盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道小凈距并行施工工法優(yōu)選

宋高銳， 王渭明， 王國富， 李紹鋒， 呂顯州，王 丹

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 青島 266590； 2.中鐵十七局集團第一工程有限公司， 青島 266590； 3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 青島 266590； 4.濟南軌道交通集團建設(shè)投資有限公司， 濟南 250101)

中國作為全球地鐵建設(shè)最快的國家，有85%以上的地鐵隧道都是由盾構(gòu)機開挖的。隨著地鐵的快速建設(shè)，加之地形條件以及選線位置的影響，小凈距并行隧道因其具有占地少、不受地形條件影響以及展線、接線難度小等優(yōu)點在現(xiàn)階段地下空間的開發(fā)和利用上得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

在小凈距并行隧道的開挖過程中，后行隧道會對先行隧道位移及地層變形產(chǎn)生疊加效應(yīng)，造成先行隧道圍巖失穩(wěn)或襯砌破壞等風(fēng)險[5-6]。劉明才[7]針對大斷面小凈距隧道的圍巖荷載模式展開數(shù)值研究，指出后行洞施工對先行洞存在不利影響；陳俊武[8]對并行段和交叉段是采用盾構(gòu)隧道先行還是淺埋暗挖隧道先行的兩種不同方案進行對比分析，得出在水平平行段和上下交叉段，盾構(gòu)隧道先行均優(yōu)于淺埋暗挖隧道先行；戴俊等[9]通過分析小凈距并行公路隧道的圍巖受力，得出兩隧洞中夾巖柱是小凈距隧道開挖受力最為薄弱的部位；劉慶豐等[10]對昆明軌道交通中盾構(gòu)并行隧道對既有隧道的影響進行了研究并提出隧道間夾土層應(yīng)進行加固處理，并加強信息化施工；Ng等[11]通過室內(nèi)模型試驗對小凈距并行地鐵隧道施工的相互影響進行了分析；Mahamad等[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測手段對小凈距并行地鐵隧道的相互擾動進行了分析。

現(xiàn)有研究成果多集中在多孔小凈距并行隧道的施工順序以及加固措施等方面，鮮有對盾構(gòu)與淺埋暗挖小凈距并行隧道特別是后行暗挖隧道的開挖工法對先行盾構(gòu)隧道影響的研究。將依托濟南R3線盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道小凈距并行段，研究和探討后行暗挖隧道對先行盾構(gòu)隧道的影響，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進而選出最合適的施工工法，以期為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

濟南地鐵R3線龍洞停車場出入線由孟家莊站小里程端引出，沿龍鼎大道向南敷設(shè)，區(qū)間起始里程右TRSK0+147.349，終點里程右TRSK1+883.500，全長1 736.1 m。

龍洞莊站至孟家莊站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道掘進至出入線暗挖區(qū)間時，呈左右對稱與淺埋暗挖隧道同向小凈距并行，其平面示意圖見圖1。其中，中間暗挖隧道拱頂埋深約10.1 m，開挖跨度為11.7 m，高度為8.59 m。盾構(gòu)隧道開挖直徑為6.4 m，采取單層管片襯砌，管片厚度0.3 m，每環(huán)襯砌寬1.5 m，暗挖隧道與左、右線盾構(gòu)隧道水平凈距為3 m。

圖1 盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield and shallow buried tunnel

為確保安全，降低風(fēng)險，在礦山法隧道掘進前，先對盾構(gòu)隧道與礦山法隧道之間地層進行帷幕注漿加固，其斷面圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道橫斷面圖Fig.2 Cross-sectional view of shield and shallow buried tunnel

隧道施工現(xiàn)場如圖3所示，暗挖隧道采用交叉中隔墻(cross diaphragm，CRD)法，分為4個部分，先左上隧道開挖，右上隧道開挖，左下隧道開挖，再右下隧道開挖，初期支護厚度為35 cm，二次襯砌厚度為40 cm。為保證施工過程隧道圍巖的穩(wěn)定，需對淺埋暗挖隧道進行超前支護，采用Φ42 mm×3.5 mm 的無縫鋼管對淺埋暗挖隧道拱部進行注漿加固，超前小導(dǎo)管長3.5 m，環(huán)向間距400 mm，暗挖隧道初期支護采用格柵鋼架+鋼筋網(wǎng)+C25噴射混凝土，二次襯砌采用模筑C40、P8混凝土澆筑。

圖3 隧道施工現(xiàn)場圖Fig.3 Tunnel construction site drawing

2 計算模型的建立

假定地層為均質(zhì)層狀水平分布，建立長100 m、寬45 m、高37.7 m的有限元模型，上邊界為自由面，四周受水平約束，底面為豎向約束。隧道圍巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，以中隔墻(center diaphragm，CD) 法為例，其三維計算模型如圖4所示。

圖4 三維計算模型Fig.4 Three-dimensional computing model

并行段施工中，左、右盾構(gòu)隧道先后同向并行，后行右線盾構(gòu)隧道滯后先行左線隧道6 m，中間暗挖隧道在后行右線盾構(gòu)隧道掘進完成后開挖，其中，超前小導(dǎo)管注漿以及盾構(gòu)隧道與礦山法隧道之間的加固地層通過提高圍巖力學(xué)參數(shù)的方式進行模擬。

本區(qū)間地層自上而下依次為素填土(0.8 m)、粉質(zhì)黏土①(4.7 m)、粉質(zhì)黏土②(3.9 m)、碎石土(8.3 m)、中風(fēng)化石灰?guī)r(20 m)，地層及加固區(qū)域參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場的施工方法，模擬依照圖3(a)中左上→右上→左下→右下順序依次開挖掌子面分部，右上部掌子面落后左上部掌子面7.2 m，右下部掌子面落后左下部掌子面7.2 m，左下部掌子面落后左上部掌子面10.8 m。每次開挖進尺為 1.8 m，落后掌子面1.8 m施作350 mm厚初期支護和250 mm臨時支撐，施工模擬過程中不拆除臨時支撐結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)管片、盾殼以及暗挖隧道支護結(jié)構(gòu)均采各向同性的彈性模型，注漿層采用等代層進行模擬，其中，考慮到接頭和拼裝對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)剛度的影響，把管片的材料參數(shù)折減35%[13-14]，暗挖隧道格柵拱架通過剛度等效的原則折算到初期支護及臨時支撐中，考慮到實際施工中二次襯砌在圍巖變形穩(wěn)定后施作而且遠遠滯后于初期支護的施作時間，因此計算中不考慮二次襯砌的作用[15]。計算采用的盾構(gòu)殼體、管片等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

盾構(gòu)隧道開挖時，為模擬土壓平衡狀態(tài)，沿開挖土體方向施加面力，其大小為

P=K0γH=0.4×20×14.4=115 kPa

(1)

式(1)中：γ為土層的加權(quán)平均重，kN/m3；H為隧道中心埋深，m；K0為水平壓力系數(shù)。

盾構(gòu)往前推進會對前一階段的管片施加反向為0.1 MPa的千斤頂推力，盾構(gòu)同步注漿將會對管片外周施加指向圓心的徑向注漿壓力，大小為 0.15 MPa，盾構(gòu)隧道荷載施加示意圖如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)隧道荷載施加示意圖Fig.5 Schematic diagram of shield tunnel load application

3 施工工法影響分析

既有結(jié)構(gòu)的受力和地表沉降是衡量近接施工安全性的重要指標，且這兩項指標受到新舊工程施工的空間位置分布、時間先后乃至施工工法選擇等多種因素的共同影響[16]。因此下面將從地表沉降、管片變形及應(yīng)力兩個方面對施工方案進行優(yōu)選。

3.1 中間暗挖隧道施工方案優(yōu)選

該隧道施工段圍巖等級為Ⅴ級，巖體較破碎，且暗挖隧道為大斷面隧道，為了保證暗挖隧道的穩(wěn)定，擬選取4種不同的開挖工法，其開挖順序如圖6所示。

圖6 各開挖方案的施工工序Fig.6 Construction process of excavation scheme

3.2 地表沉降分析

隧道開挖必然會引起圍巖土體應(yīng)力重分布，并且伴隨著土體變形和破壞[17]。由圖7(a)可以看出，自掌子面開始，圍巖變形基本經(jīng)歷緩慢變形、加速變形和變形穩(wěn)定3個階段。

圖7 不同施工方法下地表沉降圖Fig.7 Surface settlement chart under different construction methods

由圖7(b)可以看出，4種開挖工法引起的地表沉降趨勢基本一致，在距離中間暗挖隧道中心線20～50 m范圍內(nèi)差異極小，在距暗挖隧道中心線0～20 m范圍內(nèi)沉降量逐漸增大，直到暗挖隧道中心線處達到沉降最大值，其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降量最小，為15.51 mm，而核心土法和CD法引起的地表沉降量基本一致，分別為25.55 mm和24.50 mm，較之于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大61%左右。同時，CRD法由于加設(shè)臨時橫撐，其地表沉降量比CD法小32.5%。

3.3 管片變形與應(yīng)力對比分析

暗挖隧道開挖對已建盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的影響，主要是由于暗挖隧道施工開挖的過程中對已建盾構(gòu)隧道造成了側(cè)向的卸荷[6]。對管片變形的研究主要考慮左、右線隧道在中間暗挖隧道開挖后的附加收斂值，分為豎向收斂值，即拱頂與拱腰的絕對變形值之和，以及橫向擴張值，即左右拱腰的絕對變形值之和。

3.3.1 管片變形對比分析

如圖8所示，為了便于分析中間暗挖隧道對兩側(cè)盾構(gòu)隧道管片的影響，分別選取左、右盾構(gòu)隧道管片上具有代表意義的四個監(jiān)測點進行分析，左、右線盾構(gòu)隧道管片的頂端、底端、左端以及右端分別命名為LS1～LS4和RS1～RS4。

圖8 左、右盾構(gòu)隧道管片監(jiān)測點Fig.8 Left and right shield tunnel segment monitoring points

隨著中間暗挖隧道的開挖完成，圍巖土體應(yīng)力釋放，左、右盾構(gòu)隧道水平方向會出現(xiàn)擴張，豎直方向會出現(xiàn)收斂。通過分析可知，在暗挖隧道采取四種不同的開挖工法下，左、右盾構(gòu)管片的變形基本一致，均呈“橫鴨蛋”的收斂變形趨勢，如圖9所示。由圖9可以看出，左線盾構(gòu)隧道管片左側(cè)的水平變形值大于其右側(cè)水平變形值，右線盾構(gòu)隧道管片右側(cè)的水平變形值大于其左側(cè)水平變形值，這說明注漿加固區(qū)對于盾構(gòu)隧道管片變形的控制是有效的，一方面可以控制暗挖隧道本身由于開挖而引起的收斂變形，另一方面是減少暗挖隧道完成后對先完成的左、右線盾構(gòu)隧道的附加變形，因此，對于小凈距隧道來說，注漿加固是非常必要的。

圖9 不同暗挖工法完成后盾構(gòu)隧道管片變形示意圖Fig.9 Deformation diagram of backing tunnel segment is completed by different underground excavation methods

為了對比4種不同開挖工法對左、右盾構(gòu)隧道管片的收斂值和擴張值的差異，對先行左線隧道管片豎向收斂值(-LS1+LS2)、橫向擴張值(-LS3+LS4)，后行右線隧道管片豎向收斂值(-RS1+RS2)、橫向擴張值(-RS3+RS4)進行計算分析，并繪制不同開挖工法下左、右盾構(gòu)隧道的變形值曲線，如圖10所示。由圖10可以比較直觀地看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法下左、右盾構(gòu)隧道的管片變形值明顯優(yōu)于其他三種工法。對于豎向收斂來說，四種工法下左、右線盾構(gòu)隧道管片豎向收斂值的大小比較與上文地表沉降規(guī)律基本吻合，對于橫向擴張來說，CD法和核心土法兩者對于隧道管片變形的影響大致相當，差距控制在0.2～0.3 mm。

圖10 不同工法下左、右盾構(gòu)管片變形值Fig.10 Deformation values of left and right shield segments under different construction methods

3.3.2 管片應(yīng)力分析

繪制左、右線隧道管片(以第1環(huán)為例)的應(yīng)力曲線圖，如圖11所示。從圖11可以看出，管片的最大壓力出現(xiàn)在隧道左右兩端附近，相應(yīng)最小壓力出現(xiàn)在隧道頂部，而隧道下部應(yīng)力稍大于上部的原因是盾構(gòu)隧道下部緊鄰中風(fēng)化石灰?guī)r，其強度較高，圍巖穩(wěn)定性較好，對管片的變形有一部分抑制作用，使管片被迫受壓。就其應(yīng)力值的對比來看，不同開挖工法對左線隧道右側(cè)和右線隧道左側(cè)影響較為明顯，而對于左線隧道左側(cè)和右線隧道右側(cè)幾乎沒有差異。對比圖11(a)中左線管片應(yīng)力值(90°左右)和圖11(b)中右線管片應(yīng)力值(270°左右)發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法對其應(yīng)力值的影響差異極小，均優(yōu)于CD法和核心土法。

應(yīng)力值為“+”表示拉應(yīng)力，為“-”表示壓應(yīng)力圖11 左、右線管片應(yīng)力曲線圖Fig.11 Stress curve of left and right line segment

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

該暗挖隧道實際施工結(jié)束后，針對地表沉降以及對左、右盾構(gòu)隧道管片的影響，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬結(jié)果得出的規(guī)律，對盾構(gòu)與淺埋暗挖小凈距并行隧道進行了施工優(yōu)化。現(xiàn)場地表沉降量監(jiān)測點布置和現(xiàn)場監(jiān)測得到的地表沉降曲線分別見圖12和圖13。

圖12 地表沉降監(jiān)測點位置Fig.12 Location of surface settlement monitoring point

圖13 地表沉降模擬值與實測值對比曲線Fig.13 Comparison curve between simulated and measured surface settlement values

經(jīng)過對比可知，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果趨于一致，在暗挖隧道中心線處形成最大沉降量，最大沉降量均在23～25 mm。由于距離暗挖隧道中心線20～50 m處地表沉降較小，因此并未進行實際監(jiān)測，而前文數(shù)值模擬的結(jié)果也證實了這一點。

由于中間暗挖隧道開挖造成盾構(gòu)隧道側(cè)向卸荷，從而導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片豎直方向產(chǎn)生收斂，水平方向產(chǎn)生擴容，僅對左線隧道豎向收斂和橫向擴容監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析。

現(xiàn)場施工中，沿左線盾構(gòu)隧道掘進方向，在每環(huán)管片拱頂、拱底以及左、右拱腰上布置監(jiān)測點。現(xiàn)將測得的拱頂和拱底豎向位移絕對值相加得到豎向收斂值；將測得的左、右拱腰水平位移絕對值相加得到橫向擴張值，變形值變化曲線見圖14。由圖14可以看出，管片變形模擬值與實測值趨于一致，無論是橫向擴張值還是豎向收斂值，在盾構(gòu)隧道的整個掘進過程中其變形值基本維持在 10 mm 左右，盾構(gòu)始發(fā)端對管片的變形值影響較大，原因可能是盾構(gòu)機初加掘進壓力，對原本穩(wěn)定的圍巖土體產(chǎn)生擾動，圍巖應(yīng)力釋放較快，造成初始端管片變形值較大。而盾構(gòu)隧道末端由于圍巖應(yīng)力還未完全釋放，管片還未完全變形，造成其管片變形稍小。

圖14 左線管片變形模擬值與實測值對比曲線Fig.14 Comparison curve between simulated value and measured value of left linear segment deformation

5 計算結(jié)果分析

(1)分析地表沉降值可知，暗挖隧道采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法變形控制最好，其地表沉降僅為 15.51 mm，CRD法為18.48 mm，與其相差3 mm左右，而CD法和核心土法分別為24.50 mm和 25.55 mm。同樣地，從盾構(gòu)隧道管片最終拱頂累積沉降量來看，CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相差不大，分別為10.96 mm和11.04 mm，小于核心土法(11.70 mm)和CD法(11.63 mm)。

(2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法和核心土法4種不同暗挖隧道施工工法所引起的盾構(gòu)隧道管片橫向擴張值是有差異的。對于左線盾構(gòu)隧道管片來說，其值分別為10.94、11.26、11.54、11.77 mm，對于右線盾構(gòu)隧道管片來說，分別為11.01、11.36、11.58、11.70 mm。從左、右兩線隧道來看，其優(yōu)越性從大到小依次為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>CD法>核心土法。由于CRD法施工時，每開挖步施工完畢后開挖面能夠封閉成環(huán)，因此，CRD法的橫向擴張值較CD法小。

(3)通過對盾構(gòu)隧道管片和圍巖最大主應(yīng)力的分析研究表明：拱腰位置處的應(yīng)力均大于拱頂和拱腳處，4種施工工法中，暗挖隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法差異較小，趨于一致，且均優(yōu)于CD法和核心土法。

6 結(jié)論

(1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法、核心土法四種施工方法引起地表圍沉降的過程基本一致，即均經(jīng)歷緩慢變形、加速變形和變形穩(wěn)定三個階段。但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法在控制地表沉降變形方面較其他兩種方法具有明顯優(yōu)勢。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降量最小，為15.51 mm，而CRD法施工引起的地表變形為16.50 mm。

(2)4種施工工法中，從施工角度來看，CRD法相較于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其施工速度更快，施工成本相對較低。重新建暗挖隧道對已建盾構(gòu)隧道的影響來看，CRD法在盾構(gòu)管片變形及應(yīng)力、圍巖最大主應(yīng)力方面優(yōu)于CD法，所以從位移及力學(xué)角度來看，CRD法具有較大優(yōu)勢。

(3)通過將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值與數(shù)值模擬值進行對比可知，二者數(shù)據(jù)基本吻合，誤差不大，所反映出來的規(guī)律基本相同，說明通過數(shù)值模擬優(yōu)選的施工方案具有很好的適用性。