雙線小半徑隧道盾構掘進土體位移的影響分析

劉亞輝，錢勁松，王亞飛，黃運生，王 磊

(1.中鐵隧道局集團有限公司路橋工程有限公司，天津 300308； 2.安徽建筑大學a.建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室,b.安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心，合肥 230601)

引 言

經濟的快速發展帶動了城市化的進程。出行方式越來越多，交通擁擠愈加劇烈，而地鐵在解決擁擠問題中起到的作用功不可沒[1-3]。盾構法是地鐵施工中最常見的方法，在國內外地鐵建設中得到廣泛應用，而盾構施工過程中產生的相應位移不容忽視。盾構施工過程中，土體被開挖使得原來的平衡狀態被打破，地層缺失后應力重新分布[4-5]，地表土體產生不均勻沉降，從而影響地表建筑的安全，因此盾構過程中沉降的研究就尤為重要。只有做好沉降的預測，提前做好支護加固措施，才能讓施工安全有序地進行下去[6-8]。

目前，國內外學者對于直線隧道盾構引起周圍土體位移的研究比較成熟。潘茁等[9-10]、邱明明等[11]通過現場監測、理論計算和數值模擬計算，對3種方法獲得的結果進行研究，總結歸納出了盾構施工引起的土體位移特征。馮慧君等[12]基于FLAC3D仿真計算軟件對區間隧道掘進過程進行模擬，系統分析了盾構掘進過程中地表沉降的影響因素。對于盾構小半徑曲線隧道的研究，劉棟[13]、安斌等[14]結合實際工程施工案例，從掘進參數等方面進行系統分析，探討了小半徑隧道施工過程中地表沉降過大、盾構姿態難控制等問題。郭志等[15]、司玉迪[16]通過對隧道施工掘進過程中的掘進參數和施工數據進行分析，驗證了青島地區小曲線半徑隧道施工雙護盾TBM 選型的正確性和適用性。孫捷城等[17]基于Mindlin 解，推導開挖面不均勻所引起的地表變形公式，并結合工程實例進行驗證，探討了不平衡力差異系數及曲率半徑對地表變形的影響規律。呂濤等[18]、潘弘等[19]對小半徑隧道盾構施工期間地表沉降位移變形進行現場監測試驗，分析了小半徑盾構隧道土體擾動效應的特征和盾構施工引起的土體擾動規律。謝鐵軍等[20]根據工程實際，通過對比現場監測數據、公式計算結果和數值模擬結果，對土體橫向和縱向變形規律進行了研究。

綜上所述，地鐵施工常遇到彎曲隧道盾構施工，小半徑掘進易出現超挖、地層損失和地表沉降大等現象，因此，小半徑隧道施工引起的土體位移規律仍需深入研究。本文以合肥地鐵四號線翠柏路—天水路站區間隧道為研究背景，采用數值模擬軟件FLAC3D對小半徑彎曲隧道盾構施工進行模擬，研究不同工況下的土體位移，確定小半徑盾構隧道地表和拱底最大位移的位置和影響范圍，為后期施工提供指導意見，同時為類似工程提供參考。

1 工程概況

合肥地鐵四號線翠柏路站—天水路站區間線路平面呈“S”型，平面圖如圖1所示。左右線間距為10～16.72 m，隧道覆土厚度為8.06～20.86 m；區間線路出翠柏路站后以半徑為350 m 平曲線盾構向前推進，此小半徑長度為505 m，隧道凈距為8～9 m，覆土厚度為14.60～16.31 m，隧道采用單層裝配式襯砌結構，襯砌圓環內徑為5.4 m，外徑D為6.0 m。土層由上至下依次為雜填土、粘土、粉質黏土和砂質泥巖，盾構隧道穿越土層為粉質黏土。本區間屬于水文地質Ⅳ單元，地下水類型為上層滯水、基巖裂隙水，其中上層滯水主要賦存于人工填土中，受大氣降水補給，水量微弱，基巖裂隙水主要賦存于靠近基巖面的粉質黏土、全風化砂質泥巖、強風化砂質泥巖中，具有承壓性，其富水性為貧乏。地層的物理力學具體參數見表1。

圖1 翠柏路站—天水路站平面圖

表1 土層物理力學參數

2 模型建立

2.1 計算模型

由于實際小半徑隧道長度有505 m，因此取部分隧道進行模擬。此工程實際為小半徑（R=350 m）的彎曲隧道，從左線向右線彎曲，因此，為了避免計算模型的邊界效應并保證計算結果的準確性和精準度，根據圣維南原理，數值模擬計算的邊界取隧道外徑的3～5 倍，模型左邊界距左線隧道中軸線的距離取5D（30 m），模型右邊界距右線隧道中軸線的距離取5D（30 m），模型底部邊界距隧道拱底的距離取19 m，模型寬度方向取60 m，左線隧道與右線隧道凈距為8 m，最終建立了80 m×60 m×40 m（X×Y×Z）的三維模型，共劃分217 699 個單元，200 406 個節點，計算模型如圖2(a)所示，小半徑隧道如圖2(b)所示。

圖2 小半徑隧道計算模型及其示意圖

模型頂部為自由面，底部限制水平和豎直方向的位移，4 個側面均限制水平方向的位移。土體本構采用摩爾-庫倫模型。由于地下水位埋深較大，富水性貧乏，故模擬不考慮地下水的影響。

隧道管片采用C50 混凝土，襯砌管片采用shell殼結構單元模型。為了簡化模型，假設混凝土管片保持彈性且與接觸土體剛性連接；實際管線是由許多較短的管片拼接而成，本模型中管線模型連續建模，不考慮管線之間的接頭影響。管片的具體參數見表2。

表2 管片物理力學參數

2.2 模擬的步驟

模型中左右線隧道同時開挖，具體模擬步驟如下：

（1）建立三維模型，計算土體自重應力下的豎向應力場；

（2）得到土體的初始應力場后，土體位移賦值為0，為后面的開挖做好準備；

（3）采用空模型（NULL）進行分步開挖，每步向前掘進1.5 m，即為一個管片的寬度，分步計算開挖后引起的土體位移，土體開挖后隨即進行初襯管片支護；

（4）利用fish 語言對步驟（3）進行循環，直到開挖完成，模擬過程結束。

3 計算結果分析

3.1 盾構開挖引起地表位移分析

不同掘進距離情況下，不同截面地表沉降如圖3 所示。圖3（a）所示為掘進距離達到12 m 時Y=6 m截面處的位移云圖及地表沉降曲線，沉降在兩隧道中心線（X=37 m）處達到最大值5.67 mm；圖3（b）所示為掘進距離達到18 m 時Y=12 m 截面處的位移云圖及地表沉降曲線，沉降在兩隧道中心線略偏右處（X=38 m）達到最大值5.92 mm；圖3（c）所示為掘進距離達到54 m 時Y=48 m 截面處的位移云圖及地表沉降曲線，沉降在兩隧道中心線偏右處（X=40 m）達到最大值6.19 mm；圖3（d）所示為掘進距離達到60 m時Y=54 m截面處的位移云圖及地表沉降曲線，沉降在兩隧道中心線偏右處（X=41 m）達到最大值8.58 mm。由圖3 可知，不同掘進距離下，對應的截面地表沉降曲線形狀相似，都類似于“V”型，沉降值兩邊小中間大，另外，隨著掘進距離的增大，地表最大沉降值逐漸增大，且地表位移峰值點由雙隧中線處向右移動，這是因為隧道開挖軸線向右彎曲，導致右側地層損失較左側多。

圖3 不同掘進距離截面處的地表沉降

圖4 所示為開挖完成后沿隧道左、右線及雙隧中線處地表沉降曲線圖。圖4 中可見，隨著隧道進尺距離的增加，隧道左線地表位移以同一變化率逐漸減小，隧道右線地表位移先減小，進尺距離達到22 m 后，地表沉降再逐漸增大，雙隧道中線地表位移先逐漸減小，掘進距離達到42 m 后，地表沉降再逐漸增加。左線隧道地表沉降較右線隧道小，且兩隧道的起始端地表沉降很接近，而后差距越來越大，地表最大沉降位置隨著隧道進尺的變化，由雙隧中線向右側逐漸移動，當隧道進尺距離達到45 m后，地表沉降最大值出現在隧道右線附近。

圖4 盾構完成隧道左、右線及雙隧中線地表沉降

3.2 地表位移隨掘進距離變化分析

不同盾構掘進距離Y=0 m截面處的土體位移如圖5 所示，不同掘進距離下Y=0 m 截面處的地表豎向位移如圖6所示。由圖5～6可見，Y=0 m 截面處的上地表沉降曲線形狀類似“V”型，兩邊小中間大，在距雙線隧道中心線的距離達到30 m 后，盾構施工對Y=0 m 截面處的地表沉降的影響可以忽略不計，即掘進對地表沉降的影響范圍是距中心線30 m 內，大約為隧道外徑的5倍。掘進進尺為6、12、18、24、30、36、42、48、54 m 與60 m 時，對應Y=0 m 截面處的地表最大沉降值分別為6.42、7.66、8.27、8.56、8.73、8.81、8.85、8.86、8.87 mm 與8.89 mm，隨著盾構進尺距離的不斷加大，Y=0 m 截面處的地表沉降逐漸增大，當掘進到60 m時，Y=0 m截面處的地表沉降達到最大值8.89 mm，且最大值均出現在雙線隧道中心線處。掘進距離由6 m 掘進至18 m 時，Y=0 m 截面處的地表沉降值由6.42 mm 增大至8.27 mm，地表沉降變化較為顯著；而掘進距離達到36 m 后，隨著掘進距離的增加地表沉降的變化較小，說明管片支護對控制土體變形具有良好的效果。

圖5 不同盾構掘進距離時的截面土體位移

圖6 不同掘進距離Y=0 m截面處的地表豎向位移

3.3 拱底位移隨掘進距離變化分析

不同掘進距離下Y=0 m截面處的拱底位移曲線如圖7 所示。圖7 可見，拱底位移變化曲線呈現“M裙邊”型，“M”曲線為隆起曲線，“裙邊”曲線為沉降曲線。在兩隧道中心線的兩側，隨著距離的增加，拱底隆起值呈現出先增大后減小的變化趨勢，隆起峰值出現在兩隧道的拱底處；而距離達到15 m 時，隆起值為0，即隆起的范圍為距離中心線15 m內，大約為隧道外徑的2.5 倍。隨著掘進距離的增大，拱底的隆起逐漸減小，“裙邊”沉降逐漸增加；掘進距離為6 m時出現隆起最大值9.20 mm，掘進距離60 m時“裙邊”出現沉降最大值1.22 mm，掘進距離由6 m掘進至24 m，拱底隆起由9.20 mm 減小至7.80 mm；拱底隆起變化較為顯著，掘進距離達到30 m 后，盾構開挖對拱底隆起的影響較小，但對地面沉降仍有一定的影響。

圖7 不同掘進距離下拱底位移圖

4 現場實測

為了實時監測隧道開挖引起的地表沉降，在左、右線隧道的上方布置了18 個地表沉降監測點，按照中間密兩邊稀的原則，DBC1 和DBC18 距離雙線隧道中心線29.5 m，監測點DBC1～DBC18 布置如圖8所示。

圖8 監測點布置圖

將現場實測Y=0 m截面處地表沉降值與數值模擬掘進6 m 和掘進60 m 進行比較，得到結果如圖9所示。圖9 可見，實測曲線與數值模擬曲線地表沉降變化趨勢基本相同，實測結果比數值計算結果略微偏小，這是因為數值計算沒有考慮盾構構架對土體的支撐作用。由圖9 可知，數值計算結果與實測結果相近且偏于安全，本文結果可以為類似工程地表沉降提供參考。

圖9 地表沉降數值模擬與實測數據對比

5 結 論

以合肥地鐵四號線翠柏路—天水路站區間隧道為工程背景，運用數值模擬軟件FLAC3D進行數值模擬計算，并與原位實測進行對比，研究不同工況下雙線小半徑盾構開挖引起的地表沉降和拱底位移，得到以下結論：

（1）不同掘進距離下對應的截面地表沉降曲線形狀都類似于“V”型，兩邊小中間大；另外，隨著掘進距離的增大地表最大沉降值逐漸增大，并且地表位移峰值點由雙隧中線處向右移動，這是因為隧道開挖軸線向右彎曲，導致右側地層損失較左側多。

（2）盾構掘進對地表沉降的影響范圍大約為隧道半徑的5倍。盾構掘進初期地表沉降變化較為顯著，而后隨著掘進距離的增加地表沉降的變化較小，說明管片支護對控制土體變形具有良好的效果。

（3）拱底位移變化曲線呈現“M 裙邊”型，“M”曲線為隆起曲線，“裙邊”曲線為沉降曲線。在兩隧道中心線的兩側，隨著距離的增加，拱底隆起值呈現出先增大后減小的變化趨勢，隆起峰值出現在兩隧道的拱底處；隨著掘進距離的增大，拱底的隆起逐漸減小，“裙邊”沉降逐漸增加。