小間距TBM隧道施工力學特征及地層變形研究

張書香，劉拴錠，鄔葉飛，陳 明

(中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

小間距TBM隧道施工力學特征及地層變形研究

張書香，劉拴錠，鄔葉飛，陳 明

(中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

以小間距TBM隧道的受力變形及地層沉降為研究目標，基于重慶交通軌道環線的TBM區間隧道工程，采用現場監控量測和有限元數值分析的方法，研究了不同間距下管片的內力分布規律及地層變形規律。結果表明，小間距TBM施工下，隧道間距越小，管片受力越大；由于先行隧道提供了有效的反力支撐，右線隧道掘進產生的內力較左線隧道小。監測結果顯示，小間距TBM施工下地表沉降曲線呈單凹槽狀，研究結論可為類似工程提供借鑒。

小間距隧道施工；TBM；管片內力；數值分析

0 引 言

我國的城市化進程已經進入到城市加速發展階段，地鐵建設已成為城市交通體系不可缺少的組成部分[1]。由此出現越來越多的小間距隧道，它們的建設與發展成為了交通運輸界廣泛關注的熱點問題之一[2]。我國《鐵路隧道設計規范》[3]根據不同的圍巖地質條件、隧道斷面尺寸及施工方法設定了不同的最小凈距。對于小間距隧道，國內外開展了大量的研究：周罡對超小間距隧道施工中的地表沉降進行了研究，提出了控制地表沉降的設計和施工方法[4]；譚忠盛采用隧道現場對比試驗方法，研究了不同支護體系下小間距隧道的拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、支護結構內力規律[5]；何歷超采用現場試驗與數值模擬的方法，研究了格柵和型鋼支護結構對淺埋大跨小間距黃土隧道的影響規律[6]。由于平行隧道常錯位施工，因此需要考慮后行隧道施工對先行隧道管片造成的力學性質方面的影響，李曉霖通過對北京地鐵十號線的現場監測發現，后行盾構隧道會對先行隧道造成先擠壓、后卸載的情況[7]；鐘祖良考慮小凈距隧道左右洞先后施工的相互作用，對淺埋雙側偏壓小凈距隧道的圍巖壓力計算理論進行了研究分析[8]。

由于TBM在城市地鐵隧道中應用較少，小間距下的管片內力特性及地層變形特征也尤為復雜，因此本文以重慶軌道交通環線TBM區間隧道工程為依托，通過現場監測與數值模擬相結合的方式，討論了小間距TBM隧道的受力變形及地層沉降變化規律，以為類似工程提供參考。

1 工程概況

重慶地鐵環線一期鳳天路-重慶西站區間原始地貌為丘陵地貌，地質條件以砂巖和泥質砂巖為主。經設計勘察后綜合考慮采用2臺單護盾TBM進行掘進。隧道左右線掘進順序視工程地質情況及實際需要確定，左右線隧道間距為0.3D～1.5D不等，屬于小間距隧道。盾構刀盤直徑為6.88 m，采用高強混凝土管片錯縫拼接，管片厚35 mm，每環掘進1.5 m。區間線路基本沿城市繁華街道及主干道下通行，道路交通繁忙，單護盾TBM掘進施工時，穿越臨近建(構)筑物，需對地層變形進行嚴格控制。同時沿線穿越范圍道路下均有密集的地下管線，縱橫交錯，錯綜復雜，保護地下管線也是單護盾TBM掘進的重要部分。

2 TBM隧道掘進數值分析

2.1 數值模型

采用ANSYS有限元軟件進行數值分析，模型空間尺寸為x方向120.0 m、y方向120.0 m、z方向60.0 m，隧道開挖方向為z軸負向。模型4個側面邊界條件為法向約束，底部為全約束，上表面為自由面；周圍圍巖采用實體單元solid45，管片采用殼單元shell181。參考實際工程隧道間距，本文模擬設置0.5D和1D兩種工況進行對比分析(如圖1所示)。采用生死單元和改變材料參數實現TBM施工過程的動態模擬，土層和材料參數見表1。

圖1 雙線隧道計算模型

名稱彈性模量E/(kPa)泊松比u密度/(kg/m3)內摩擦角/(°)內聚力/(kPa)砂巖3．4e60．202500--砂質泥巖1．6e60．362570381960混凝土管片3e70．202500--

2.2 管片受力分析

本文根據實際情況，設定左線隧道先行開挖。管片采用二維梁單元模擬，全局布置土彈簧單元。不同間距下隧道掘進計算得到的管片內力如圖2和圖3所示。由圖可見，不同間距下掘進產生的應力集中區均出現在隧道側墻，0.5D隧道間距下掘進時彎矩最大達168 kPa，而1D隧道間距下掘進時彎矩最大值為154 kPa，由此推測隧道間距越小，管片受力越大。同時，由于先行隧道施工后進行了管片支護，為后行隧道有效的提供反力支持，故右線掘進產生的內力較左線隧道內力小。計算結果顯示在右線隧道通過時左線隧道會出現內力增大情況，這主要表現為后行隧道對先行隧道產生了擠壓作用。

圖2 0.5D間距下隧道掘進內力圖

圖3 1D間距下隧道掘進內力圖

2.3 地層沉降分析

通過監測網格節點的變形，繪出不同隧道間距下橫斷面地表沉降曲線，如圖4所示。由圖4可知，在小間距下TBM施工隧道軸線上方地表變形較大，兩側出現輕微隆起狀態，與較標準沉降槽曲線較為一致。同時由不同間距下的沉降曲線可知，1D隧道間距下TBM施工產生的沉降變形較0.5D間距小，這與隧道縱向沉降曲線的結論一致(見圖5)。

圖4 左線隧道橫向沉降

圖5 左線隧道縱向沉降曲線

3 監控量測

對沿線K3+515斷面(間距0.53D)和K3+596斷面(隧道間距1.12D)的地表沉降監測結果進行研究分析，監測點按設計要求沿開挖方向每5 m布測一組監測點，測點間距5～10 m，監測結果見圖6。

圖6 地表監測

由圖6可知，小間距隧道地表沉降呈單凹槽狀，K3+515斷面最大地表沉降值為5.68，K3+596斷面最大地表沉降值為7.25 mm。監測分析顯示，1D左右間距下的沉降變形較0.5D間距下的變形大，這與數值分析結果相反，這可能是由于實際工程中各土體參數變化不一，同時實際工程中外界因素較多，如車輛通行原因、注漿原因、雨水天氣等原因，這都將使沉降變形產生差異。

4 結 論

針對重慶軌道交通環線小間距TBM隧道施工，通過ANSYS有限元數值模擬雙線隧道的開挖過程，設置改變不同隧道間距，分析了不同間距下的隧道內力變形及地層變形規律，最后通過現場監控量測分析了地表變形規律得出如下結論：

(1) 小間距TBM施工下，隧道間距越小，管片受力越大；由于先行隧道提供了有效的反力支撐，右線隧道掘進產生的內力較左線隧道小。

(2) 監測結果顯示，小間距TBM施工下地表沉降曲線呈單凹槽狀，1D左右間距施工下產生的沉降變形較0.5D間距下的變形大。

[1]霍 明,趙永國,韓常領.小間距隧道的工程特點與關鍵技術創新[J].公路,2009(05):259-263.

[2]李云鵬,王芝銀,韓常領,等.不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學,2006(01):11-16，28.

[3]TB-10003-2005，鐵路隧道設計規范[S].

[4]周 罡,楊新安,孔少波,等.超小間距隧道施工中的地表沉降研究[J].遼寧工程技術大學學報,2006(05):717-719.

[5]譚忠盛,孟德鑫,石新棟,等.大跨小間距黃土隧道支護體系及施工方法研究[J].中國公路學報,2015(11):82-89，97.

[6]何歷超,王夢恕,李宇杰.淺埋大跨小間距黃土隧道支護技術研究[J].巖土力學,2013(S2):306-310.

[7]李曉霖，郭 婷，惠麗萍.小間距平行盾構隧道施工的反分析研究[J].地下間與工程學報，2014，10(3)：641-649.

[8]鐘祖良，劉新榮，劉元雪，等.淺埋雙側偏壓小凈距隧道圍巖壓力計算與監測分析[J].重慶大學學報,2013(02):63-68.(收稿日期：2016-09-27)

張書香(1987-)，男，內蒙古集寧人，助理工程師， 主要從事橋梁隧道工程方面的研究，Email：Cyrene-ZSX@163.com。