盾構鄰近既有隧道施工控制技術及影響分析

劉士波

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

隨著城市地鐵、地下公路和綜合管廊等基礎設施建設的高速發展，鄰近既有地下建(構)筑物的新建盾構隧道工程大量涌現[1]。盾構施工必然會引起鄰近既有建(構)筑物及其周圍地層的附加變形及應力，進而可能對鄰近結構造成安全隱患[2,3]。此外，盾構隧道由管片和接頭拼裝構成，大量接縫構造存在于隧道之中。鄰近既有建(構)筑物的附加變形可能進一步導致在建盾構隧道結構受力發生變化，并造成管片損傷和滲漏水等結構缺陷，為后期隧道運營增加困難和額外經濟損失。因此，研究盾構近接施工及其控制技術是十分必要的。

盡管盾構隧道近接施工早已屢見不鮮，但各項工程往往獨具特點，且其所處周圍環境、水文地質條件等千差萬別，故基于某一特定工程得到的研究結果很難具有通用性。此外，根據鄰近既有建(構)筑物類型的差異，盾構隧道施工的控制要求和安全指標也各有不同。其中，既有地下管網、隧道和基坑工程是盾構近接施工中最為常見的建(構)筑物[4-7]。考慮到既有隧道通常擔負交通運輸或綜合管廊等重要功能，一旦發生安全事故將面臨難以估量的損失[8]，因此盾構隧道鄰近既有隧道施工安全控制和影響研究尤其受到重視。

根據新建及既有結構的位置關系，盾構近接隧道施工一般可分為下穿、側穿、并行和交疊等不同情況[9-11]。近年來，有關學者針對盾構鄰近既有隧道施工影響和控制技術等開展了大量研究，采用了模型試驗、理論解析、現場監測和數值計算等多種不同方法[12-15]。通常情況下，利用模型試驗能夠獲得比較直觀、便于觀測的結構變形模式和規律性分布特征，但其結果的可靠性易受到試驗人員操作水平和試驗器械的影響[16]。理論分析法一般將隧道簡化為梁結構或基于二維模型開展推導[17]，可為工程人員提供參數明了的解析公式并針對工程問題可能造成的影響進行初步判斷，但難以有效應對實際工程存在的復雜狀況，適用范圍存在明顯局限。相對地，根據先進監測傳感器獲得的現場數據往往最具指導意義，能夠以此為基礎對施工方法或控制技術進行實時調整，是目前盾構近接施工中必需的安全保障[18]。另一方面，借助不同建模軟件可構建包含隧道、地層和其他結構的三維精細化模型，并利用上述模型開展合理的數值分析。該方法已成為預判安全隱患和探索可靠控制技術的常用途徑[19,20]，在盾構近接隧道施工問題中得到廣泛應用。

2 工程概況

某地鐵線路車站設置停車場站一座，其出入場線采用暗挖隧道，設計為雙連拱斷面并綜合采用中洞法和臺階法進行施工，暗挖隧道總長度為325.7 m。連接車站的區間隧道采用盾構法修建，其左線隧道和右線隧道分別位于場站出入線暗挖隧道的左右兩側。盾構隧道內徑為5.5 m，外徑為6.2 m，襯砌管片環寬1.2 m，管片厚度為0.35 m。調查顯示，工程所處區域主要包括雜填土、黃土、卵石土層、強風化砂巖和中風化砂巖地層，周圍地下水含量較少。暗挖隧道和盾構隧道主要處于卵石土和強風化砂巖地層。圖1所示為盾構隧道與既有暗挖隧道的平面位置關系，工程所處地層的主要土層物理力學參數如表1所示。

3 近接施工及暗挖隧道加固控制技術

3.1 近接施工范圍

表1 土層物理力學參數

連接車站的暗挖隧道與盾構隧道出口段呈近似平行關系。其中，暗挖隧道左洞剩余50 m未開挖，中洞與右洞已貫通；盾構隧道左線已貫通，右線開挖至距離車站160 m。由于暗挖隧道右線與盾構右線在車站出口段距離較近，將兩隧道近接施工范圍劃定為盾構隧道出口段20 m。上述范圍內盾構隧道與暗挖隧道開挖輪廓線凈距為1.2 m～4.0 m。其余區間范圍兩隧道凈距為4.0 m～6.5 m。

3.2 暗挖隧道出口段襯砌加固技術

考慮到暗挖隧道出口段右洞二襯未施工完成，而盾構隧道右線即將穿越與暗挖隧道的平行段，采用以下加固技術以保證已貫通暗挖隧道初支結構安全。

1)對已貫通的暗挖隧道右洞進行套拱。套拱采用Ⅰ18工字鋼，分4節在工廠完成彎制后于洞內進行拼連。連接接頭設置10 mm厚鋼板，并采用M22螺栓進行栓接。

2)恢復暗挖隧道已貫通右洞的橫撐，并與套拱連接、固定為整體。橫撐采用Ⅰ18工字鋼，現場量測長度進行切割安裝。

3)恢復暗挖隧道已貫通中洞的中隔墻兩側橫撐，保持兩側橫撐位于同一高度。橫撐采用Ⅰ18工字鋼，現場量測長度進行切割安裝。

右洞套拱和右洞、中洞的橫撐布置間距保持一致。其中，洞口段設置為3 m段每榀間距1 m，其余段間距2 m。

4 盾構鄰近既有暗挖隧道施工影響分析

4.1 模型建立

為研究盾構鄰近既有暗挖隧道施工影響并驗證暗挖隧道初支加固技術的可靠性，利用ABAQUS建立囊括地層、新建盾構隧道右線、既有暗挖隧道和套拱及橫撐等結構的三維計算模型，并充分考慮初支配筋的存在。模型包含的盾構襯砌管片、暗挖隧道初支結構、中隔墻、配筋、套拱和橫撐等均按設計尺寸考慮。模型總尺寸為60 m×35 m×22 m，模型上部邊界為自由面，底部邊界固定豎向位移，其余邊界固定水平位移。地層—隧道整體模型與加固套拱和橫撐的細部構造分別如圖2，圖3所示。

4.2 計算參數

數值分析過程中不同地層土體均視為理想彈塑性材料，采用摩爾—庫侖本構模型，其參數根據地勘結果(如表1所示)取值。暗挖隧道初支、中隔墻和盾構隧道管片襯砌均采用線彈性材料。其中，暗挖隧道初期支護結構采用C25混凝土，中隔墻采用C45混凝土，盾構隧道采用C50混凝土。初支套拱鋼架、初支和中隔墻配筋及橫撐為Q235鋼材，采用金屬材料雙折線本構模型。上述結構與材料的具體參數如表2所示。

表2 隧道襯砌及加固結構物理力學參數

數值分析過程中，取管片幅寬作為盾構隧道每步掘進長度，即1.2 m。此外，參考盾構右線進入近接施工范圍前的既有掘進參數記錄表，取最大值13 200 kN作為數值模型中施加的掘進推力。

4.3 暗挖隧道變形分析

盾構隧道右線開挖產生的卸荷效應會改變周圍地層應力場分布情況，進而導致暗挖隧道結構產生附加變形和受力變化。盾構施工階段完成時對應的暗挖隧道橫向和豎向變形結果最大值分別如圖4,圖5所示。

可以看到，在橫向變形方面，暗挖隧道整體表現為遠離盾構隧道右線的變形趨勢。其中，暗挖隧道中上部結構變形較小，僅為0.88 mm左右，而下部結構(特別是中洞立柱底部區域)變形較大，能夠達到7.09 mm。此外，總體而言，隨著右線盾構隧道的掘進，暗挖隧道的橫向位移逐步增大，最大值出現在盾構右線隧道全部貫通后，這表明右線盾構隧道的開挖會對暗挖隧道在橫向產生一定的擠壓效應。盾構開挖通常會導致管片襯砌結構發生“橫鴨蛋”式變形，即拱頂和拱底向中心位移，而兩側拱腰遠離中心位移?？紤]到盾構右線恰好位于暗挖隧道右側中下部位置，暗挖隧道的變形結果與盾構開挖導致的常規變形規律是相符的。

由圖5可知，盾構右線開挖后，暗挖隧道整體結構在豎向呈現向上變形的趨勢。最大豎向變形出現在暗挖隧道右邊洞拱底附近區域，約為5.61 mm；最小豎向變形位于中洞左側拱腰位置，約為0.09 mm。不難發現，隨著距離盾構右線隧道的距離增加，暗挖隧道襯砌結構產生的豎向附加變形逐漸降低，所受影響不斷減小。值得注意的是，豎向變形結果在一定程度上反映了與橫向變形結果一致的規律，即盾構右線開挖導致暗挖隧道襯砌結構受到一定的擠壓效應。

4.4 暗挖隧道受力分析

全部施工結束后暗挖隧道襯砌結構最大主應力分布情況如圖6所示。由圖6可知，最大主應力約為1.77 MPa，位于中洞中隔墻與初支結合部位，未超過C45混凝土最大受拉強度允許值。上述結果表明，針對暗挖隧道右邊洞采用套拱和橫撐，并恢復中洞橫撐后，盾構右線近接施工對暗挖隧道襯砌造成的影響符合安全要求。此外，不難發現，中隔墻與初支連接位置出現了一定程度的應力集中，這可能是由于襯砌結構在幾何上的不連續性導致的，其余位置的最大主應力基本呈現為均勻分布狀態。

如圖7所示為暗挖隧道襯砌最小主應力?？梢钥吹?，最小主應力處于暗挖隧道右邊洞拱腰下側附近，其值達到6.13 MPa，該處最小主應力表現出明顯的應力集中特征，這可能是盾構右線開挖后造成的暗挖隧道襯砌結構橫向和豎向附加變形的耦合作用結果。除上述位置外，暗挖隧道襯砌結構的最小主應力普遍較小，基本未超過4.60 MPa，遠小于初支結構和中隔墻的混凝土壓應力設計值，滿足安全要求。

4.5 暗挖隧道初支鋼架受力分析

暗挖隧道初支鋼架應力分布結果最大值如圖8所示。由圖8可知，鋼架所受最大應力值出現在暗挖隧道右邊洞和中洞交界處，這一位置與中隔墻和初支的交界是基本重合的。因此，上述結果進一步驗證了暗挖隧道襯砌最大主應力計算結果的正確性。另一方面，暗挖隧道初支鋼架所受應力最大值為401.8 MPa，并未達到鋼材的屈服強度。由此可見，初支鋼架仍具備一定的承載能力，在盾構右線貫通后，暗挖隧道初支襯砌結構是出于安全狀態的。

4.6 暗挖隧道加固套拱及橫撐受力分析

暗挖隧道右邊洞加固套拱及橫撐應力分布結果如圖9所示?？梢钥吹剑坠芭c橫撐結構的最大應力僅為143.4 MPa，遠小于Q235鋼材的屈服應力。此外，除橫撐與套拱接觸部位所受應力較大，其余位置應力值實際上大多未超過100 MPa。為進一步探究套拱及橫撐的受力情況，得到其軸力結果如圖10所示。

由圖10可知，暗挖隧道右邊洞加固套拱及橫撐在不同位置的受力情況各有不同。其中，靠近車站出口段的套拱拱底位置、拱頂位置和拱腰位置受拉力較大，其最大值超過160 kN。相對地，套拱與中洞初支結構接觸位置所受壓力較大，約為266.3 kN。此外，與套拱相比，橫撐所受軸力較小，基本未超過100 kN，主要為壓力，這與前文所述暗挖隧道變形規律是一致的。

由上述結果可知，在盾構右線近接暗挖隧道施工過程中，本文提出的暗挖隧道襯砌加固技術發揮了很好的保護作用。通過比較可知，暗挖隧道右邊洞套拱起主要保護作用，橫撐作為輔助措施也承受了明顯的附加作用力。基于套拱與橫撐的加固技術能夠有效保證既有暗挖隧道襯砌結構在盾構近接施工條件下的安全。

5 結論

1)新建盾構隧道與既有暗挖隧道的空間位置關系對開挖施工引起的結構附加應力與變形具有明顯影響。本文涉及的盾構隧道位于既有暗挖隧道的右下側位置，其近接施工導致暗挖隧道受到了一定的擠壓作用，使得暗挖隧道整體表現為遠離右線盾構方向的變形。

2)暗挖隧道右邊洞采用的套拱+橫撐組合式加固結構在盾構近接施工過程中的受力情況出現顯著變化，但各部分受力特征存在差別。與橫撐相比，套拱與暗挖隧道初支接觸面積更大、分布范圍更廣，其發揮的加固效果也更好。

3)采用套拱+橫撐組合式加固結構前提下，盾構隧道近接并行既有暗挖隧道施工后，暗挖隧道初支結構僅在與中隔墻交界位置出現了一定程度的應力集中現象，且其最大值均未超過安全允許值。

總體來看，本文所提出的加固技術發揮了很好的預期效果，能夠有效保障盾構近接施工過程中暗挖隧道的結構安全，可以作為指導實際施工的依據和參考。