機械法聯絡通道施工對T接部位沉降影響的實測與數值分析*

胡 威，黃 強，李海波，趙星星

(1.寧波大學巖土工程研究所，浙江 寧波 315211； 2.中鐵四局集團第二工程有限公司, 江蘇 蘇州 215131)

0 引言

聯絡通道一般設置在兩條隧道中間，起連通、排水和消防疏散等作用。目前聯絡通道的修建多采用凍結法、礦山法等隧道施工技術，但凍結法和礦山法施工存在著不可避免的缺陷。2019年4月19日，寧波地鐵4號線麗雙區間2號機械法聯絡通道貫通，從設備吊裝下井到修建完成僅用時15d，代表了目前國內聯絡通道修建技術的最高水平。采用機械法開挖聯絡通道，將極大程度提高施工效率，減少施工對環境造成的不良影響。但目前機械法聯絡通道施工實例較少，因此對機械法聯絡通道的研究迫在眉睫。不少專家學者對隧道聯絡通道進行過研究[1]，如朱瑤宏等[2]通過研究施工過程中的施工工況節點，現場監測主隧道結構的外荷載、收斂變形并計算結構內力，得到在整個施工過程中主隧道的結構響應及其變化規律；彭剛[3]通過理論分析、數值計算和現場監測等手段總結了大斷面矩形頂管近距離雙線并行施工所引發的地表沉降特征，如地表沉降主要發生在切口到達及頂管通過的過程中等結論；劉琳等[4]通過頂管法對超短距離的矩形聯絡通道進行施工，總結了施工現場可能發生的難題，提供類似相關聯絡通道施工的處理方法；耿萍等[5]采用模型試驗和數值模擬方法研究主隧道和聯絡橫通道之間采用剛、柔兩種連接形式時對盾構隧道地震響應的影響，得出了當采用剛性連接時，聯絡通道對主隧道影響范圍約為 3.0 倍聯絡橫通道寬度，而采用柔性連接時其影響范圍減少為1.5～2.0 倍等結論；丁修恒等[6]通過Plaxis 3D有限元法研究地震荷載對主隧道和聯絡通道的受力、位移的影響，得出了在地震荷載作用下剛性接頭受力遠大于半剛性工況等結論；楊景賀等[7]通過有限元模擬和現場地鐵施工實測數據結合分析，研究盾構法施工過程中對隧道圍巖變形、應力分布及塑性區分布情況等，得出了針對性的支護方法；梅清俊等[8]通過對寧波地鐵3號線監測分析，研究新工法對周圍地層、主隧道結構等的施工影響，得出機械法施工對周圍土體和既有主隧道結構的沉降規律；許有俊等[9]以現場地鐵施工為依托，結合數值模擬方法，分析盾構隧道下穿施工全過程，研究在不同工況條件下對車站沉降變形的影響，得出了地鐵車站底板的隆起量隨著盾構推力的增大而增大等結論。

由于機械法聯絡通道施工最近幾年才興起，施工案例較少，對地表和主隧道結構沉降影響規律仍然需要大量的現場試驗進行發掘和探索。因此本文通過現場施工數據和 Plaxis 3D有限元軟件模擬相結合，并用Peck預測沉降公式和實測數據進行對比分析，更好地揭示機械法聯絡通道開挖對地表沉降和聯絡通道結構位移的影響，為今后機械法聯絡通道的施工提供理論依據。

1 工程概況

本工程位于杭州市余杭區以及海寧市許村鎮，盾構區間為余杭高鐵站—許村鎮站(簡稱余—許盾構區間)。余—許盾構區間左線長3 126.22m，右線長3 126.555m。本區間設置3座機械法聯絡通道，主要對1號聯絡通道進行研究。1號聯絡通道中心標高-20.597m，襯砌頂覆土厚約24.1m，線間距13.0m。聯絡通道管片外徑3 260mm, 內徑2 760mm，厚度250mm。襯砌環間采用錯縫拼裝, 無楔形量，環寬0.9m。主隧道T部位處采用特殊環襯砌環管片, 管片為雙面楔形通用環，采用通縫拼裝，楔形量40mm。

1.1 工程地質條件

本場區內為第四系覆蓋層，按地質成因時代及其工程特征，場地沿線第四系地層空間豎向分布自上而下大致可分為：淺表層厚薄不一的填土，其下為沖海積的黏質粉土、粉質黏土，海積的淤泥質黏土、粉土、沖積的黏性土或粉細砂等。本區間1號聯絡通道大部位于粉砂層，局部位于粉質黏土夾粉土層。

1.2 監測方案

在余—許盾構區間主隧道和聯絡通道上，共布置6組地表縱向監測斷面。每組縱向監測斷面布置13個監測點，以第1組為例，監測斷面編號為DB1-1～DB1-13，本文將6組地表縱向監測斷面記作D-1～D-6。聯絡通道處設置了3組橫向監測斷面，每組橫向監測斷面有6個監測點,本文將3組地表橫向監測斷面記作H-1～H-3。地表沉降監測點布置如圖1所示。在主隧道左線和右線區間，按照每隔6m布置1個隧道結構監測點，左線監測點采用ZSD1-1～ZSD1-21進行編號，右線監測點采用YSD1-1～YSD1-21進行編號，隧道結構位移監測點布置如圖2所示。

圖1 地表沉降監測布置

圖2 隧道結構變形位移監測布置

2 理論分析

2.1 橫向地表沉降分析

Peck教授提出假定在地表沉降中地層水分未損失前提下，地層損失體積等于沉降槽體積，沉降槽符合高斯曲線分布，其沉降曲線計算公式如下：

(1)

式中：S(x)為距離隧道中線x處的地表沉降值；Smax為隧道中線處地表沉降最大值；i為沉降槽寬度。

將式(1)進行線性回歸處理，對等式兩邊同時取對數得：

(2)

(3)

(4)

則回歸方程為：

(5)

取聯絡通道上方兩組橫斷面監測點，即H-1和H-2。將H-1組的沉降數據按照上訴計算方法進行線性回歸分析，結果如表1所示。

表1 Peck沉降公式計算參數

將表1數據代入可得：

(6)

故D-1監測斷面的Peck沉降預測公式為：

(7)

同理，按照上訴計算方式，可得出D-2監測斷面的Peck沉降預測公式為：

(8)

依據實測數據、擬合回歸曲線以及采用Peck預測公式作對比曲線如圖3所示。由圖3可知，實測數據曲線與擬合回歸曲線的吻合度比較接近，說明現場數據可通過一元線性方法進行擬合分析。通過對比Peck預測曲線與擬合回歸曲線的沉降最大值，圖3a和圖3b最大沉降量分別為5.6，5.8，7.4，7.6mm，誤差分別為 5.5%和6.5%，均符合工程需求，故可認為采用 Peck 沉降預測曲線的方法能較準確地實現對機械法聯絡通道施工地表沉降的預測。

圖3 橫斷面地表沉降擬合公式曲線與實測值對比

2.2 縱向地表沉降分析

由于機械法聯絡通道開挖對地表所造成的沉降影響有別于普通盾構法開挖。聯絡通道兩端開挖是基于主隧道管片處的破洞響應，故聯絡通道兩端沉降較小，呈現出凹槽形狀。由于沉降槽近似正態分布，故本文將高斯曲線與實測數據相結合，得出縱向沉降擬合經驗公式，有效應用于實際工程的地表沉降估算。

高斯經驗公式為：

(9)

式中：S為聯絡通道上方地表沉降；x為距離聯絡通道中間位置的縱向水平距離；A，B為常數系數。

對式(9)等式兩邊同時取對數，可變為：

y=kx2+b

(10)

式中：y=lnS；k=-1/B2；b=lnA。

取樣本殘差平方和極值，得上述系數統計解為：

(11)

為了驗證回歸曲線方程與實測數據的線性相關程度，設線性相關系數r為：

(12)

式中：r若越接近1，則線性相關程度越高。在實際工程當中，若r>0.8時認為經驗公式可靠。

取現場聯絡通道正上方一組地表縱向監測點(DB4-1～DB4-13)作為沉降數據分析對象。由上述計算方法進行線性回歸分析，如表2所示。

表2 縱斷面沉降數據分析

經計算得縱斷面線性回歸方程為：

y=-0.001 03x2+0.97

(13)

線性相關系數r=0.84>0.8，擬合后的經驗公式曲線與實測數據對比如圖4所示，不難發現，二者吻合程度較高，表明地表縱斷面沉降經驗公式可靠。

圖4 縱斷面地表沉降擬合公式曲線與實測值對比

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

模型y方向(既有隧道運營方向)取 80m，y方向取 40m，z方向取52m，地下水位線位于-1.500m處。地表取為自由邊界，其他5個面均約束其法向變形。模型共劃分了69 956個單元，計99 043個節點。模型網格劃分如圖5所示。土層及盾構相關基本力學參數如表3所示。

表3 材料的物理力學參數

圖5 有限元模型網格劃分

3.2 模擬過程

研究聯絡通道開挖對既有隧道變形及土層影響，故建模過程中無需考慮主隧道開挖對地層的影響。同時采用等效剛度法模擬既有主隧道，即假定混凝土管片在基坑開挖過程中一直處于彈性變形階段，根據相應的研究成果，定義盾構隧道剛度有效率為75%，用以反映T部位管片間接頭存在對既有隧道變形的影響。彈性模量取為C50混凝土模量值，泊松比取0.25。具體施工模擬步驟如圖6所示。

圖6 機械法聯絡通道施工模擬步驟

3.3 結果驗證

為驗證模擬結果可靠性，將取3組監測斷面H-1，H-2，H-3的模擬值與實測值進行比較，如圖7所示，可以看出：地表在垂直于聯絡通道的橫向剖面上模擬值與實測值比較接近，實測值略高于模擬值。說明有限元模型吻合度較好，模擬效果可靠。

圖7 模擬與實測數據對比

3.4 不同工況條件下地表沉降分析

3.4.1開挖不同深度

為研究不同埋深的機械法聯絡通道施工對地表沉降的影響，本文分別開挖了埋深為12m，15m和18m的聯絡通道，繪制了不同開挖深度地表沉降曲線，如圖8所示。由圖8可知，開挖深度為9m時，0.1m深聯絡通道正上方地表沉降值最大，而沉降槽最窄，影響范圍較小。3m處地表沉降次之，沉降槽相對加寬。5m處地表沉降較小，沉降槽相對較大，影響范圍大。開挖深度為12m時，各深度隧道沉降值整體增加，沉降槽稍有加寬，越接近地表，沉降曲線越窄，影響范圍越小。開挖深度為18m時，各深度隧道沉降值相對增大，聯絡通道中心部位沉降值最大，向兩端遞減。

圖8 不同開挖深度橫向沉降曲線

3.4.2開挖不同土層

數值模擬分3種工況進行：原工況條件下盾構機掌子面上半部分穿越粉土層，下半部分穿越黏土層；工況1條件下盾構機掌子面全部穿越粉土層；工況2條件下掌子面只接觸黏土層。不同工況條件下地表沉降曲線如圖9所示。

由圖9可知，能觀察出盾構機在不同工況條件下開挖時沉降曲線有顯著的差異。工況1在穿越粉土層條件下，地表沉降量最小；工況2在穿越黏土層條件下，地表沉降量最大。這是由于黏土屬于較軟土質，軟土具有高壓縮性，故在黏土層中開挖地表沉降量較大。工況1、工況2和原工況進行對比，盾構穿越粉土層時，最大沉降值比原工況下降了26.6%，盾構穿越黏土層時，最大沉降值增加了23.8%。在地表橫向斷面的兩側，工況2的沉降量比原工況沉降量小，可能是原工況盾構掘進面土層軟硬不均，土層密實度不夠，黏土層較松散，在相同的掌子面壓力下，可能造成土層排土過多，導致地表沉降量增大。

圖9 不同工況條件下地表沉降曲線

3.5 原工況條件下聯絡通道結構位移分析

開挖完成后隧道聯絡通道豎向位移如圖10所示，聯絡通道上頂部由于沒有及時的支撐作用而出現較大的坍塌沉降，最大沉降達到了51.07mm；底面則因失去原上覆土壓力或襯砌背后回填不夠密實、沒有及時注漿而出現較大的隆起現象，隆起值達到了24.09mm。

圖10 隧道結構豎向位移云圖

4 現場施工監測結果及分析

4.1 聯絡通道橫向地表沉降

現場施工的影響主要分為4個階段，分別為主隧道開洞前、主隧道開洞后、開挖至聯絡通道中間和聯絡通道施工結束。將上述4個階段分別計為S-1，S-2，S-3和S-4。橫向監測斷面H-1，H-2，H-3，3組橫向監測斷面在不同施工步驟條件下地表沉降曲線如圖11所示。由圖11可知：3組監測斷面規律相似，隨著聯絡通道開挖，地表沉降逐漸增大，在S-2階段盾構機切削主隧道管片時，土體發生明顯沉降，在聯絡通道正上方的監測點更為明顯，總體表現為正上方影響最大，影響幅度隨著與聯絡通道距離增大而減小。

圖11 橫向監測斷面沉降曲線

4.2 聯絡通道縱向地表沉降

現取3組縱向監測斷面Z-1，Z-2和Z-3現場數據，繪制如圖12所示縱斷面沉降曲線。通過對比可知，接近聯絡通道的監測點Z-3，所在土體受盾構機掘進擾動程度越大，土體引起的沉降也越大。在聯絡通道主隧道開洞前階段, 地層有少量沉降, 在主隧道開洞后階段地層有較明顯的下沉，但隨后的注漿又能在一定程度上抑制沉降。聯絡通道由左側開挖至右側，隨著盾構機掘進，地表沉降值在不斷增加，最大值出現在靠近右側端主隧道。

圖12 縱向監測斷面沉降曲線

4.3 主隧道拱底沉降

機械法聯絡通道在施工過程當中，必然會對主隧道產生擾動影響，其中最關心的是主隧道結構的沉降影響。本文通過監測數據，系統分析聯絡通道施工對主隧道沉降影響。以右行線主隧道為例，測得拱底沉降如圖13所示。由圖13可知，聯絡通道開挖環主隧道附近出現明顯沉降。隨著聯絡通道的掘進，既有隧道會有輕微上浮，可能是由于小盾構機對主隧道特殊管片部位進行破洞時，對主隧道產生了一定的擾動，抑或在破洞過程中進行同步注漿時，主隧道管片易受到漿液浮力和注漿壓力的影響，故在破洞過程中必須對主隧道進行加固處理，如增加內支撐結構等。隨著盾構機繼續推進(尚未穿越聯絡通道中心)，主隧道拱底沉降逐漸增大，沉降最大值在靠近主隧道開洞處的監測點。主隧道T接部位開挖環附近出現明顯沉降, 而遠離主隧道T接部位開挖環的主隧道拱底有隆升趨勢。當聯絡通道施工完成后，測點沉降量趨于穩定，沉降曲線趨于平穩。

圖13 右線主隧道拱底沉降時程曲線

4.4 凈空收斂

聯絡通道開挖過程中對主隧道右行線的凈空收斂變化曲線如圖14所示。從收斂變化曲線可知，主隧道的收斂變化范圍隨著聯絡通道的開挖發生上下波動的情況，波動值不大且保持在可控范圍內。因此機械法聯絡通道開挖對主隧道凈空收斂值的影響并不大，可忽略不計。

圖14 右線主隧道凈空收斂變化曲線

5 結語

1)Peck沉降公式曲線與擬合后現場數據較為接近，故可依據Peck沉降公式較準確預測出機械法聯絡通道地表沉降曲線，預測類似機械法聯絡通道施工的影響。

2)不同埋深的聯絡通道采用機械法施工時，對地表沉降最大值有較大的影響。聯絡通道埋深越大，機械法開挖對地表影響越小。表明機械法聯絡通道施工過程中對周圍土體的擾動影響，以及對地表的影響隨著聯絡通道埋深的增大而逐漸減小。

3) 聯絡通道開挖結束后，聯絡通道頂部出現較大的沉降，最大沉降達到了51.07mm，而底部出現較大的隆起,最大隆起值達到了24.09mm，施工過程中需要及時采取有效的聯絡通道加固措施。

4) 聯絡通道橫向監測斷面沉降規律曲線表現為越靠近聯絡通道附近，沉降值越大；聯絡通道縱向監測斷面，右線區間沉降比左線區間沉降要大。