雙線盾構隧道開挖地表沉降變形規律研究

劉俊生，盧金芳，徐棟棟

(1.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019； 2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

1 引 言

近年來，我國城市地下軌道交通建設發展迅速，在諸多地下施工方法中，盾構法憑借其效率高、成本低、安全性好等優點廣泛應用于城市地下交通建設中。然而，隨著隧道修建數量的增多，分布范圍的擴大，其經常穿越復雜的地層條件，且由于地下巖土體本身構造的復雜性和不確定性，導致隧道開挖過程中經常引起對隧道洞內施工人員生命安全、機具設備安全造成危害并可能引發隧道上方地表生態環境破壞的地質災害，如隧道洞內涌、突水，涌、突泥，泥石流，塌方等[1～5]。受工期的限制，或因勘察、設計精度不足和施工質量問題帶來的隧道施工地質災害頻繁發生，不僅給工程建設造成了極大的困難，更給隧道施工人員安全問題以及地面周圍環境的安全造成了極大的威脅[6～8]。廣州地鐵瀝～大區間盾構穿越上軟下硬地層時發生約 8 m×8 m的塌方事故，造成上方河堤下陷；南寧地鐵魯班路站在進行盾構機開倉換刀時發生坍塌事故，造成一人死亡兩人失蹤；北京地鐵10號線六～蓮區間有線盾構掘進過程中，由于未根據地層情況及時調整土倉壓力和存在超挖的情況，分別于2011年6月和8月兩次發生地表塌陷事故；從2015年10月～11月期間，南京地鐵北京東路段盾構施工區間在不到一個月內發生5次地表塌陷事故，一度造成交通癱瘓，存在極大的安全風險[9]。

雙線隧道開挖時，當后施工的隧道對周圍地層擾動通過土體傳遞到先施工隧道時，會對先施工的隧道本身和周圍地層產生二次擾動，如果擾動較大，可能會造成管片受力不均產生錯位、地表土體產生二次沉降等影響。白海衛等[10]基于武漢和杭州地鐵地表變形實測數據，采用Peck公式進行擬合，并在Peck公式的基礎上對進行參數修正，得到適用于預測雙線隧道的修正公式；糜瑞杰等[11]考慮了雙線隧道斷面尺寸、相對位置等影響因素，對雙線隧道開挖引起的圍土卸載變形展開研究，結果表明雙線隧道沉降曲線特性與隧道埋深和相對位置的比值密切相關。

本文依托徐州軌道交通2號線盾構施工區間，根據現場實測數據，得到現場施工過程中地表土體的橫、縱向沉降變形時空分布規律和發展歷程以及雙線隧道施工過程中對地表沉降變形的擾動影響，并采用ABAQUS有限元軟件，建立三維盾構隧道開挖模型，得到雙線盾構隧道開挖引起的地表沉降變形規律和相互擾動機理。

2 工程概況

2.1 工程地質

徐州軌道交通2號線姚莊站～文博園站區間地質剖面圖見圖1所示。隧道邊墻隨隧道起伏穿過的土層依次位于：黏土5-3-4層、全風化頁巖10-7A-1層、全風化頁巖10-7B-1層、中風化灰巖10-1-3層、強風化頁巖10-7B-2層。

區間施工方法主要為盾構法，聯絡通道采用礦山法施工。區間穿越的土層主要有5-3-4黏土，隧道頂部埋深 9.8 m～15.5 m。

區間盾構隧道穿越黏土地層以硬塑黏土為主，各層土的物理力學參數如表1所示。

圖1 姚～文區間地質剖面圖 土層物理力學參數 表1

2.2 測點布置

地表沉降是施工最基本的監測項目，它最能直接反映周圍環境的變化情況。通過地表沉降及時了解隧道周圍地表變形情況，及時分析，確保隧道掘進及支護結構安全。在隧道上方地表沿隧道模擬開挖方向選取三個橫斷面，正上方選取一個縱斷面布置測點，每個橫斷面布置7個位移測點，根據現場工程實際測點布置距離，考慮模型尺寸縮比，確定模型試驗測點的布置距離為 30 cm，縱斷面沿開挖方向共布置7個測點，測點距離為 25 cm，具體測點布置位置如圖2所示。

圖2 地表測點布置圖

3 地表沉降變形規律數值分析

3.1 計算假設

由于現場工程地質條件及周邊環境比較復雜，為方便研究盾構隧道開挖土體變形的時空效應，故簡化模型，控制主要影響因素，對數值分析模型作出如下假定：

(1)模擬土層采用均質、各向同性的彈塑性土體，土體性質沿深度方向不發生變化；

(2)不考慮地下水的滲透作用；

(3)襯砌-注漿等代層-土體之間接觸光滑，三者之間的變形簡化為協調變形；

(4)盾構管片間隙假設被注漿等代層完全充填，不考慮注漿不良的情況。

3.2 模型參數

(1)定義材料本構模型

根據材料的不同力學性質響應，分別定義不同材料的本構模型，隧道混凝土襯砌和注漿等代層采用線彈性本構模型表示，周圍土層采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。

(2)定義材料物理力學參數

盾構機參數、周圍地層條件、襯砌和注漿等代層參數均根據工程實際參數選取，現場施工中，襯砌選用C50混凝土，土層具體物理力學性質參數如表1所示。

3.3 荷載和邊界條件

盾構隧道掘進過程中的荷載主要考慮：土體自重、掌子面推進力和注漿壓力。注漿壓力假定均勻環向分布，在盾構推進后立即施加注漿壓力，根據工程現場盾構推進時間和距離，待開挖完成后，取消注漿壓力，激活注漿等代層；掌子面的推進力沿深度方向線性變化，計算公式如圖3所示。

圖3 掌子面推力計算圖

圖中：P0=K0γZ，Z為上覆土深度；K0為靜止土壓力系數；P0為覆土深度Z處的土壓力；γ為土的重度；H為覆土厚度。

模型的邊界條件是指在模型的環向四周設定X和Y方向的約束，水平底面設定X、Y和Z方向的約束，限制其位移，模型上表面模擬地表，所以不施加任何約束，為自由邊界。

3.4 建立數值模型

隧道模型幾何尺寸需要考慮盾構推進時所引起的土體變形影響范圍，幾何尺寸如果過大會造成計算時間變長，效率變低，而幾何尺寸過小則會導致計算范圍小于研究范圍，影響結果分析。結合研究文獻和工程現場實際情況，盾構隧道推進對地表的影響范圍大約為隧道直徑的3倍～5倍。本節數值模型基于徐州軌道交通2號線姚莊-文博園盾構隧道施工區間，簡化計算模型，取盾構機長度 12 m，模型中將盾構機等代為殼單元，隧道埋深為 12 m，直徑 6.44 m，襯砌厚度 0.3 m。具體物理力學性能參數如表2所示：

其他材料數值參數取值 表2

計算模型尺寸為70 m×50 m×60 m(長×寬×高)，即沿隧道縱向長度為 60 m。土體共劃分網格單元 159 720個，注漿等代層、襯砌層和盾構機各劃分單元 8 640個。模型尺寸如圖4，模型網格劃分圖如圖5，模型各部件如圖6：

圖4 模型尺寸示意圖

圖5 三維模型示意圖

3.5 工況和施工過程模擬

(1)施工工況

為研究不同影響因素下，盾構隧道圍土卸載變形特性，結合工程實際，設定不同工況進行模擬，具體工況見表3所示。

數值模擬工況 表3

(2)施工過程模擬

ABAQUS中用modelchange(分為激活(active)和殺死(inactive))命令來模擬隧道土體的開挖以及襯砌等部件的激活和取消。開挖時，根據工程實際設定每個開挖步為 2 m。具體的施工過程模擬如下(以只開挖右線為例說明)：

①激活所有土體單元，暫不激活其他所有部件，施加邊界約束和荷載；

②殺死右線第一個開挖步1.2 m的土體，激活右線盾構機第一環，施加第一個開挖步掌子面推進力，激活第一環同步注漿壓力；

③依次循環，至第七步時，殺死第一環盾構機單元，激活第一環注漿等代層，殺死第一環注漿壓力；

④按順序重復b、c兩步，直至開挖完成。

4 結果分析

4.1 現場實測結果分析

盾構隧道掘進不僅會引起隧道正上方地表的沉降，還會導致軸線兩側一定范圍內的土體沉降變形，研究隧道軸線兩側土體的沉降變形規律和影響范圍，可為確定隧道安全區和盾構施工影響范圍內的風險控制提供科學的依據。本節整理了區間內左右線各3個斷面橫向地表沉降數據，分析其變形規律，為方便表示，將測點DBCR70-1～DBCR70-9(R3)和DBCL75-1～DBCL75-9(L3)所在的斷面用D1表示，測點DBCR75-1～DBCR75-9(R8)和DBCL80-DBCL80～9(L8)所在的斷面用D2表示，測點DBCR80-1～DBCR80-9(R9)和DBCL85-DBCL85～9(L9)所在的斷面用D3表示。盾構隧道掘進過程中監測斷面的沉降歷程曲線如圖7所示，左線隧道開挖后，雙線隧道地表沉降曲線如圖8所示。

圖7 R13斷面地表橫向沉降歷程曲線

從圖7中可以看出，盾構距監測斷面3個位置時的沉降曲線均大致呈對稱分布，最大沉降量均發生在隧道中心軸線處，隧道直徑兩倍范圍內的地表均發生了明顯沉降，具體分析曲線如下：

(1)盾構刀盤距斷面-20 m處時，地表發生較小沉降，中心線處發生最大沉降量 4.25 mm，約占最終沉降量的20%；

(2)當盾構穿越監測斷面，距離監測面 20 m時，地表發生明顯沉降，中心線最大沉降量為 13.4 mm，占最終沉降量的67.9%，隧道中心線 10 m范圍內產生了較大的明顯沉降， 10 m外沉降量呈較小趨勢；

(3)當盾構刀盤距斷面60 m處時，此時地表區域穩定，最大沉降量也達到極值，中心線處地表最大沉降量為 19.73 mm。

從圖8可以看出，左線隧道開挖完成后，兩隧道上面地表沉降曲線呈“W”形，右線隧道中心線上方最大沉降量由 19.73 mm增大至 20.55 mm，右線隧道沉降曲線右側受左線隧道施工影響較大，影響范圍內沉降量整體增大，表明右線施工范圍在左線隧道施工影響區域內。左線隧道的地表中心線最大沉降量為 18.89 mm。

圖8 左線開挖后D3斷面地表橫向沉降曲線

4.2 數值結果分析

(1)左右線施工間距60 m條件下隧道地表橫向沉降規律

假定工況為右線隧道先掘進60 m后，再掘進左線隧道，對兩線隧道掘進過程中的周圍土體變形進行整理分析，右線隧道掘進過程中盾構距截面不同位置時地表橫向沉降變形曲線如圖9所示，左線開挖不同距離時地表橫向沉降變形曲線如圖10所示。

圖9 盾構距截面不同位置時地表橫向沉降變形曲線

從圖9可以看到，沉降曲線沿右線隧道中心線兩側呈正態分布，隧道中心線處沉降量最大，向兩側逐漸減小。右線隧道掘進完成 20 m后，初始開挖面隧道中心線處產生最大沉降量為 6.1 mm，掘進 40 m和 60 m的最大沉降量分別為 11.1 mm和 15.4 mm。從圖9還可以看出地表隧道5倍直徑處仍產生輕微沉降，表明沉降影響范圍大于5倍隧道直徑。

圖10 左線開挖不同距離時地表橫向沉降變形曲線

從圖10可以看出，左線隧道開挖后，對右線隧道地表沉降均產生較大影響，右線地表沉降曲線可以看到，左線隧道開挖后，對右線隧道左側土體產生的影響較小，對右線隧道中心線至左線隧道中心線土體產生影響較大，右線隧道中心沉降量從 17.3 mm增加至 20.7 mm。隨著左線隧道開挖的進行，在左線隧道中軸線處逐漸產生最大沉降量，最終橫斷面沉降曲線呈現“W”分布。

(2)不同施工距離下雙線隧道地表橫向沉降變形規律

假定隧道先后開挖距離為0 m、30 m和 60 m，研究不同開挖距離對雙線隧道地表橫向沉降規律的影響，具體沉降變形規律如圖11所示。

圖11 不同開挖距離時雙線隧道地表橫向沉降變形曲線

從圖11可以看出，當兩線隧道開挖距離為 0 m(即同時開挖時)，隧道地表呈現對稱雙峰凹槽型曲線，兩隧道中間軸線為曲線對稱軸，隨著開挖距離的增加，對后開挖的左線隧道沉降量影響不大，但是對先行開挖的右線隧道影響較大，后開挖的左線隧道會繼續引起右線隧道地表土體的沉降，曲線也呈非對稱“W”分布，雙線同時施工造成的地表沉降值比左右線間隔一定距離施工要大。

4.3 地表沉降實測與數值對比分析

數值分析方法相較于室內試驗和現場原位測試能夠模擬多因素作用下的圍土卸載變形特性，能夠更好地模擬現場盾構掘進的全過程以及對周圍地層的擾動，本節對比分析了同一種地層條件下室內模型試驗、現場實測和數值分析結果中地表橫向沉降變形的規律，驗證本文數值分析和模型試驗方法的可靠性。單線隧道開挖引起地表沉降的模型試驗、現場實測和數值結果對比分析如圖12所示，雙線隧道開挖引起地表橫向沉降的現場實測和數值結果對比分析如圖13所示。

圖12 不同研究方法下單線隧道地表橫向沉降曲線

從圖12可以看出，三條地表橫向沉降變形曲線均符合Peck沉降曲線分布規律，在隧道中心線處地表最大沉降值相差約 2 mm左右，曲線兩端沉降量相差不到 1 mm。可見，雖沉降量存在一定的誤差，但本文室內模型試驗和數值分析兩種方法所計算的沉降曲線均可以還原現場沉降曲線的變形規律。

從圖13中可以看出，實測D1和D2斷面的沉降量明顯小于D3斷面和數值分析的沉降量，差值約為 4 mm左右，由于現場地層是非均質的，因此，三個監測斷面的沉降量存在差值符合現場實際情況。同時可以看到，D3斷面的沉降曲線與數值分析的結果無論在沉降量的大小還是在變形趨勢上擬合度均較高，因此，本文的數值分析方法具有可靠性。

圖13 不同研究方法下雙線隧道地表橫向沉降曲線

5 結 論

基于現場實測數據和三維數值分析，對雙線盾構隧道開挖引起的地表沉降變形規律進行研究，對比實測和數值分析的結果，得出以下結論：

(1)盾構距監測斷面-20 m、20 m和 60 m位置時的沉降曲線均大致呈對稱分布，最大沉降量均發生在隧道中心軸線處，盾構穿越監測斷面后，沉降迅速增大，距監測斷面一定距離后，地表趨于穩定，隧道直徑兩倍范圍內的地表均發生了明顯沉降。

(2)左線隧道開挖后，均導致右線隧道沉降進一步增大，總體增量在 1 mm～3 mm，左線隧道上方地表最終沉降量均小于右線，雙線地表沉降曲線呈“W”分布。

(3)雙線隧道施工受施工距離間隔影響作用明顯，后施工的隧道會引起先施工隧道地表土體產生二次沉降，沉降曲線逐漸呈“W”分布。