疊落盾構隧道施工影響下地層及先行隧道變形分析

吳銀柱 章與非

(長春工程學院,吉林 長春130000)

21世紀是地下空間開發利用的世紀，地下鐵道、地下建（構）筑物、公路隧道等地下工程的開發建設滿足了人類生活的各種需求。隨著地下工程技術的逐漸成熟，地下空間的利用率越來越高，因此地下工程的建設將面臨地下空間狹小所帶來的挑戰，特別是城市地鐵的建設中，有關地鐵隧道的長距離完全重疊的工程也越來越常見。疊落盾構隧道的施工對土體及臨近建（構）筑物影響大，兩條隧道先后施工使得地層及結構的受力變形尤為復雜。故為保證地鐵隧道的施工安全，降低周邊環境的風險等級，研究疊落盾構隧道施工對周邊地表及先行隧道的變形影響十分必要。

近年來，國內學者針對疊落隧道施工的地層及先行隧道變形問題進行了研究并取得了成果。于立群[1]通過模糊故障樹理論，計算了疊落隧道施工時既有隧道發生事故的概率及重要程度，并對此進行分析排序；楊康[2]采用數值模擬分析的方法，研究了三個不同疊落區間上層盾構隧道施工產生的影響，認為完全疊落段隧道施工產生的影響要大于斜向疊落段隧道施工，并且疊落隧道凈距越小產生的疊加效應越大；李兆平[3]通過研究發現，在疊落隧道之間土體進行注漿加固及在下層隧道內架設型鋼支撐等措施，能夠有效降低上層隧道開挖的影響。

本文以某地鐵疊落盾構隧道工程為依托，針對本工程地質條件差、疊落隧道凈距小、隧道結構受力復雜等工程難點，利用Midas GTS NX建立三維有限元模型，進行數值模擬分析，研究疊落區間上行盾構隧道施工對周邊地層及下行已成型隧道的變形影響，以期為相關類似工程提供經驗。

1 工程概況

某地鐵出場線盾構工程，出場線右線隧道CDK0+461.379～CDK0+585.714 與地鐵正線左線隧道為長距離完全疊落區間，疊落區間長度約為140m，最小凈距為4.48 m，兩條隧道穿越土層為淤泥質土，隧道位置圖如圖1所示。盾構采用土壓平衡盾構機，外徑為6000mm，內徑為5400mm，管片襯砌厚度為300mm，環寬為1500mm。盾構施工時，先掘進下行隧道（正線左線隧道），待下行隧道成型后掘進上行隧道（出場線右線隧道）。

圖1 隧道位置圖

盾構隧道穿越主要土層為淤泥質土，因此為保證地鐵盾構隧道的施工安全、控制地層及下行隧道的變形，在盾構施工時應注意控制盾構掘進及注漿參數，及時盾尾注漿，除此之外還要在盾構施工前對疊落區間隧道土體采用三軸攪拌樁滿堂加固，加固范圍為隧道平面外3m，隧道拱腰上1m，縱向加固至隧道底穩定地層0.5 m，三軸攪拌樁直徑為850mm，咬合布置。如攪拌樁加固位置圖2所示。

圖2 攪拌樁加固位置圖

2 模型計算及參數選取

本文利用三維有限元軟件Midas GTS NX建立三維模型，進行疊落區間上行盾構隧道的施工階段模擬，分析上行隧道施工引起的地層沉降及下行隧道變形。

由于本工程對軟弱土層淤泥質土進行了加固處理，提高了土的強度，改變了原土層的力學參數，故在進行三維模型創建時需考慮加固后的土體參數。針對三軸攪拌樁加固的土體參數取值問題，筆者查閱大量文獻并結合本工程的土層特點，最終采用劉慶茶[4]在《關于水泥攪拌樁對淤泥質土體土工參數的影響》中的公式進行土體參數換算。但因現場人工、溫度及養護時間等條件的影響，無法完全達到公式換算所得到的理論數值，故此地層應符合動態化施工設計的原則，根據現場取樣隨時調整盾構施工的設計參數，以保證施工安全。因此，在建立有限元模型時，加固區域土層采用的土體參數是在公式換算的基礎上的經驗取值。結合地勘報告和工程實際情況，將本工程地層進行簡化分析，隧道施工影響范圍地層共分為5層，各土層參數取值見表1。

表1 土體物理力學參數

為控制邊界效應帶來的影響，模型尺寸為142m（X）×142m（Y）×56m（Z），共劃分194211個網格單元，106606個節點。模型土層采用修正摩爾庫倫準則為地層屈服準則，盾構機盾殼、管片及同步注漿層采用彈性模型。模擬時考慮到管片接頭所帶來的影響，將管片襯砌的剛度折減20%[5]，管片彈性模量取34.8 GPa。注漿層厚度為0.15 m，在進行三維有限元模擬時，先將注漿層物理力學參數設置為地層力學參數，隨著盾構機掘進深度增加，將注漿范圍內地層改變為注漿力學屬性。盾構機每步掘進尺寸為管片寬度（1.5 m），計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型圖

3 計算結果分析

3.1 疊落區間隧道盾構施工地層變形研究

地鐵隧道盾構施工產生的地表沉降是由于隧道土體開挖卸載導致原始地應力場發生破壞，掌子面處應力發生變化，地應力場重分布所引起的[6]。本文以模型中間斷面（Y=45m）處為研究斷面，研究下行隧道先掘進開挖，上行隧道后掘進開挖的該斷面地表沉降變化情況，并繪制地表沉降曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，后行隧道開挖與先行隧道開挖發生擾動疊加效應，地表沉降量呈疊加狀態，兩條隧道的沉降槽寬度變化值極小，沉降曲線呈拋物線形狀，最大沉降點位于隧道中心處，先行隧道最大沉降量為6.8 mm，后行隧道最大沉降量為11.9 mm。

圖4 地表沉降曲線圖

3.2 下行隧道結構變形研究

因隧道疊落區間凈距較小，上行隧道盾構掘進開挖致使周邊地層發生擾動，進而導致下行隧道管片結構受力狀態發生改變，故選取模型下行隧道管片結構進行受力分析。上行隧道疊落區間盾構施工結束時，下行隧道管片結構豎向受力變形云圖如圖5所示。

圖5 下行隧道管片豎向變形云圖

在模型中間斷面處（Y=45m），取下行隧道拱頂及拱底處兩點為監測點，研究上行隧道盾構施工過程時，下行隧道拱頂及拱底管片結構豎向位移變化，并繪制豎向位移變化曲線圖如圖6所示。

圖6 下層隧道管片豎向位移變化曲線圖

由圖5，圖6可知：

（1）上行隧道盾構掘進開挖卸載導致下行隧道最終豎向變形為正方向變形，即下行隧道發生不同程度的隆起。本工程疊落區間為完全疊落區間，故下行隧道豎向變形最大值位于兩隧道最初重疊處（Y=0m）拱頂，最大豎向變形值為3.84 mm。

（2）因盾構掘進開挖使掌子面土體發生擠壓，進而向下行隧道傳遞壓力，在盾構推進至監測點前20m～30m時，監測點處管片拱頂及拱底均發生不同程度沉降，最大沉降值發生在上行隧道盾構推進至監測點前23m處，拱頂最大沉降值為0.24 mm。

（3）上行隧道盾構施工時，下行隧道變形曲線呈“勺”型分布，管片拱頂及拱底處均經歷了沉降-隆起-穩定狀態的三階段變化。

（4）下行隧道管片拱頂處豎向位移大于拱底處。當上行隧道盾構施工至監測點前15m時，監測點處管片豎向變形發生劇烈變化。當上行隧道盾構掘進施工到達下行隧道監測點處正上方時，下行隧道豎向變形移值并未達到最大值。當上行隧道盾構施工通過下行隧道監測點約20m處時，下行隧道管片豎向變形值開始趨于平穩狀態。最終監測點處管片最大豎向變形發生在拱頂處，最大豎向變形值為3.63 mm。

4 結論

本文采用Midas GTS NX有限元分析軟件對某地鐵工程出場線盾構區間段疊落盾構隧道施工進行三維數值模擬，分析了疊落區間上行盾構隧道施工對周邊地層及下行已成型隧道的變形影響，得出結論如下：

4.1 通過對長距離完全疊落區間盾構隧道的施工階段模擬，得出疊落區間盾構隧道分別開挖會造成地表沉降量疊加，且疊加變形相對較大，但沉降槽寬度變化值極小。

4.2 上行盾構隧道開挖產生卸荷作用，導致下行隧道管片發生隆起，最大隆起點位于兩隧道最初重疊處（Y=0m）下行隧道拱頂，變形值為3.84 mm，小于《城市軌道交通工程監測技術規范》中既有線隧道結構變形控制值5mm[7]，故應加強上行盾構隧道施工時監測頻率，在變形值達到預警值時及時進行二次注漿等措施，以保證下行隧道結構安全。

4.3 以下行隧道某點為監測點，上行盾構隧道施工時，下行隧道豎向變形曲線呈“勺型”。當監測點前15m至監測點后20m區間內上行盾構隧道施工時，對下行隧道管片結構變形影響最大，故在上行隧道施工時，應在下行隧道相應處位置進行加固措施，以保證施工安全。