臨近隧道盾構施工對地表沉降的影響

嚴 明,匡星晨

(1.太湖縣建設安全和人防工程維護管理站，安徽 太湖 246400；2.安徽水利水電職業技術學院 建筑工程學院，安徽 合肥 231603)

0 前 言

近年來，地下工程中關于盾構施工對周邊地表影響的分析研究非常多，但是對于臨近隧道盾構開挖對地表的影響研究分析還是較少的，本文通過有限差分軟件FLAC3D參考實際工況進行了建模和數值模擬，研究在隧道左線和右線分別循環進尺的開挖過程中，對地層產生的擾動，并且這種影響還將隨著開挖過程不斷地發生變化[1]。

1 工程概況

1.1 工程周邊環境

本文以合肥地鐵5號線下穿1號線盾構施工段為工程背景，基于盾構施工對周邊地表的影響進行模擬分析。1號線為既有的雙線隧道，隧道外徑為6 m，兩線之間的距離設置為11 m，5號線為盾構開挖段，外徑也為6 m，兩線距離為3 m，1號線和5號線垂直距離為3 m，此時研究5號線盾構施時與1號線的平行段。

1.2 模型參數

根據實際的工程概況，可以將土體分為5層，土層參數按照勘察報告中取值，按照摩爾庫倫準則[2-4]進行賦值，土層參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

2 數值計算模型

2.1 模型的建立

本文使用有限差分軟件FLAC3D進行模擬分析。根據研究內容選取模型整體尺寸為91 m×120 m×50.5 m的長方體，土層根據地質條件分為5層。模型邊界條件為：盾構隧道在彈性力學中為平面應變問題，所以對于為盾構隧道掘進的方向，前后面(Y=0，Y=120)約束其Y方向的法向位移；在構建模型時已經考慮了3～5倍洞徑范圍內應力釋放，所以左右面(X=-40.5，X=40.5)不考慮模型的X方向的位移，所以約束其X方向的方向位移；底面為主要持力層，且已經考慮了對豎向方向的影響范圍，所以對底面(Z=0)約束其Z方向的位移；上表面為自由地表，不考慮其約束條件，對其不進行約束。模型圖如圖1所示。

圖1 模型整體

2.2 計算基本假定

為了使三維模型計算具有可行性，設定如下[5]：①混凝土接縫、襯砌結構均為線彈性材料；②地表面和土層均為均質水平層狀分布；③未考慮水壓力和土體加固因素的影響；④只考慮盾構推進為空間位移變化，不考慮時間效應。

2.3 工況設計

本文從左右線分別盾構開挖以及控制開挖掘進距離兩個方面來研究盾構開挖對周邊地表的影響規律，對其計算結果進行分析。

3 計算結果分析

3.1 1號線雙線開挖完成后地表沉降的規律

1號線雙線開挖完成后對周圍地表沉降的影響如位移云圖2所示。

圖2 1號線雙線開挖完成后位移云圖

1)由圖2可知，隧道在開挖掘進的過程中會不可避免地對周圍的土體造成擾動，這主要是由于開挖后地層損失和土體的應力釋放導致的，因而產生了地表的沉降。在5號線未開挖，1號線雙線貫通后，由于1號線為雙線隧道，地表沉降呈現“W型槽”的趨勢，地表最大沉降位置分別在兩線的軸線處，而兩線的中心線的沉降并不是地表最大沉降位置所在。

2)由隧道的豎向位移云圖2可以看出，1號線貫通后，隧道上方土體產生明顯的沉降，而隧道底部土體由于地層應力的瞬間釋放而產生回彈導致土體向上位移隆起。在遠離隧道拱頂的地表沉降最大，越靠近隧道拱頂沉降值越小。

3.2 5號線右線循環進尺開挖后地表沉降的規律

1)由圖3可知，在5號線右線開挖過程中，地表沉降發育靠近5號線右線并隨著掘進方向同時發育，5號線右線貫穿后，地表沉降呈現“V型槽”的趨勢，沉降最大位置偏離五號線中心線靠右，這是由于右線的開挖導致土層的應力釋放，土層將會向應力釋放的位置發生移動并達到二次平衡狀態。

圖3 5號線右線開挖60 m時地表沉降與5號線中心距離關系

2)由圖3可以看出，在5號線右線開挖過程中，地表沉降的最大值在離5號線中心距離12 m處左右，最大沉降值為3.74 mm。在開挖過程中，當5號線右線掘進到67.5 m處時，沉降基本發育完全。

3.3 5號線左線循環進尺開挖后地表沉降的規律

1)由圖4可以看出，5號線左線掘進時，地表沉降繼續發育，左線貫通后其最大沉降位置較只開挖右線相比靠近中心線，這是由于在開挖5號線右線后土層中產生較大的塑性破壞，導致在后期開挖5號線左線時，土體的應力釋放不再敏感，所以左線開挖完畢后，最大沉降的位置仍然靠近5號線的右線，而不是對稱分布。

圖4 5號線左線開挖60 m時地表沉降與5號線中心距離關系

2)在5號線左線開挖過程中，地表沉降的最大值在離5號線中心距離4 m處左右，最大沉降值為8.19 mm,當左線掘進到60 m處時，沉降基本發育完全。地表沉降發育是一個緩慢的過程，主要是由于應力釋放及土層損失所導致，由于在盾構工程中，襯砌施作迅速能有效地抵抗應力的快速釋放，所以地表沉降不是馬上達到最大值，而是緩慢發育的過程，其隨著盾構的推進緩慢發育，一般在10～14倍洞徑的范圍以后不再發育，此時應力完全釋放，由襯砌管片和原有土層共同承擔，地層損失在原有范圍內也不再發生，此時地表沉降將達到最大值，且不會再發育。

3.4 5號線雙線開挖完成后地表沉降的規律

1)由圖5可知，最大沉降的位置仍然靠近5號線的右線，并不是對稱分布，這是由于施工順序的先后所決定的，在近距離的施工條件下，其應力釋放及塑性區發展范圍決定于先開挖的一側。

圖5 5號線左線開挖120 m時地表沉降與5號線中心距離關系

2)從圖5可以看出，5號線左右線貫通后，地表沉降最大位置在距離5號線中心4 m處左右，沿著這個位置基本呈對稱趨勢向兩邊延伸，沉降值逐漸減小，在距離5號線中心位置左側26 m處沉降量基本為零，在左側26～30 m時，地表向上微微隆起，可以忽略不計。這也說明了模型構建的正確性，兩側約為4倍洞徑時，隧道開挖所引起的沉降已經很小，幾乎可以忽略不計；在隧道周邊約為1～3倍洞徑時，是隧道開挖引起的主要影響范圍，地表沉降在這個范圍里面也發育迅速。隧道開挖實際上是一個土體卸載的過程，上部土體挖出后自重的應力釋放，肯定會導致隧道下部土體的膨脹變形，使下部土體回彈。因此，從地表沉降曲線圖可以看出，隧道開挖后，由于土體卸荷導致應力釋放，速調上部周邊地表表現出輕微的隆起狀態，而隧道所在位置的上部表現為明顯的沉降狀態。

3)“PECK”公式在預測雙線隧道的地表位移時，考慮兩線之間的距離將地表沉降模式分為了兩種情況。情況一：當兩線之間的距離小于1倍洞徑時，其地表沉降發育呈“V型槽”的發育；情況二：當兩條隧道間的距離大于1倍小于3倍洞徑時其地表沉降曲線呈“W型槽”的發育。從曲線圖可以看出，數值模擬出的地表沉降數據完全符合PECK槽的規律，由于5號線左右區間的距離小于1倍洞徑，所以地表沉降符合情況一的條件。“V型槽”的開口也隨著開挖的推進不斷變大，最后穩定在一定的大小。

4 結 論

1)下部線路的開挖對地表沉降的分布也有較大的影響，未開挖下部線路時，地表沉降呈“W型槽”，而隨著下部線路的開挖，地表沉降慢慢變為“V型槽”的沉降模式，這是由于下部線路位于既有線中間，開挖導致既有線中間地層的損失和應力釋放，引起了地層的沉降；由于疊加的作用，地表的沉降也比未開挖下部線路時的沉降更大，因此，在實際工程中，應該關注地表沉降位置的改變和數值的變化，當周邊環境對地表沉降的要求較高時應該采取一定的加固措施，控制地表的沉降；地表的沉降發育與開挖的位置有很大的關系，在開挖一定范圍內地表沉降會隨著開挖的進行而發育，在距離開挖面1～3倍洞徑時是地表沉降的主要發育時間段，而距離開挖面10倍洞徑左右的距離后，地表的沉降不會繼續發育，會穩定在一定的數值，不再隨著開挖的推進而繼續發育。

2)預測隧道開挖地表的沉降，應當考慮隧道之間的距離，距離不同出現的地表沉降模式不同，兩隧道之間的距離小于1倍洞徑時，地表沉降呈現“V型槽”的形式，當兩隧道距離超過1倍洞徑小于3倍洞徑時，其地表沉降模式呈現“W型槽”的形式，兩隧道之間的距離超過3倍洞徑時，地表的沉降模式更趨近一個“V型槽”的形式，而且在原有線路下方開挖新的線路時，地表的沉降會趨近一個“V型槽”的形式。

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