盾構隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響

馬登肅

（甘肅公航旅通定高速公路管理有限公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

在山嶺重丘區高速公路隧道工程建設中，會存在明挖公路隧道臨近盾構隧道同時施工的現象。盾構隧道施工是在地層中掘進隧道的一種施工方法，具有技術成熟、設備先進、施工方便等特點，但在臨近明挖公路隧道工程實施盾構隧道施工時，由于開挖面積大、擾動因素多且對周圍環境影響嚴重，使明挖公路隧道出現不同程度的變形情況，嚴重危害工程施工質量及安全性[1]。為此，積極探索盾構隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響，并提出科學防范措施，具有非常鮮明的現實意義[2]。以某山嶺重丘區在建高速公路隧道工程建設為背景，應用有限差分數值模擬方法，研究了盾構隧道不同位置施工對在建明挖公路隧道圍護結構及周邊土體變形影響，揭示了盾構隧道施工引起的在建明挖公路隧道變形的規律，為同類型工程項目設計及施工，提供了有益參考與指導。

1 工程概況

某山嶺重丘區2 條在建高速公路隧道設計采用盾構施工法和明挖施工法同時進行。明挖公路隧道斷面寬28.5m，高10.1m，主體結構頂板厚1280mm，底板厚1280mm，側墻厚1200mm。盾構隧道外徑6.7m，管片厚360mm。結合工程斷面土層性質分析來看，該區域所處土層主要以含砂粉質黏土、粉質黏土、砂質黏土、風化混合花崗巖為主，增加了盾構隧道施工難度及斷面變形風險。

2 數值模擬方案

2.1 模型建立及參數選取

為準確評估盾構隧道不同位置施工對明挖公路隧道變形影響的情況，選取明挖公路隧道施作底板后，盾構隧道從右方鄰側施工進行數值分析。并采用FLAC3D 型有限差分軟件，進行明挖公路隧道與盾構隧道施工過程模擬計算。為最大限度地消除模型邊界對模擬結果的影響，土體模型豎向尺寸設定為80m，橫向取206.7m，建立數值模型。土層分布簡化情況及土體物理力學參數見表1。在數值模型中，盾構隧道管片、地連墻、明挖隧道主體結構均采用彈性混凝土進行模擬，彈性模量選取33GPa，泊松比取0.2。

表1 土體物理學指標

2.2 計算方案設計

綜合分析明挖公路隧道埋深、周邊環境變化等可能引起工程變形的因素，評估所選斷面風險等級為一級。為有效保證明挖公路隧道及臨近盾構隧道施工的安全性，通過對二者不同平面位置關系控制，共設計了24 組工況。H 代表選取斷面明挖公路隧道的開挖深度，取18m。數值模擬工況如圖1 所示。模型計算時，重點考慮明挖公路隧道實際施工工序，分8 個計算步驟，進行盾構隧道鄰側施工對在建明挖公路隧道的負性影響探究，當明挖公路隧道施工至底板澆筑完成后，模擬盾構隧道在其同斷面右側通過。

圖1 數值模擬工況示意圖

3 數值模擬結果分析

3.1 圍護結構側向位移對比分析

結果表明，1—7 段圍護結構水平位移變化趨勢基本一致，盾構隧道在下穿通過明挖公路隧道右側斷面時，圍護墻向外的水平向最大側向位移約為1.18mm，向內的最大側向位移約為0.23mm。在盾構隧道施工過程中，在建明挖公路隧道將受到影響。進一步研究發現，二者距離越近，對在建明挖公路隧道變形影響越大。

3.2 土體附加應力值對比

通過對比發現，盾構隧道施工過程中產生的附加應力主要由三部分組成：盾構開挖形成的擾動應力；土體壓縮變形引起的附加應力；圍護結構產生的側向位移引起的附加應力。其中，地表沉降變形會引起圍護結構側向位移和圍護墻側向位移，地表變形可分為水平和豎直兩個方向，豎向變形由側圍壓力導致。在水平方向受施工擾動時，土體發生了三向壓縮，其中圍護結構側向變形受開挖面側圍壓力影響。因此，隧道開挖造成的地表沉降在隧道開挖前就已發生但難以預測，這是在盾構隧道施工過程中存在一個較大擾動造成的。而地面沉降主要由地下水引起，與隧道開挖深度、距離土層深淺有關。因此，盾構隧道施工后的地面沉降變化將會影響臨近明挖公路隧道工程。

3.3 圍護墻沉降預測

隧道施工引起圍護墻沉降，將導致周邊土體變形，而周邊土體變形又影響隧道安全運營。因此，有必要對圍護墻進行預測，并合理地控制和預測其變形。根據上述模擬算法，可以得到圍護墻穩定狀態下，各時刻圍護墻頂部與底部位移值與相應時間呈正相關關系，且變化趨勢基本一致。因此，在隧道施工過程中，應該隨時監測圍護墻的沉降情況。若發現圍護墻頂部發生沉降或其他異常情況，需及時采取相應措施進行處理。

3.4 地表沉降分析

根據基坑周邊地表沉降監測結果分析可知，基坑施工過程中周圍地表沉降量較小且在施工過程中一直保持穩定狀態。在隧道開挖初期，因盾構機向前推進時，對周邊地表產生不均勻沉降較小。隨著掘進速度加快，圍護墻側向位移不斷增大，并最終導致圍護墻發生變形。開挖結束后，地表沉降量均有所減小，并最終趨于穩定狀態。隨著施工時間的延長及盾構機推進速度的加快，地表沉降量均呈緩慢增長趨勢。隨著管棚施工期和開挖后持續穩定期，地面沉降逐漸趨于平緩并最終趨于穩定狀態[3]。由上述分析可知：

其一，由于管棚埋設段和管棚施工期對周邊地面沉降影響較小并且其影響范圍均位于基坑開挖范圍內，故該工程中的基坑開挖對周圍地層變形影響甚微。其二，隨著開挖的持續進行及掘進速度加快，圍護墻側向位移逐漸增大并最終導致其發生變形。

3.5 地層沉降變形分析

考慮到盾構隧道施工引起的地表沉降變形主要集中在圍護結構區域內，故將其整體作為一個區域進行分析。隧道周邊的地表沉降由施工前的12.38mm逐漸增大至開挖結束后的4.47mm，其主要原因是該區間盾構隧道施工過程中將基坑開挖區域土體向隧道方向擠壓，導致了基坑外側土體擠密程度的增加。在盾構掘進后期，隨著管棚埋設段圍護墻側向位移逐漸增大，土體發生液化使得土層受到擠密，進一步加大了地表沉降速率[4]。在明挖段，由于土層擠密導致隧道變形受到一定限制，且管棚支護結構和盾構施工引起的地層沉降量在整個施工期間變化趨勢一致，其最大沉降值分別為4.45mm 和4.47mm。隨著地層沉降速率不斷減小，地面沉降也不斷減小，其中管棚埋設段的地表沉降量最大（1.44mm），管棚支護結構施工期及盾構施工后地面沉降量最小（分別為0.28mm、0.02mm），而當管棚支護出現嚴重損傷時，地表沉降量將會明顯增大。

4 臨近明挖公路隧道盾構隧道施工變形控制措施

為控制隧道施工中地面沉降問題，首先做好盾構機選型工作，確保其運行參數、盾構姿態等都具備較高的合理性；其次，對地面沉降及盾構通過后的沉降問題進行控制，確保明挖公路隧道施工不受其影響。

4.1 盾構機選型

結合項目現場地質情況、土層分析、已有成果（見表2），發現可適用于該隧道施工的盾構機只有兩種，即土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。單從地質狀況角度而言，在處理有害氣體、承壓水層及砂性土層施工方面，泥水平衡盾構優于土壓平衡盾構。綜合考慮項目工況條件、周邊環境等方面，該項目應優先考慮土壓平衡盾構。

表2 土壓盾構與泥水盾構綜合比較

4.2 地面初期沉降控制

在開展盾構隧道施工初期，沉降現象不太明顯。大量隧道工程盾構經驗數據表明，開挖面前10m 處，土層存在附加應力，隨著盾構隧道施工的推進，在開挖面前方5m 處，應力值僅為0.02MPa。為有效控制此時期地面沉降問題，選擇調整盾構隧道施工狀態，確保盾構隧道施工的連續性與均衡性，盡量縮短中途停機時間。

4.3 開挖面沉降控制

為達到開挖面沉降控制目的，需對土倉壓力進行動態化調整。設定值應經準確計算，確保其滿足土倉平衡土壓力控制標準，并動態調整螺旋機的出土量、推力、貫入量等，以達到實現土倉壓力穩定效果[5]。

4.3.1 土倉壓力的計算方法

土倉壓力的計算應以現場地質條件和埋深情況為基礎，將全覆土重理念引入理論土壓力計算。如遇黏性地層，計算時采取土體濕容重水土合算靜止土壓力的方式，兼顧地面附加應力值。計算公式如下：

式（1）中：P為理論土壓力（kPa）；K為靜止側壓力系數；y為濕容重（kg/m3）；h為隧道埋深（m）。

4.3.2 土壓動態化控制

在盾構掘進階段，嚴格控制螺旋輸送機工作狀態，確保其均勻出土，降低土壓波動范圍。在拼裝階段，應以施工進度為準，在每次停止掘進前，都創建相對較高的土壓值。如果因長時間停機造成土壓下降，可采取間歇推進憋土穩壓方式，經加壓維持土壓的穩定性。

4.3.3 盾構姿態控制

（1）滾動糾偏。為達到滾動糾偏目的，可使盾構刀盤反轉。盾構刀盤理論允許滾動偏差≤1.5°，當＞1.5°時，盾構機會發出警報，并通過切換刀盤滾動方向實現糾偏。

（2）豎向糾偏。豎向糾偏主要通過控制盾構機方向實現，施工人員結合自身工作經驗，應用千斤頂施加單側推力，使盾構機方向得到合理控制。當盾構機出現下俯現象時，應加大千斤頂的頂推力；當盾構機上仰時，應加大千斤頂的下推力，實現糾偏。

（3）水平糾偏。同豎向糾偏原理一致，當盾構機偏向左側時，用千斤頂施加向右推力，反之，則施加向左推力實現糾偏。

4.4 盾構通過后的沉降控制

在盾構通過后，地面沉降控制是全流程中最為重要的工作。因為在此階段，地面沉降發生概率最高，沉降量達到全過程總沉降的40%～45%。盾構通過后的沉降控制方式一般選擇同步注漿法，可有效降低盾尾空隙區域的地層變形概率，進而提升隧道的抗滲能力，確保其保持相對穩定狀態。

同步注漿效果與漿液性能密切相關，考慮到凝結時間，選擇惰性漿液最為合適，該漿液可享受到更加充足的同步注漿壓力。在單位時間內，實現后續多環傳壓和補壓，提升注漿效果，進一步降低隧道土體所產生的時效沉降量。結合施工需求，惰性漿液配比應照粉煤灰∶膨潤土∶消石灰∶砂∶水=15∶4∶4∶55∶17 方式進行調配。

5 結語

受設計方案及工期安排限制，高速公路盾構隧道、明挖公路隧道同時施工現象經常出現。雖然這一安排方式能有效節約施工時間，但同時施工會因二者彼此影響帶來變形風險。為此，積極探究盾構隧道施工對在建明挖公路隧道變形影響因素及規律，并提出科學有效的整改方案，對保障工程施工質量及施工安全具有非常重要的作用。以某同期施工的盾構隧道與明挖高速公路工程為例，應用FLAC3D 數值仿真法分析了盾構隧道不同位置施工對明挖公路隧道圍護結構及周邊土體變形的影響機理，提出科學有效的應對措施，為相關企業提供了有益參考與指導。