城市地鐵TBM雙線隧道地層沉降分析及控制對策

王會新

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250101)

1 引言

城市地鐵網絡是城市發展的加速劑，可以提升城市居民的出行便利度。直到2020年[1]，有45個城市開通軌道運營線路共計7 978.19 km。我國幅員遼闊，每個城市地層情況也不盡相同，不少硬巖城市如青島、深圳[2－3]開始將TBM技術應用在城市隧道中。然而TBM目前廣泛應用于山嶺隧道的修建中，在城市地鐵隧道應用較少[4－5]。在城市隧道施工時，往往要面臨復雜的地層環境，導致地層變形與地層沉降，造成經濟損失甚至人員傷害。因此，TBM隧道開挖引起地層沉降的機理研究對于施工安全具有重要意義[6]。

張海波[7]等人采用三維有限元法研究因隧道施工導致的地表沉降與變形，得到地層變化與地表沉降規律。宮亞峰[8]、潘海澤[9]等人基于Peck公式對隧道掘進過程中地表沉降規律進行相關研究，提出了相應參數的取值范圍。武科[10]等人利用數值分析與現場實際測量結果相對比，分析了既有建筑物對新建地鐵隧道的影響，并提出有效控制措施，優化了施工工法。張穩君[11]等人基于Peck公式與現有研究結果，在考慮固結沉降的因素下，提出了可計算雙線隧道非同步開挖所引起的地表變形公式。孫鶴明[12]等通過數值模擬方法，針對復合地層研究了TBM施工沉降槽范圍與建筑物沉降的空間關系。陳春來[13]等基于Peck公式，提出了雙線隧道平行施工中土體損失造成的三維土體沉降計算公式。以上研究對于揭示隧道掘進導致地表沉降機理具有重大意義，但以上研究都未考慮隧道掘進順序對地層沉降的影響，對于后續TBM掘進施工缺少準確預測手段。

為了解決上述問題，本文依托青島地鐵某TBM區間隧道掘進工程，基于FLAC3D建立隧道開挖的雙線模型，驗證雙線隧道施工導致地層變形的疊加效應，并結合工程實際，提出沉降控制對策，為后續施工提供依據。

2 工程概況

本文依托工程為青島地鐵某區間隧道，該區間為雙線隧道，如圖1所示。隧道上方為車行公路，寬度為20 m，地下1～3 m埋有電力管線，來往車輛較多，道路兩側多為老式居民樓。該區間所處地貌為剝蝕丘陵地貌，地形略有起伏。

圖1 青島地鐵某區間隧道平面

為保證工程施工安全，采取分序施工，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道。區間隧道地質情況如圖2所示，從上至下依次為素填土(厚度為2 m)、粉質黏土(厚度為4 m)、強風化花崗巖(厚度為8 m)、中風化花崗巖(厚度為6 m)、微風化花崗巖(厚度為30 m)。

圖2 地質剖面(單位:m)

該雙線TBM隧道采用的盾構機型號為DSUC6300，總長度為135 m，刀盤直徑為6.3 m，管片厚0.3 m，采用回填注漿進行加固處理，先通過預留的孔洞向圍巖與管片的空隙回填豆礫石，再注入漿液，待漿液固結后，則注漿完成。

3 雙線隧道計算模型與分析方法

3.1 開挖計算原理

在雙線隧道掘進過程中，將巖土視為理想的彈塑性模型，在發生剪切破壞前符合彈性模型理論，發生破壞后則遵守塑性流動法則，采用摩爾－庫倫準則作為巖土體剪切破壞準則。

式中:c為巖土體黏聚力；φ為巖土體內摩擦角。

隧道管片由C50混凝土澆筑而成，一般不會發生強度破壞，因此可用彈性模型進行模擬；在計算過程中回填層已注漿固結，也可視為彈性模型。

式中:σ為應力；ε為變形；E為彈性模量；ν為泊松比。

3.2 模型建立

根據地勘報告自上而下分層建立地層模型，依次為素填土層、粉質黏土層、強風化花崗巖層、中風化花崗巖層和微風化花崗巖層。隧道襯砌管片采用C50混凝土，彈性模量34 500 MPa，回填層主要為豆礫石及注漿后的充填層，彈性模量取1 000 MPa，具體取值見表1。根據圣維南原理，設置隧道左右邊界為隧道外徑的3倍左右，隧道底部距離為外徑的4倍左右，整個計算模型寬60 m、高50 m，縱向長度為45 m。混凝土管片厚度為0.15 m。模型上表面為自由邊界，下表面為固定邊界，側面設置垂直約束。在模擬掘進過程中，先開挖左線隧道，再開挖右線隧道，開挖采用NULL單元進行模擬，每次開挖1.5 m。共創建257 280個單元、263 749個節點。數值計算模型如圖3所示。

表1 模型力學特性參數

圖3 數值計算模型

3.3 監測點設置

數值計算模型監測點主要沿縱向布置于隧道正上方，以及左右線隧道中間縱向軸線的上方。橫向監測點主要布置于模型中部正上方，與隧道軸線垂直，具體布置如圖4所示。

圖4 沉降監測點布置

4 數值計算結果分析

青島市某區間隧道穿越地層為中風化花崗巖與微風化花崗巖，相比于一般土體，具有較高的力學特性，沉降值保持在毫米級別。

4.1 縱向地表沉降分析

分析開挖次序對隧道縱向地表沉降的影響，隧道左線上方監測點數據如圖5所示。可以看出，在左線隧道開挖完畢后，測線最大沉降為0.65 mm；當雙線隧道開挖完畢后，測線最大沉降為0.88 mm，右線開挖導致的沉降占總沉降的35%；隨著縱向距離的增加，地表沉降略有減小，這是因為縱向距離不斷增加，則更容易受到約束邊界的影響。

圖5 隧道左線上方地表沉降值

圖6為隧道左線上方監測點隨隧道掘進的沉降曲線，圖像左側為左線隧道掘進過程，右側為右線隧道掘進過程。左線掘進過程中，當掌子面逐漸靠近監測點時，沉降速率變大，當掌子面逐漸遠離監測點時，沉降速率逐漸變小。右線掘進過程中，監測點沉降速率明顯變小，但引起的沉降值不可忽略。

圖6 監測點隨隧道掘進沉降曲線

4.2 橫向地表沉降分析

為研究開挖次序對隧道橫向沉降的影響，選取模型中間測點，如圖7所示。當雙線隧道開挖完畢后，地表沉降量最大值位于兩隧道連線中點，為0.91 mm，左線開挖與右線開挖造成的地表沉降規律幾乎相同，呈對稱分布。越接近右線隧道，受右線隧道掘進的擾動也就越大，疊加效應越明顯。

圖7 橫向地表沉降曲線

4.3 洞室周圍地層位移分布

如圖8所示，左線隧道與右線隧道具有相同的地層變形規律，即拱頂沉降、拱底隆起，左線隧道的拱頂沉降值為2.6 mm，右線隧道的沉降值為1.6 mm。由于右線隧道的掘進導致左線隧道圍巖發生了應力重分布，致使左線隧道圍巖沉降值略大于右線隧道。

圖8 隧道掘進地層位移云圖

5 沉降控制對策

從計算結果可以看出，后挖隧道對先行隧道的影響不可忽略，尤其是兩條隧道間距較小時，沉降疊加效應明顯。所以在施工過程中要保證兩條線施工錯開一定距離，避免同時施工由于作業面距離過近劇烈擾動而出現沉降疊加效應，導致地層變形和地表沉降過大。另外對于城市硬巖地層TBM雙線隧道沉降控制措施，普遍采用豆礫石回填以及注漿充填的方法，在施工時建議采用滲透性高、凝結時間短的漿液注漿回填。保證豆礫石吹填過后短時間內充填層能發揮支撐作用，在TBM通過后的較短時間內發揮其早期強度。

6 結論

本文以青島地鐵某區間雙線隧道作為工程背景，通過有限差分軟件FLAC3D建立雙線隧道開挖模型，研究了開挖次序對地層沉降的影響，主要得到以下結論:

(1)后挖隧道的掘進會對先行隧道產生疊加效應，后挖隧道對先行隧道產生的沉降約占總沉降值的35%。橫向地表沉降呈對稱分布，最大值位于兩隧道連線中點。

(2)先行隧道與后挖隧道的地層變形具有相同的規律，均為拱頂沉降、拱底隆起；后挖隧道會對先挖隧道的圍巖產生擾動，引起應力重分布，造成疊加效應，從而使得先行隧道的拱頂沉降量略大于后挖隧道的拱頂沉降量。

(3)后挖隧道對先行隧道的影響不容忽略，在施工過程中可以增大隧道間距離，從而減弱疊加效應，或者采用滲透性高、凝結時間短的漿液輔助豆礫石充填，保證施工安全順利進行。