.8D、0.95D、1.1D、2D(D 為隧道外徑，D=6.7 m))。(4)為了在一定程度上反應地層注漿對盾構隧道的影響，本文設定注漿材料在計算時強度逐漸增強。并且，假定注漿層厚度為盾尾空隙，即與盾殼厚度相等，為10 cm。(5)對盾構通過時盾殼附近的圍巖參數進行一定程度的折減，用來模擬盾構推進所產生的地層損失。(6)土層、襯砌及注漿層材料均設定服從Mohr-Coulomb屈服準則。(7)在進行地應力平衡計算時將土層的抗拉強度取較大值，以保證計算收斂。而在后續計算中將抗拉強度再改回實際值。(8)矩形閉合隧道開挖計算，然后進行隧道左線開挖計算，后進行隧道右線開挖計算［3-5］。

圖1 隧道分布示意

2.2 有限元計算模型建立

鑒于工況較多且模型尺寸大，為簡化并加速計算，本次計算采用FLAC有限差分軟件，在縱向上取1 m厚度進行二維模擬計算［6-7］。模型尺寸寬150 m(矩形閉合框架單跨18 m，左右各取3倍跨長)，高80 m(模型底部距離隧道底部最小距離約為50 m，約為矩形閉合框架隧道高的5倍)。根據計算需要，計算模型如圖2所示。

圖2 隧道計算模型

2.3 計算參數

結合深圳地鐵11號線南山—前海灣區間隧道地質報告，模型計算采用的地層及材料參數見表1。

表1 地層及材料參數

3 計算結果分析

在對模擬結果進行分析總結后，提出矩形隧道的管幕作用(圖3)。上部矩形隧道由于寬度大，整體剛度大，對圍巖有一定的支擋作用，其結構類似于管幕結構［8］。在摩爾-庫倫模型中土體的剪切破壞面與最大主應力之間的夾角為(45°+φ/2)，根據摩爾－庫倫模型土體剪切破壞角，估算出上部矩形隧道管幕作用影響范圍大致為沿剪切破壞面(45°+φ/2)角度，以矩形隧道寬度為底邊的閉合等腰三角形區域。在此區域內的地下結構均受管幕效應的影響，且距離矩形隧道越近，影響越大。

圖3 管幕作用示意

3.1 地表及拱頂沉降分析

圖4為地表沉降與上下隧道凈距曲線圖，地表沉降隨上下隧道凈距的增大而增大(在凈距達到12～14 m時盾構隧道進入全風化片麻狀花崗巖地層，這與黏性土層在性質上有較大差別，所以導致沉降值突然減小)，但整個曲線呈下凸狀，說明地表沉降隨埋深增大而增大，但增大的趨勢越來越小，這種情況是多種因素作用的結果。首先，由于上部矩形隧道跨度大(單跨18 m，總寬度約37 m)且剛度大，當盾構隧道與淺埋式矩形隧道重疊修建時，上部矩形隧道管幕作用明顯，對圍巖有一定的支擋作用，從而對土層應力、地層變形、結構位移有一定的改善作用。其次由于盾構隧道埋深較淺土體應力小，所以地層沉降、拱頂沉降很小。

圖4 地表沉降與上下隧道凈距曲線

盾構隧道與矩形隧道距離較近時，管幕作用(圖4)明顯，但當盾構隧道與矩形隧道距離越來越大時，管幕作用下降。如圖5所示，凈距從1 m增加到2 m時拱頂沉降增加量最多，再加上上下隧道凈距增大，埋深增大，隧道上部土壓力增大，使得隧道拱頂沉降增大，地表沉降也隨之增大。但隨著盾構隧道埋深加深，地表沉降的增加量在減小，最終沉降趨于穩定。

圖5 拱頂沉降與上下隧道凈距曲線

從圖4和圖5還可以看到，當埋深相同時地表沉降隨盾構隧道凈距增大而減小，證明隨著平行隧道凈距的增大，土層應力狀態有明顯的改善。再加上上部矩形隧道的管幕作用，在盾構隧道埋深較淺時地表沉降只有幾毫米甚至是零沉降。

3.2 盾構隧道中央夾巖豎向應力分析

選取盾構隧道圓心連線中點處的夾巖豎向應力進行比較。如圖6所示，在上下重疊隧道凈距不變的情況下，中央夾巖豎向應力隨著兩隧道凈距的增大而減小，當上下重疊隧道凈距較大時(大于10 m)，圖6與文獻［9］中“中央夾巖核心區豎向應力與凈距的關系曲線圖”吻合的較好，即:當兩隧道凈距減小到一定范圍時，中央夾巖豎向應力迅速增大。但當上下隧道重疊凈距較小時(小于8 m)，中央夾巖應力變化不明顯，甚至可以視為線形變化或無變化。出現這種現象與上部矩形隧道的管幕作用是分不開的。

圖6 水平隧道間距與中央夾巖豎向應力曲線

3.3 塑性區分析

在有上部矩形隧道的情況下塑性區的分布也與往常的重疊隧道不同。在盾構隧道近接分區的分析中［1］橫向近接影響范圍為2.5D，豎向近接影響范圍為3.5D，根據屈服接近度(yield approach index)的概念［10］，可以知道近接并行盾構隧道圍巖力學效應優于近接重疊盾構隧道。但是在管幕作用的影響下，近接重疊隧道圍巖力學效應優于并行盾構隧道。

在上下重疊隧道凈距較小時(凈距小于0.5D)，盾構隧道上部土層較薄，拱頂土層松動使塑性區呈拉伸破壞。盾構隧道之間夾巖塑性區隨盾構隧道凈距的增大而減小，在兩隧道間凈距為13.3 m時(2D)塑性區不再連通，圍巖穩定性有很大改善。當上下重疊隧道凈距逐漸增大時，拱頂受拉區面積逐漸減小，在凈距為4 m(0.6D)時，拱頂受拉破壞塑性區消失。

在對塑性區的分析中發現:豎向塑性區在凈距0.6D時就已經消失，而橫向塑性區在凈距1.8D時才不再連通，這說明在管幕作用的影響下近接重疊隧道圍巖力學效應是優于并行盾構隧道的。

在上下重疊隧道凈距4 m、并行盾構隧道凈距13.3 m時出現了“W”狀塑性區，塑性區沿盾構隧道左線、右線分別向左上和右上延伸，這與管幕效應影響邊界大致相同。當上下重疊隧道凈距6 m、并行盾構隧道凈距13.3 m時，“W”狀塑性區已經非常明顯(圖7)。

圖7 工況B=6 m、C=20 m時的塑性區

當并行盾構隧道凈距較小時，圍巖受力復雜，中央夾巖處塑性區連通，圍巖穩定性受到影響，隨著盾構隧道凈距的增加，圍巖應力得到了很大改善，塑性區變小，且逐漸不連通。但當凈距繼續增大時，“W”狀塑性區出現，塑性區面積反而急劇增大，這對隧道穩定性很不利。

在對所有工況的塑性區進行分析后，發現隧道塑性區的分布尤其是“W”狀塑性區的出現位置與管幕效應影響區域密切相關。即:隨著上下重疊隧道凈距增大，“W”狀塑性區出現時左右隧道凈距越來越小。“W”狀塑性區總是沿著管幕效應影響區域邊界出現。雖然上下重疊隧道凈距增大時隧道間相互影響變小，并行盾構隧道拱頂土體不會產生拉伸破壞，但是塑性區卻呈由“W”或“X”狀延伸。這說明:當上下重疊隧道凈距過大或者并行盾構隧道之間凈距過大時，土體會沿管幕效應影響邊界(與水平面約呈(45°+φ/2)角度)發生剪切破壞。

分析后還發現，3條隧道中央夾巖的圍巖穩定性必須受到重視。無論是在凈距均最小時還是在凈距均最大時，中央夾巖的塑性區面積都很大，并且只在上下隧道重疊凈距小于5 m且并行盾構隧道凈距很大(2D)時塑性區不連通，而在其他工況下塑性區始終連通，甚至在上下重疊隧道凈距12 m、并行盾構隧道凈距13.3 m時仍然連通，并且沒有改善跡象。因此，在隧道修建時有必要對三條隧道的中央夾巖進行加固，以確保隧道的安全、穩定。

4 結論

根據對深圳地鐵11號線南山—前海灣區間隧道與桂廟路下穿矩形閉合隧道的數值模擬分析研究，得出以下結論。

(1)通過對矩形閉合隧道、盾構隧道相互近接作用的分析，提出大跨度矩形閉合隧道的管幕作用。其影響范圍是沿摩爾—庫倫模型剪切破壞面(45°+φ/2)角度，以矩形隧道寬為底邊的閉合等腰三角形區域。在此區域內的地下結構均受到矩形隧道管幕效應的影響，且距離矩形隧道越近影響越大。

(2)當上下隧道凈距不大于4 m(0.6D)時，雖然在管幕作用下地表沉降很小、中央核心土豎向應力平穩沒有較大變化且應力很小，但近接效應占據主要作用，3條隧道塑性區均互相連通，圍巖穩定性很差。

(3)上下重疊隧道凈距5 m(0.8D)時拱頂塑性區消失。并行盾構隧道中央夾巖豎向應力平穩、塑性區不連通。但此時若并行隧道凈距較大則會出現“W”狀塑性區。

(4)在上下重疊隧道凈距大于7 m時，并行盾構隧道中央夾巖豎向應力隨凈距大小變化明顯，“W”狀塑性區在并行盾構隧道凈距不大時就已經出現。

(5)矩形閉合框架隧道與盾構隧道中央夾巖的穩定性值得關注，塑性區面積很大，在隧道開挖之前，有必要對中央夾巖采取一定的加固措施。

(6)矩形隧道的管幕作用減少了地表沉降，明顯改善了盾構隧道之間夾巖豎向應力。在管幕作用影響區域內塑性區明顯減少，圍巖穩定性得到較大提升。但是矩形隧道管幕作用對結構不利作用也很明顯，盾構隧道在穿越管幕作用影響區邊界時會出現較大面積“W”狀塑性區，這對圍巖穩定性造成較大影響。

(7)在矩形隧道管幕作用的影響下，并行盾構隧道與矩形框架閉合隧道凈距應盡量保持在5(0.8D)～7 m(1.1D)，而并行盾構隧道之間凈距應盡量保持在7(1.1D)～12m(1.8D)。并且當上下重疊隧道凈距增大時，并行盾構隧道之間凈距應在允許的條件下盡量減小。

［1］王明年，張曉軍.盾構隧道掘進全過程三維模擬方法及重疊段近接分區研究［J］.巖土力學，2012(1):273-279.

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［6］彭文斌.FLAC 3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2011.

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