盾構隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響

張 翾，呂竟銘，王禮華，馮春蕾，史豪杰

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

城市建設的飛速發展使得中心地帶的交通變得日益擁堵，地下軌道交通網絡的發展成為解決這一問題的最佳途徑[1]。隨著大量地鐵線路的修建，城市發展進程中不可避免地出現大量鄰近在建隧道的工程施工，尤其是近年來新出現的明挖公路隧道與城市地鐵隧道同期施工的工程案例，而鄰近工程的施工建設必然會引起在建隧道圍巖和結構應力狀態的改變，尤其是在隧道結構存在如空洞、厚度不足、滲漏水等結構病害情況下，將會直接威脅其安全與正常使用，嚴重時甚至會造成人員傷亡及財產損失[2-4]。

許多學者對隧道鄰近工程施工開展了相關的研究工作。吳蘭婷等[5]對“先基坑后盾構、先盾構后基坑”等各種不同的工況進行分析計算，并得出明挖基坑與盾構隧道相互影響作用范圍、大小。杜東閣[6]分析了鄰近隧道的深基坑開挖過程中支護結構變形、內力及所受土壓力的變化等規律。高書通[7]對4線交疊并行盾構隧道進行模擬，分析了上方和側方隧道動態掘進過程中，下方既有隧道管片變形的規律。姚愛軍等[8]研究了隔離樁在基坑開挖卸荷加載作用下對鄰域既有地鐵隧道的隔離保護效果。鄭剛等[9]對基坑施工對坑外既有隧道變形影響規律進行了參數分析，結合不同規范變形控制標準，劃分了不同圍護結構變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區。左殿軍等[10-12]研究了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。孫慶等[13]分析在基坑底板澆注完成的情況下，盾構施工對基坑底板沉降及內力的影響。姚捷等[14]在剛度遷移原理的基礎上，提出求解各施工步影響的沉降差值法，由單步增量求得相鄰線路盾構施工對既有隧道影響全量。方勇等[15]考慮了盾構機與管片襯砌相互作用，分析得到了新隧道動態掘進時既有隧道位移、變形和內力的變化規律。綜上所述，現有的研究多集中于鄰近工程施工對已建隧道的影響分析,鮮有針對盾構隧道施工對在建明挖公路隧道結構變形影響的研究。明挖公路隧道斷面尺寸通常較大，盾構隧道與明挖公路隧道同期施工相互影響顯著，尤其是當盾構隧道鄰近在建明挖隧道施工時影響機制尚不清楚。因此，開展盾構隧道鄰近施工引起的在建明挖公路隧道變形規律研究十分必要。

本研究以深圳市公常路地鐵區間隧道為研究背景，運用有限差分數值模擬方法，研究盾構隧道不同位置施工對在建明挖隧道的圍護結構及周邊土體變形影響，揭示盾構隧道鄰近施工引起的在建明挖公路隧道結構變形規律，以期為類似工程的設計與施工提供借鑒和指導。

1 工程背景

深圳市公常路明挖公路隧道鄰接深圳市地鐵6號線支線，二者在延伸方向近似平行，現均處于在建狀態，且公路隧道先于地鐵工程施工。公路隧道采用明挖工法，為雙向6車道公路隧道，隧道斷面寬為29.0 m，高10.1 m，主體結構頂板厚1 300 mm，底板厚1 300 mm，側墻厚1 200 mm。地鐵6號線支線采用盾構法施工，盾構隧道外徑為6.7 m，管片厚350 mm。通過綜合考慮明挖公路隧道及盾構隧道設計施工等資料，選取圖1所示剖面作為關鍵斷面進行研究。為評估該斷面不同位置關系明挖隧道與盾構隧道協同施工的影響情況，選取明挖隧道施作底板后，盾構隧道從右方鄰側施工進行數值分析。

圖1 工程截面(單位:m)Fig.1 Cross-section of project(unit:m)

2 數值模擬方案

2.1 模型建立及參數選取

為評估盾構隧道施工對在建明挖公路隧道的影響，采用有限差分軟件FLAC3D進行明挖隧道與盾構隧道施工過程模擬計算。為盡量消除模型邊界效應對模擬結果的影響，土體模型尺寸豎向共取80 m，橫向取206.7 m，建立數值模型如圖2所示。模型前后左右為水平約束，底面為豎直約束，地表為自由邊界。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

鄭剛等[16]和趙宇松等[17]通過模型試驗得出結論：Plastic-Hardening模型能夠更為精確合理地反映實際工程及試驗中巖土體狀態的真實變化情況，能夠更加合理預測基坑開挖或隧道施工所引起的土體變形。因此，本研究模型中土體采用FLAC3D中的Plastic-Hardening模型[18]進行模擬。土層分布簡化情況及土體物理力學參數見表1，其中土體物理力學參數為室內土工試驗及參照以往研究經驗綜合選取。模型中盾構隧道管片、地連墻、明挖隧道主體結構均采用線彈性混凝土材料進行模擬，彈性模量取33 GPa，泊松比取0.2。

表1 土體物理力學指標Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

2.2 計算方案設計

綜合考慮明挖隧道埋深、周邊環境發生變形或破壞的可能性等因素，明挖隧道所選斷面其工程風險評估等級為一級。為確保明挖隧道及鄰近盾構隧道的施工安全，為同類工程提供一定的參考，本研究通過控制盾構隧道與明挖公路隧道不同的平面位置關系，共設置24組工況。H為選取斷面明挖隧道的開挖深度，本研究取18 m。數值模擬工況如圖3所示。

圖3 數值模擬工況示意圖Fig.3 Schematic diagram of numerical simulation conditions

模型計算過程中考慮了明挖公路隧道的實際施工工序，共分為8個計算步驟，為探究盾構隧道鄰側施工對在建明挖公路隧道的最不利影響，當明挖隧道施工至第5步——明挖隧道底板澆注完成后，模擬盾構隧道在其同斷面右側通過。

3 數值模擬結果分析

3.1 計算結果與實測結果對比

為了驗證數值模擬的可行性，選擇典型部位的圍護結構水平位移和地表沉降測點，將計算結果與實測結果進行對比。盾構隧道鄰接明挖公路隧道施工前后，某一典型測點圍護結構水平位移結果的對比如圖4所示。其中階段1表示明挖隧道底板施工完成，盾構隧道在該斷面尚未穿過。階段2表示明挖隧道底板施工完成，盾構隧道在從該斷面右側通過。圖中負值表示地連墻變形方向朝向明挖隧道內側。

圖4 截面尺寸Fig.4 Section dimensions

明挖隧道底板施做完成后，地連墻整體朝向明挖隧道內側水平移動，呈中間大，從中間向頂部與底部逐漸減小的特點。其中地連墻在隧道鄰側通過前最大實測水平變形值為22.59 mm，盾構隧道鄰側通過后地連墻最大實測水平位移仍出現在地連墻中部位置處，最大值為28.64 mm，增加了6.05 mm。數值模擬計算值與實測值在階段1與階段2的變形趨勢基本吻合，且數值模擬結果較實測結果偏大，但在地面附近變形值略小于實測值，考慮到現場施工場地工程車輛荷載等擾動作用，可認為模擬結果與實測結果變形規律較為吻合。

盾構隧道從在建公路隧道右側鄰接施工完成后，因其開挖卸荷作用，明挖隧道同側地表沉降增加。階段1與階段2明挖隧道右側地表沉降值變化如表2所示。SDB31-1，SDB31-2，SDB31-3代表距離右側圍護結構邊緣水平距離分別為2，5，10 m的地表沉降監測點。對比分析結果顯示，地表沉降計算值與實測值變形趨勢較為一致。各測點實測值均稍小于模擬計算值，當測點SDB31-2處于階段2時，地表沉降數值模擬值與實測值相差最大為5.7 mm，相差幅度為21.5%。

表2 地表沉降計算值與實測值比較Tab.2 Comparison between calculated and measured surface settlement values

實測結果與數值模擬計算結果對比表明，塑性硬化模型能夠較好模擬明挖隧道及盾構隧道施工過程的變形情況，文中所選取的參數較為合理。本研究將在此基礎上，進一步探究盾構隧道不同位置施工對在建明挖隧道的圍護結構及周邊土體的變形影響。

3.2 不同間距和埋深條件下的影響規律

3.2.1 不同間距條件下的影響規律

(1)不同間距條件下地表沉降

盾構隧道鄰側通過在建明挖隧道后，各工況下明挖隧道右側(盾構隧道同側)地表沉降曲線如圖5所示。盾構隧道相同埋深時地表最大沉降值變化曲線如圖6所示。為使得敘述更加簡便，本小節及后文中，用字母“L”表示盾構隧道中心距離明挖隧道圍護結構的水平距離。

圖5 不同間距條件下地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curves under different spacing conditions

圖6 不同間距條件下地表最大沉降值變化曲線Fig.6 Variation curves of maximum surface settlement under different spacing conditions

當盾構隧道埋深為9 m，18 m時，隨著L逐漸增大，最大地表沉降值逐漸減小，且減小速率逐漸降低。當盾構隧道埋深為27 m，36 m時，隨著L逐漸增大，最大地表沉降值呈線性逐漸減小。盾構隧道埋深為9 m時，在工況1地表取得最大沉降值，其值為58.59 mm，維護結構右側地表出現不規則的沉降槽。當L取值在6～12 m，地表沉降槽為單峰，隨著L逐漸增大，沉降槽深度減小，寬度增加，且最大峰值向右逐漸偏移；當L取值在18～36 m時，地表沉降槽為雙峰，隨著L逐漸增大，沉降槽最大峰值向右逐漸偏移，且始終與盾構隧道中心軸線處近似重合。文獻[19]通過理論推導和實測數據分析，得到當雙線隧道近距離施工時引起的地表沉降呈“U”型，而當雙線隧道遠距離施工時引起的地表沉降呈“W”型的結論，與本研究結果一致。沉降槽呈現出單峰和雙峰的特征與雙線盾構隧道的間距密切相關。這是由雙線隧道施工疊加效應導致的，當雙線隧道近距離施工時兩者互相影響嚴重，一條隧道施工處于另一條影響范圍之內，導致較大的疊加地表沉降，最終形成單峰型地表沉降結果；當雙線隧道遠距離施工時兩者互相影響較弱，而造成雙峰型地表沉降結果。

盾構隧道埋深為18，27，36 m時，相應埋深工況地表最大沉降值分別為41.30，27.15，24.23 mm。隨著L取值不斷增大，地表沉降槽峰值位置較為穩定，均位于距離圍護結構水平距離7～9 m處。

(2)不同間距條件下圍護結構水平位移

各工況下明挖隧道右側圍護結構水平位移曲線如圖7所示，盾構隧道相同埋深時圍護結構最大水平位值變化曲線如圖8所示。負值表示圍護結構水平位移方向朝向明挖隧道內側。

圖7 圍護結構水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of enclosure structure

圖8 圍護結構最大水平位移值變化曲線Fig.8 Variation curves of maximum horizontal displacement of enclosure structure

各工況下盾構隧道鄰側通過在建明挖隧道后，圍護結構總體朝向明挖隧道內側偏移，盾構隧道埋深一定時，L越大，圍護結構產生的水平位移增量越小，說明隨著盾構隧道距離在建明挖隧道距離越遠，對其圍護結構的擾動作用逐漸減弱。當盾構隧道埋深分別為9，18，27，36 m時，圍護結構水平位移的最大峰值均出現在L等于6 m時，分別為38.76，40.08，29.87，26.57 mm。盾構隧道埋深等于36 m時，對應工況下圍護結構變形曲線基本重合，圍護結構最大水平位移值變化趨于穩定，可以認為盾構隧道埋深超過該深度范圍，施工對于在建明挖隧道圍護結構水平位移的影響可忽略不計。

3.2.2 不同埋深條件下的影響規律

(1)不同埋深條件下地表沉降

當水平間距L相等時，各工況下明挖隧道右側地表沉降曲線如圖9所示。地表最大沉降值的變化曲線如圖10所示。當L在不同工況中分別取固定值時，隨著盾構隧道埋深增加，地表最大沉降值逐漸減小，且減小速率不斷降低，表明盾構隧道鄰側通過明挖隧道，地表最大附加沉降值隨盾構隧道埋深增加不斷衰減。

圖9 不同埋深條件下地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves under different burial depth conditions

圖10 不同埋深條件下地表最大沉降值變化曲線Fig.10 Variation curves of maximum surface settlement under different burial depth conditions

L取值范圍在6～24 m范圍內且分別為定值時，隨著盾構隧道埋深增加，維護結構右側地表沉降槽的寬度及深度均呈現不同程度減小，盾構埋深由9 m增加至18 m時減小幅度最為明顯，由18 m增加至27 m時次之。當L取值等于36 m時，地表沉降曲線以圖9(f)中所示虛線為界分為左右兩個部分，分界線左側各工況地表沉降曲線近似重合，幾乎不受盾構隧道埋深的影響；分界線右側地表沉降曲線對稱性較好，與盾構隧道不同埋深單獨施工所產生的沉降槽有著較好的擬合性。由此可認為：當L的取值大于2倍明挖隧道開挖深度(36 m)時，盾構隧道側方施工對在建明挖隧道地表沉降的擾動作用幾乎可以忽略；當盾構隧道埋深為36 m時，地表最大沉降值隨L變化趨于穩定，L由6 m增加至36 m，最大地表沉降值由24.23 mm減少到21.04 mm。

(2)不同埋深條件下圍護結構水平位移

L相等時，各工況明挖隧道右側圍護結構水平位移曲線如圖11所示。L取值為6 m時，隨著盾構隧道埋深增加，圍護結構最大水平位移值先增大后減小，當盾構隧道埋深為18 m時取得最大值40.08 mm。L取值分別為9，12，18，24 m時，隨著盾構隧道的埋深增加，圍護結構最大水平位移值不斷減小，且在不同埋深梯度范圍變化速率相差較大，其中當盾構隧道埋深由18 m增加至27 m時，圍護結構最大水平位移值減小速率最大。當L增加至36 m時，各埋深工況下圍護結構變形曲線基本重合，圍護結構所產生的水平位移增量均可忽略不計，可認為當L的取值范圍大于2倍明挖隧道的開挖深度時，盾構隧道側方施工對在建明挖隧道圍護結構的擾動作用可以忽略。

4 結論

本研究以深圳市公常路盾構區間隧道近接明挖公路隧道施工為研究背景，利用FLAC3D進行數值模擬分析，研究盾構隧道不同位置施工對在建明挖隧道的圍護結構及周邊土體變形影響。主要得到如下結論：

(1)盾構隧道埋深一定時，隨著水平間距逐漸增加，最大地表沉降值和圍護結構最大水平變形值逐漸減小。當水平間距的取值大于2倍明挖隧道開挖深度時，該地層環境下盾構隧道側方施工對在建明挖隧道地表沉降以及圍護結構的擾動作用幾乎可以忽略。

圖11 圍護結構水平位移曲線Fig. 11 Horizontal displacement curves of enclosure structure

(2)水平間距一定時，隨著盾構隧道埋深增加，地表最大沉降值逐漸減小。圍護結構整體朝向明挖隧道內側偏移，其最大峰值出現在不同埋深處。當盾構隧道埋深超過36 m時，對應工況下圍護結構變形曲線與地表沉降曲線基本重合。

(3)水平間距或盾構隧道埋深值大于2倍明挖隧道開挖深度范圍時，盾構隧道鄰側施工對在建明挖隧道的影響微弱，后續研究建議選取適當的變形控制標準，提出盾構隧道鄰側施工對在建明挖隧道變形影響區劃分，從而在同類工程施工前對可產生的影響進行評估。