小凈距隧道后行洞開挖對先行洞的變形影響

扈 萍，馬 梁，李 萌，王君鵬，張西文

(1. 濟南大學 土木建筑學院，山東 濟南 250022；2. 山東省城市地下工程支護及風險監控工程技術研究中心，山東 濟南 250022)

現有的城市軌道交通區間隧道施工過程受限于地質條件及地下空間的綜合要求，雙孔甚至多孔小凈距隧道的工程實例已越來越常見。隨著小凈距隧道并行施工情況日益增多[1]，由此導致的施工難度與工程風險也越來越大[2-6]。對于并行施工隧道的凈距最小值，目前已有相關規范作出規定，然而地質條件千變萬化，并且目前施工技術有限，導致很多并行隧道的實際凈距通常不能滿足規范中的規定值[7-11]，因此在多條隧道必須并行施工并且隧道之間凈距過小的情況下，有必要考慮后行洞的開挖對已經完工的先行洞變形是否造成影響，并研究能夠減小這種影響的加固措施。

本文中以濟南軌道交通3號線隧道并行施工的三孔小凈距隧道為研究對象，采用Midas GTS軟件，對盾構隧道開挖時不同小凈距條件下先行淺埋暗挖隧道的變形情況進行數值模擬，揭示后行隧道施工對先行隧道變形的影響規律，并將模擬結果與規范中規定的變形控制值進行比較，分析小凈距隧道施工時需要進行加固的最小凈距，同時對帷幕注漿與打設鉆孔灌注樁2種加固措施進行數值模擬，分析加固效果。

1 工程概況

濟南軌道交通3號線龍洞莊站至孟家莊站區間由三孔并行的隧道構成。中間的隧道采用淺埋暗挖法中的中隔墻法(CD工法)，分為A、B這2個導洞先行施工；之后左、右兩線隧道采用盾構法施工，左線先行，右線后行，掘進過程中左右對稱，與先行的淺埋暗挖隧道處于同一水平線，隧道間凈距變化范圍為2.55～5.07 m，最小值小于隧道半徑。隧道剖面圖如圖1所示。其中，先行的中間淺埋暗挖隧道為馬蹄形隧道，斷面尺寸為11.70 m×8.59 m(寬度×高度)，采用超前小導管預支護，區間隧道初期支護，采用格柵鋼拱架掛鋼筋網噴射混凝土，二次襯砌作為安全儲備，由模注混凝土構成。后行的左、右兩線隧道內徑為6.4 m，管片厚度為0.3 m。

A、B—導洞編號。圖1 濟南軌道交通3號線并行施工的三孔小凈距隧道剖面圖

2 后行洞施工對先行洞的變形影響

2.1 有限元模型

采用Midas GTS軟件建立二維有限元隧道模型，并假設左、右兩線隧道與中間淺埋暗挖隧道之間的凈距分別為1.2D、1.0D、0.8D、0.6D、0.4D(其中D為盾構隧道內徑)，對中間隧道的變形進行數值模擬。考慮到隧道開挖的影響范圍，選取模型尺寸為100 m×60 m(寬度×高度)。對于巖土層，可將其簡化為水平分布、厚度均一的彈塑性材料，由地表往下分別為素填土、粉質黏土、碎石土、中風化石灰巖，巖土體參數取自地勘單位提供的詳勘報告，如表1所示。本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

表1 巖土體及支護結構等效參數

對于中間的淺埋暗挖隧道，采用增大圍巖力學參數的方法，模擬超前小導管注漿加固。考慮到單獨模擬初期支護中鋼拱架和混凝土較復雜，因此將混凝土、鋼拱架和鋼筋網看作整體進行計算，等效后的力學參數如表1所示。采用文獻[12-13]中的做法，將初期支護分為初支與初支硬化2個階段，這樣能夠充分考慮荷載的逐步釋放。同時，將盾構管片與隧道開挖面之間的環形空隙注漿后概化為均質、等厚、彈性的等代層。

2.2 數值模擬結果

2.2.1 水平位移

中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的水平位移云圖如圖2所示。從圖中可以看出，最大水平位移出現在拱腰附近，左側拱腰處水平位移(A洞凈空收斂)最大值和右側拱腰處水平位移(B洞凈空收斂)最大值分別為6.46、-5.72 mm，與坐標軸同方向為正，與坐標軸反方向為負。

圖2 中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的水平位移云圖

當左、右兩線隧道開始掘進后，中間先行隧道的凈空收斂如表2所示。從表中可以看出，以凈距為0.4D的工況為例，左線盾構掘進后，中間隧道A、B洞的凈空收斂分別減小為3.41、-4.72 mm；右線盾構掘進后則進一步減小為3.07、-2.29 mm。由此可知，當左、右兩線隧道后行開挖時，中間先行隧道的左、右兩側拱腰處水平位移均減小，即A、B洞都出現凈空擴容的現象。原因是左、右兩線的盾構隧道掘進后，在水平方向產生應力釋放作用，使得原本發生收縮的中間先行隧道在水平方向產生相反方向的位移。從表中還可以看出，隧道間的凈距對先行隧道的變形有很大的影響。隨著隧道間凈距的減小，當左、右兩線隧道掘進后，中間先行隧道A、B洞的凈空收斂也不斷減小，即中間先行隧道的凈空擴容現象越明顯。

表2 中間隧道在不同工況時的凈空收斂

2.2.2 豎向位移

圖3所示為中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的豎向位移云圖。從圖中可看出，中間隧道初襯施工完成后，在A洞的拱頂和仰拱位置豎向位移最大，拱頂沉降和仰拱隆起最大值分別為-6.17、4.98 mm。

圖3 中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的豎向位移云圖

圖4所示為不同隧道凈距時左、右兩線隧道開挖后中間先行隧道的拱頂沉降與仰拱隆起。從圖4(a)中可以看出，當保持凈距不變時，盾構左線掘進后中間先行洞的拱頂進一步發生沉降；右線掘進后拱頂沉降則繼續增大。同時，拱頂沉降的增大幅度隨著隧道間凈距的減小而越來越大。根據國家標準[14]，淺埋暗挖隧道的拱頂下沉值必須控制在-10 mm以內，而當隧道間凈距減小至0.6D時，中間淺埋暗挖隧道的拱頂沉降為-9.71 mm，該數值已接近國家標準[14]中規定的最大下沉值；而當凈距減小至0.4D時，拱頂沉降則超過了國家標準規定的最大下沉值。從圖4(b)中可以看出，左線和右線隧道的先后開挖會導致中間隧道的仰拱隆起不斷增大。同時，隨著三孔隧道間凈距離不斷減小，中間隧道的仰拱隆起值在左、右線盾構掘進后越來越大，可見隧道凈距越小，后行盾構掘進時對中間先行隧道的變形影響越大。相關國家標準[14]同樣規定，對于淺埋暗挖隧道，仰拱隆起變形應控制在10 mm以內。從圖中還可以看出，當隧道間凈距為0.4D時，對應的仰拱隆起值已接近國家標準[14]中規定的上限。

(a)拱頂沉降

2.2.3 塑性區分析

圖5所示為三孔隧道在不同凈距條件下的塑性應變云圖。由圖可知，對于中間淺埋暗挖隧道，塑性應變主要發生在圍巖底部和拱腰處；而左、右兩線隧道圍巖的塑性應變則沿洞口周圍均勻分布。隨著隧道凈距越來越小，各隧道塑性區的發展會逐步加劇，塑性區范圍不斷擴大并接近，當隧道間凈距減小到0.8D時，發生明顯的塑性區重疊現象。這種重疊效應隨著隧道間凈距的減小還會越來越明顯。

3 加固措施與效果分析

3.1 加固措施

對于本工程中的三孔小凈距隧道，當左、右兩線隧道盾構施工時，僅對中間隧道進行支撐或通過監測數據調整優化盾構施工參數等已經無法滿足安全要求，更重要的是對隧道中間地層采取一定的加固措施。本文中在總結現有加固措施的基礎上，根據實際工程條件以及施工的可行性，提出2種加固措施：1)對中間地層進行帷幕注漿加固；2)在中間地層打設鉆孔灌注樁進行加固。

(a)隧道間凈距為1.2D

3.2 模型建立及參數選取

對于加固后的中間地層，本構模型仍選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，并通過調整土體的物理力學參數達到加固后土體的各項性能，如表3所示。選取模型尺寸為100 m×60 m(寬度×高度)，設置隧道間凈距為0.8D，分別建立帷幕注漿和鉆孔灌注樁加固模型如圖6所示。

表3 加固后的土體力學等效參數

3.3 效果分析

3.3.1 水平位移

表4所示為左、右兩線隧道開挖時不同加固措施條件下中間先行隧道的凈空收斂。從表中可以看出，不采取任何加固措施時，左、右兩線隧道施工完成后，中間隧道A、B洞的凈空收斂值變化非常大；采取帷幕注漿和打設鉆孔灌注樁進行加固后，中間隧道A、B洞的凈空收斂較初支時變化都不大，說明采取加固措施后，先行隧道的水平變形受先行隧道開挖的影響都大幅減小。從表中還可以看出，當對中間地層進行帷幕注漿時，中間隧道A、B洞的凈空收斂比自身施工時的水平位移有所增大。由此可知，對中間地層進行帷幕注漿會造成隧道圍巖向隧道內位移，原因是在鉆孔時，機器的震動和注漿的壓力使中間隧道洞周土體初支壓力增大，從而造成土體水平位移增大，圍巖內移。采用鉆孔灌注樁時，灌漿只在較小范圍內產生壓力，并且樁與隧道之間距離較大，因此對中間隧道的變形影響相對小得多。

表4 不同加固措施時中間先行隧道的凈空收斂

3.3.2 豎向位移

圖7所示為三孔隧道在不同加固措施時的豎向位移云圖。從圖中可以看出，如果對三孔隧道同一水平的中間地層采取帷幕注漿加固，則無論是拱頂沉降，還是仰拱隆起，三孔隧道的云圖均發生重疊，說明此時先行隧道的豎向變形仍然受到后行隧道開挖的影響。當在中間地層打設鉆孔灌注樁時，拱頂沉降云圖因樁的分割作用而表現為互不關聯的3個部分，后行盾構隧道開挖對先行隧道的豎向變形影響大幅減小。

(a)帷幕注漿方案

左、右兩線隧道先后開挖時，不同加固措施條件下中間先行隧道的豎向位移(拱頂沉降和仰拱隆起)如表5所示。從圖中可以看出，采用帷幕注漿和鉆孔灌注樁進行加固時，先行淺埋暗挖隧道的拱頂沉降和仰拱隆起與未加固時相比均大幅減小，因此在減小先行洞豎向變形方面，2種加固措施都是有效的。兩者相比，打設鉆孔灌注樁后先行洞的豎向位移變化更大，說明能夠更好地抑制后行洞開挖造成的影響。

表5 不同加固措施時中間先行隧道的豎向位移

由對未加固以及不同加固措施時中間先行隧道水平位移和豎向位移的分析可知，在左、右兩線隧道開挖之前，可通過帷幕注漿與打設鉆孔灌注樁的方式減小后行洞開挖對先行洞變形的不利影響；但是采取帷幕注漿法會使圍巖向中間隧道內移動，同時，三孔隧道的豎向位移仍有重疊現象，而且左、右兩線隧道盾構開挖時，中間先行隧道的水平位移、拱頂沉降和仰拱隆起等變形值相比打設鉆孔灌注樁時的更大，因此打設鉆孔灌注樁加固效果更理想。

4 結論

本文中采用有限元分析軟件，對三孔小凈距并行隧道后行洞開挖時中間先行洞的變形情況進行數值模擬，并針對實際工程研究小凈距隧道中間地層的加固措施，得到以下主要結論：

1)先行淺埋暗挖隧道初襯施工完成后，后行盾構開挖不僅會使先行隧道在水平方向發生凈空擴容，同時還會引起三孔隧道在豎向上應變疊加，導致先行隧道的豎向變形值如拱頂沉降、仰拱隆起等進一步增大。

2)后行洞開挖對先行洞造成的變形影響與隧道間凈距密切相關，因此探尋需要采取加固措施的隧道間最小凈距具有重要的工程意義。以本工程為例，當隧道間凈距小于0.8D時，三孔隧道的塑性區發生重疊，應采取加固措施以減小先行洞的圍巖變形，增強隧道圍巖的穩定性。

3)對中間地層進行帷幕注漿與打設鉆孔灌注樁都能有效減小后行盾構開挖時對先行淺埋暗挖隧道的變形影響，兩者相比，采用打設鉆孔灌注樁的措施加固效果更好。