盾構下穿施工中土體損失和左右線施工間距對站房變形影響的數值模擬

沙俊玲，劉 洋，劉旭鵬，王 磊，劉志濤

(1.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學 安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心，安徽 合肥 230601；3.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300300)

為緩解地面交通壓力，實現快速分流，在地鐵建設過程中主要以下穿城市主干道和人口聚集地為主，這就不可避免的需要盾構穿越火車站站房等高風險建筑。在盾構施工過程中會對隧道周圍土體進行卸載和重新注漿加壓等過程，打破地層原有的應力平衡，引起隧道周圍土體擾動和變形[1]，進而誘發地表發生不均勻沉降和上部結構變形。為減小盾構施工過程對于周圍土體的擾動，保證上部建筑物的安全[2]，需對盾構過程中的掌子面壓力、左右線前后施工間距、注漿壓力等因素進行嚴格控制。并且在盾構掘進過程中，由于盾構施工暫停、盾尾注漿不及時以及小半徑盾構推進導致超挖等因素都會使得盾構隧道挖土體積要大于實際建成隧道體積，它兩之差被稱為土體損失[3]。盾構土體損失是引起地表發生沉降變形的主要因素之一[4-5]，我們通常用土體損失率來表示，即單位土體損失體積和單位盾構隧道體積之比[6]。因此對于盾構施工影響因素的控制量分析具有較大意義。

楊瀟[7]基于地層損失，并根據土體極限平衡原理和隧道周圍統一土體移動模型得出盾構掘進土體變形修正Loganathan公式。魏綱[8]在考慮多因素情況下所造成土體變形對于土體水平位移的影響，得出盾構隧道周圍土體的水平位移主要由土體損失引起的。王建秀[9]以地層損失為介質，建立盾構參數與預測地表沉降的關系，以達到控制地表沉降的目的。吳鋒波[10]收集了大量在建項目，統計分析了軟土、黏性土、砂卵石地層、風化巖層以及黃土等的雙線隧道地層損失率平均值和標準差，為預測隧道開挖影響范圍和施工提供科學依據。丁智[11]基于半無限飽和土的初值解結合相關算例，考慮了隧道先行和后行不同位置對土體擾動的影響，得出平行隧道間距越小，二次擾動越明顯。歐孝奪[12]基于Peck公式的基礎上，研究雙線隧道相互影響，并引入左右線影響系數，從而提出一種盾構開挖引起地表沉降預測模型。

由于目前國內外學者對于左右線盾構施工間距影響地表沉降和建筑物變形的研究較少，本文以合肥一號線盾構下穿合肥火車站為背景，利用Plaxis3D軟件進行雙線隧道相隔不同掘進環數以及用隧道收縮模擬不同地層損失率等不同工況下對站房底板變形、地表沉降進行模擬分析。

1 工程概況和工程控制標準

1.1 工程概況

合肥一號線三期工程合肥站-瑤海公園站區間，全長采用地下盾構法施工，其下穿合肥站房是1號線三期工程的控制節點。

合肥站站房為2層框架混凝土結構，底板下基礎為獨立基礎和混凝土灌注樁，獨立基礎底標高為23.75m，樁徑為1m，樁長7.1m，樁底標高為21.75m。區間隧道正穿火車站站房與隧道位置關系如圖1所示，盾構隧道頂距獨立基礎底約5.683～8.135m，盾構隧道頂距人工挖孔樁底6.153m。

圖1 站房與隧道位置關系圖

該項目所采用的盾構機為土壓平衡盾構機，并進行雙線開挖掘進，盾構隧道直徑6m，左右線隧道中心間距15m。

合肥火車站地層分布主要是如圖2所示，以雜填土、黏土以及砂巖為主，其中黏土層主要是第四系全新世沖洪積層和第四系晚更新世沖洪積層，并且其含有鐵錳結核及灰白色高嶺土。

圖2 站房地層分布剖面圖

1.2 工程控制標準

根據CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[13]以及合肥市黏性土層施工的相關經驗得出合肥站站房變形嚴格控制標準如表1所示。

表1 合肥站房變形控制標準

2 模型建立

2.1 數值模型和計算參數

本模型雙線隧道內直徑6m，管片厚度0.3m，掘進總長度約90m，左右線隧道軸心距15m，隧道中心埋深約18m，獨立基礎長寬高為2.4m×2.4m×3m。

建立的土體三維模型尺寸為300m×100m×50m，土體采用摩爾庫倫模型，該模型以一環管片長度為一個施工步驟(每環管片長度為1.5m)，單個隧道模擬60環施工管片，三維計算模型如圖3所示。

圖3 模型立面圖

結構單元采用實體模型，站房現澆注底板和盾構管片采用板單元模擬，站房立柱采用點對點錨桿模擬，為充分貼近實際，采用線彈性單元模擬站房下的基礎。相關地層物理性質參數如表2和表3所示。

表2 地層參數

表3 結構參數

2.2 模擬因素及工況選取

(1)由于合肥火車站的特殊性，其每天的人員流通量巨大，對于盾構施工工期要求在保證安全的情況下，盡可能的壓縮工期。所以模擬左右線相隔不同掘進環數(相隔環數為10、20、40、60環)，并分析其對于地表沉降和站房變形的影響，在保證施工安全的情況下，盡可能的縮短施工工期，予以實際工程指導。

(2)趙坤[14]對于合肥地區地層主要為黏土和軟巖地層，盾構施工產生的地層損失率范圍取0.2%～1.0%。所以該模型取地層損失率為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%等進行模擬。

(3)模型按照實際工程進行分工況分析，如表4所示，主要分為3個施工工況，初始工況是在已建成的新舊拼接而成的車站情況下，土體地層經過長時間固結沉降形成較為穩定的初始地應力場，第二工況和第三工況主要是開始進行盾構左、右線的開挖，在開挖過程中主要是盾構隧道周圍土體產生擾動，然后再次達到應力平衡狀態，主要模擬在盾構過程中隧道開挖、管片安裝、盾尾注漿以及盾構隧道收縮等過程。

表4 工況敘述

3 模擬結果分析

3.1 不同地層損失率對地表沉降影響

3.1.1 地層損失率理論分析

Peck[15]認為在不考慮土體的固結排水作用下，盾構隧道掘進引起地面沉降的體積與地層土體損失相等，其橫向地表沉降經驗公式為：

(1)

由公式(1)可知橫向地表沉降經驗公式主要取決于沉降槽和土體損失量的大小，公式(2)為沉降槽寬度，公式(3)為土體損失量。

(2)

Vi=V1πR2

(3)

式中：S(x)—距離隧道軸心為x的地面沉降量/m；

Smax—隧道軸線上方隧道最大沉降量/m；

i—地面沉降槽寬度/m；

Vi—盾構隧道單位長度地層損失量/(m3/m)；

V1—地層損失率；

H—隧道軸線上覆土厚度/m；

r—隧道半徑/m；

R—隧道外徑/m；

φ—各土層內摩擦角加權平均/(° )。

可由公式(1)、(2)、(3)得出地表最大沉降量與地層損失率的關系為：

(4)

由公式(4)可知，影響地表最大沉降量因素有很多，如隧道半徑、覆土層厚度、土層內摩擦角以及土體損失率等，在一定的項目中，隧道相關參數為確定量，如圖4中曲線所示，地表最大沉降量與土體損失率成正比關系，且由Peck公式推演得出，其正相關系數一定。并在圖4理論數據與模擬數據Smax與V1關系對比圖中可看出，模擬出的數據離散分布在理論曲線附近，表明模擬與理論相符合。

圖4 理論數據和模擬數據Smax與V1關系比對圖

3.1.2 模擬分析

由圖5可知在雙線隧道間距15m時，對于隧道半徑為3m的地表沉降為“W”型沉降槽，當模擬土體損失增大時，地表最大沉降量也同時增大，并且可看出當雙線隧道間距保持不變時，隨著土體損失的增大，兩隧道對中間區域影響就越明顯，其表征是隧道中間的沉降在不斷發生改變，當土體損失足夠大時，其地表將會形成“V”型沉降槽。

如圖5所示，當土體損失率達到0.4%時，地表最大沉降量達到3.74mm，土體損失達到0.6%時，地表最大沉降量達到6.31mm，為保證地表結構安全以及符合相應規范，應控制土體損失率在0.4%左右較好。

圖5 不同土體損失下沉降圖

3.2 不同地層損失率分析雙線隧道的相互影響

在基于地層損失率的基礎上分析雙線隧道掘進開挖的相互影響，如圖6所示，當土體損失為0.2%時，右線開挖對于左線中軸線上幾乎無影響，并不會使得左線隧道中心線的地表沉降加大，只影響兩隧道之間部分的地表土體。

圖6 不同土體損失率下雙線隧道地表沉降圖

當土體損失為0.4%時，右線隧道開挖對于左線已開挖形成的沉降槽，具有明顯的加大現象。

當土體損失達到0.6%時，右線隧道的開挖對于左線已形成的沉降槽的影響略微減小。

左線隧道中心地表沉降大于右線隧道中心地表沉降，其原因在于右線隧道上部存在樁基礎，減小了隧道開挖對地表的影響，并且土體損失率越大，樁基礎對于減小地表沉降的作用越明顯。

3.3 地層損失率對站房變形影響

地表土體發生沉降和變形將會引起上部建筑物產生附加應力，附加應力將會導致上部建筑物發生變形、傾斜以及損壞等不良現象[16]。如圖7所示的左線隧道中心上部地板豎向變形可知。

圖7 不同損失率底板豎向變形

(1)隨著土體損失率增大，底板豎向變形也成階梯型增大。

(2)對于土體性質較差的土層，損失率的改變對其影響很大，當土體損失率達到0.4%時，站房底板的豎向沉降以達到4.66mm，為符合合肥市站房變形控制標準，需要控制地層損失率為0.4%左右。

3.4 掘進環數對地面沉降影響

如圖8所示土體損失率為0.4%時的右線隧道中心沉降曲線可知在不同相隔環數情況下，地表沉降均是以相同沉降變形速率增大的，表明左右線以不同環數掘進，并不會影響地表沉降的最終值，當左右線相隔環數越大時，發生沉降變形所需計算步長越長，滯后性就越長，就可以有更多的時間觀測地表變形是否超出規定便于及時加固。

圖8 不同間隔環數隧道中點沉降曲線

由橫向沉降圖9可知該沉降槽為“W”型，影響區域約為24m，是雙線隧道盾構直徑的兩倍，其沉降槽最大處分別是左右線隧道中心出現。先工況1左線隧道開始開挖直至40環時，地表開始因左線開挖發生沉降，形成如圖9(a)所示的單隧道沉降槽，其對應的地層沉降云如圖9(b)所示。沉降達到最大3.57mm。然后工況2右線隧道開始開挖，形成如圖9(c)所示一大一小的沉降槽，其對應的地層沉降云如圖9(d)所示。由于右線的開挖不僅使得右線隧道影響區域地表發生下沉，還使得兩隧道中心處發生一定沉降，但是右線的盾構掘進并不會對左線已開挖部分的沉降有太大的影響。直至右線隧道貫穿，如圖9(e)所示，地表沉降形成了兩個較為相等的沉降槽，，其對應的地層沉降云如圖9(f)所示這里是因為左右線隧道中心相距較大，相互并不會發生較為明顯的影響。

(a)右線未開挖橫向沉降

3.5 掘進環數對站房結構變形影響

由于站房是現澆混凝土結構，自身彈性模量較大，在盾構開挖過程中，站房的中板和頂板未發現明顯變形，只有底板隨著地面沉降發生了較大形變，如圖10所示，給出對于地層損失率為0.6%時，和左右線相隔環數為10環、20環、40環、60環時，兩隧道之間上方站房底板的豎向變形曲線，可見：

圖10 不同環數底板沉降豎向變形

(1)隨著盾構掘進進程加深，站房底板沉降在隨著施工計算步長在逐漸增大，最終趨于平穩，在左右線不同相隔環數情況下，底板最終變形都約為6.95mm；

(2)在左線隧道開挖時，不同相隔環數下底板變形均有先趨于平穩的階段，相隔環數越大，平穩階段的步長越長，這表明相隔環數越大，右線開挖對于底板變形的影響就越滯后；

(3)在右線開挖后，底邊變形速率明顯增大，這表明左右線的同時掘進將加大底板變形，不利于底板保持穩定，如果變形速率過快，變形量過大，可能會導致站房總體結構的不穩定。

4 結論

本文主要對合肥1號線盾構穿越合肥火車站進行分析，由于左右線掘進環數的不同，以及在不同地層損失率下對于地表沉降和站房底板變形的影響，得到的主要結論如下：

(1)因左右線隧道中心距較大，左右線相隔不同的掘進環數對于地表最終沉降影響不大，但對于其沉降速率影響較大，相隔環數越小，其沉降變形速率越大，對于控制沉降變形就越困難；

(2)左右線相隔環數越大，其沉降滯后性就越大，給予施工參數調整、二次補充注漿加固地層的時間就越長，由于該工程為重要施工節點和交通樞紐，其工期緊張，在保證地表沉降和站房變形安全的情況下，左右線最少需要相隔20環以上才能同時施工，并且在施工過程中應采取相應控制地表沉降的措施，如控制盾構施工參數等，盡可能的減小盾構開挖對土體的擾動；

(3)土體損失率對于地表沉降的影響較大，通過控制相關盾構掘進參數如，刀盤轉速、扭矩、土倉壓力以及同步注漿和二次補充注漿等措施控制土體損失率在0.4%以內將符合合肥市站房變形控制標準；

(4)當雙線隧道的土層損失越大時，左右線相互影響越明顯，對于合肥土層情況而言，控制土層損失率在0.2%以內，可使得后掘進隧道對于先掘進隧道幾乎沒有影響；

(5)當土體損失達到0.6%以上時，對于本項目而言，后開挖隧道對于先開挖隧道的影響相比于土體損失對于隧道的影響反而減小可得出，當土體損失較大時，在形成“W”型沉降槽情況下，雙線隧道的影響反而在減小。如若土體損失足夠大，雙向隧道地表沉降將形成“V”型沉降槽，其先行開挖隧道和后行開挖隧道將不會對對方最大沉降造成影響，反而共同作用影響于兩隧道中心位置。