近距離交叉盾構(gòu)隧道力學(xué)行為研究

郭 俊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，四川成都610031)

為實(shí)現(xiàn)成都地鐵2號線與成灌快鐵在犀浦站的換乘功能要求，成都地鐵2號線二期工程(西延伸線)左、右線盾構(gòu)隧道在西區(qū)站～外語學(xué)校站區(qū)間近距離交叉換邊，交叉范圍內(nèi)兩隧道夾土體厚度最小僅4.1 m。在如此近距離交叉情況下，后建隧道在先建隧道擾動過的地層中施工，勢必會對先建隧道及夾土體產(chǎn)生影響，同時(shí)也會造成周邊地層二次變形。

本文采用數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合現(xiàn)場施工時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，研究了砂卵石地層中近距離交叉隧道施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、地層沉降的變化，以及后建隧道動態(tài)開挖對先建隧道變形的影響，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程背景

成都地鐵2號線二期工程(西延伸線)西區(qū)站～外語學(xué)校站區(qū)間左、右線盾構(gòu)隧道在里程YDK17+229.4～YDK17+489.4及ZDK17+255.3～ZDK17+487.5范圍內(nèi)交叉換邊，其中在里程YDK17+359.4處左右線隧道完全重疊。隧道交叉段空間關(guān)系如圖1、圖2所示。交叉段左線在上，右線在下，兩隧道夾土體厚度為4.1～5.7 m。交叉段左線隧道位于稍密～中密卵石土內(nèi)，右線隧道位于密實(shí)卵石土層內(nèi)，交叉段起點(diǎn)處上洞埋深8.9 m(1.48D，D為隧道外徑)，完全重疊段上洞埋深5.74 m(0.96D)。盾構(gòu)隧道管片外徑6.0 m，襯砌厚0.3 m，環(huán)寬1.5 m，采用C50混凝土預(yù)制而成。

圖1 交叉段隧道總平面

2 計(jì)算模型

圖2 交叉段隧道位置關(guān)系

計(jì)算采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行，地層采用基于Mohr－Coulomb準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，考慮到彈塑性分析不能模擬真實(shí)的時(shí)間效應(yīng)，假定土體開挖后襯砌被立即發(fā)揮作用，地層加固效果通過提高地層物理力學(xué)參數(shù)的方式模擬[1]。計(jì)算模型見圖3、圖4，為了更直觀，三維模型只繪出了一半。計(jì)算中采用的相關(guān)地層材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)詳勘資料[2]和相關(guān)規(guī)范取值，具體見表1。

圖3 二維計(jì)算模型

圖4 三維計(jì)算模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)已有研究成果和工程實(shí)際施工，開挖時(shí)采用“先下后上”的順序進(jìn)行[3]～[7]。計(jì)算初始地應(yīng)力后即依次開挖下洞和上洞;每步開挖3 m并立即施作襯砌和壁后注漿，單洞開挖完成需要14步，下洞開挖完成后按相同方法開挖上洞，整個(gè)計(jì)算過程共28個(gè)開挖步。為便于下文分析，從28個(gè)開挖步中選取4個(gè)工況:工況1時(shí)下洞開挖完成重疊段長的1/2，工況2時(shí)下洞貫通，工況3時(shí)上洞開挖完成重疊段長1/2，工況4時(shí)上洞貫通。

3 交叉隧道施工對先建隧道力學(xué)形態(tài)及周邊環(huán)境影響

交叉隧道施工時(shí)，由于后建隧道和先建隧道凈距小，后建隧道不可避免地會對先建隧道內(nèi)力產(chǎn)生影響，并對地層產(chǎn)生二次擾動。

3.1 地層沉降

如圖5所示，選取模型正中橫向斷面(垂直于隧道軸線平面)及縱向斷面(兩隧道軸線所在平面)作為考察斷面，考察隧道開挖引起的地層沉降。圖5(a)、圖5(b)分別為先建隧道、后建隧道貫通時(shí)考察斷面上的地層沉降等值線。從圖中可以看出，由兩條隧道開挖引起的地層沉隆形狀與單個(gè)隧道開挖總體相似，即在橫向平面內(nèi)，拱頂上方土體發(fā)生沉降，而拱底附近土體由于開挖卸載而向洞內(nèi)隆起，最大沉隆值分別產(chǎn)生于拱頂和拱底;縱向斷面中，盾構(gòu)后方的地層沉降大于盾構(gòu)前方地層沉降。值得注意的是，由于重疊隧道二次擾動，地層沉降曲線發(fā)生了重分布，不同位置的土體變化趨勢不同，后建隧道上部和先建隧道底部的地層沉隆明顯加大，兩隧道之間的夾土體地層在后建隧道開挖后出現(xiàn)了向上的地層位移，最值略有減小。如工況2時(shí)后建隧道拱頂位置的土體最大沉降只有約6 mm，工況4時(shí)后建隧道拱頂位置土體最大沉降約11 mm，與工況2相比增加了83%;工況2時(shí)先建隧道拱頂縱向沉降的最大值為14.80 mm;工況4時(shí)先建隧道拱頂縱向沉降的最大值為11.22 mm，減少了24%。

3.2 地表沉降

計(jì)算結(jié)果表明，重疊隧道施工引起的地表橫向沉降槽曲線形狀與單個(gè)隧道施工類似，均呈典型的正態(tài)曲線形狀，且離隧道中心越遠(yuǎn)，受到的影響越小，且隨著開挖的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定;而水平位置距離隧道中心較近的地表則受到較大影響。

圖5 地層沉降等值線

值得注意的是，雖然后建隧道施工導(dǎo)致最大沉降值顯著增大，但沉降槽的寬度并未有明顯變化。如圖6所示，地表沉降值最大值位于隧道拱頂正上方處地表，當(dāng)先建隧道貫通時(shí)(工況2)，地表最大沉降為4.93 mm，當(dāng)后建隧道貫通時(shí)(工況4)，地表最終沉降為8.96 mm，最大沉降值約增加了80%，但這兩種工況下的主要沉降影響寬度均為隧道中心線兩側(cè)各15 m左右，基本相同。

圖6 地表橫向沉降曲線

選取兩條隧道軸線所在豎向平面為研究對象，4種工況下隧道軸線上方地表縱向沉降曲線如圖7所示，圖中填充色塊為盾構(gòu)位置。計(jì)算結(jié)果表明，重疊隧道施工引起的地表縱向沉隆曲線形狀與單個(gè)隧道施工類似，盾構(gòu)掘進(jìn)對前方地表沉降的影響主要位于在刀盤前方約9 m的范圍內(nèi)，超過這一距離，地表沉降受到的影響較小。且盾構(gòu)后方的地表沉降大于盾構(gòu)前方地表沉降。

圖7 地表縱向沉降曲線

3.3 先建隧道拱頂?shù)貙游灰齐S掘進(jìn)變化

后建隧道掘進(jìn)時(shí)，由于土體卸載，下方先建隧道周邊地層產(chǎn)生變形，先建隧道出現(xiàn)向上位移的趨勢。為考察隧道掘進(jìn)過程中先建隧道的向上位移情況，可對下洞拱頂和拱腰的變形情況進(jìn)行研究?？紤]到建模時(shí)將模型簡化為僅在豎直方向重疊，則上洞掘進(jìn)引起下洞拱腰的變形規(guī)律會與實(shí)際情況有一定出入，故本研究中對后建隧道引起先建隧道拱腰側(cè)移的變化不予考慮，僅選取先建隧道縱向中點(diǎn)處拱頂節(jié)點(diǎn)作為觀測點(diǎn)，作出其沉降隨開挖步的變化曲線，如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步掘進(jìn)距離為3 m，第7時(shí)間步以及第21時(shí)間步時(shí)開挖掌子面位于觀測點(diǎn)下方。

從圖中可以看出，開挖先建隧道(圖中下洞)時(shí)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面距離觀測點(diǎn)所在斷面較遠(yuǎn)(大于9 m)時(shí)，觀測點(diǎn)基本不受影響;隨著掌子面逐漸靠近觀測點(diǎn)所在斷面，拱頂變形值逐漸增大;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面位于觀測點(diǎn)所在斷面時(shí)，變形尤為劇烈，一直持續(xù)到掌子面位于觀測點(diǎn)所在斷面前方6 m處之后，觀測點(diǎn)的變形才逐漸減緩。

開挖后建隧道(圖中上洞)時(shí)，由于荷載釋放，拱頂測點(diǎn)出現(xiàn)向上的位移，但是變化總量值較小，在盾構(gòu)機(jī)掌子面位于觀測點(diǎn)所在斷面前后9 m范圍內(nèi)時(shí)變化速度最為明顯。由圖8不難看出，后建隧道施工引發(fā)的先建隧道拱頂向上總位移只有1.4 mm左右，僅約先建隧道施工引發(fā)該點(diǎn)最大沉降值的10%。

圖8 先建隧道變形動態(tài)變化曲線

3.4 先建隧道內(nèi)力

取先建隧道縱向中點(diǎn)處的一環(huán)管片進(jìn)行研究。管片襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力和最大正負(fù)彎矩隨開挖步的動態(tài)變化如圖9所示。可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片襯砌的最大軸力和最大正負(fù)彎矩的變化規(guī)律類似，都是先逐步增大，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到最大值并保持該值不變，直至雙洞貫通。具體來講，管片彎矩在開挖掌子面后方7.5 m(5環(huán))時(shí)趨于穩(wěn)定(最大值分別為120 kN·m，－101 kN·m)，軸力在開挖掌子面后方15 m(10環(huán))時(shí)趨于穩(wěn)定(有小幅波動，最大值為1 016 kN)。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

作為區(qū)間隧道施工的重難點(diǎn)段，為確保安全，在地表布置了監(jiān)測點(diǎn)，用以監(jiān)測盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉隆，地表沉隆監(jiān)測點(diǎn)分別沿左右線隧道以5 m間距布置，如圖10所示。作為對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)，此處給出了沿隧道縱向的地表沉隆曲線和完全重疊處地表沉隆隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程的動態(tài)變化曲線，如圖11、圖12所示。

圖9 先建隧道內(nèi)力動態(tài)變化曲線

圖10 地表監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

圖11是不同時(shí)刻先建隧道上方縱向地表沉隆曲線的變化圖。觀測時(shí)間4相當(dāng)于數(shù)值模擬中的開挖步7，觀測時(shí)間6相當(dāng)于數(shù)值模擬中的開挖步14，觀測時(shí)間7近似相當(dāng)于數(shù)值模擬中的開挖步21，觀測時(shí)間9相當(dāng)于數(shù)值模擬中的開挖步28?？梢钥闯觯F(xiàn)場實(shí)測地表沉降曲線形狀與數(shù)值模擬結(jié)果(圖6)基本類似，盾構(gòu)掌子面后方沉降量值要遠(yuǎn)大于掌子面前方的沉隆。地表沉降最值也基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測最值略大。但值得注意的是，部分實(shí)測曲線(如觀測時(shí)刻3等)盾構(gòu)掌子面前方的影響區(qū)域長度小于9 m，甚至接近于0，但部分實(shí)測曲線(如觀測時(shí)刻6等)中盾構(gòu)掌子面前方的影響區(qū)域并不局限于9 m的范圍內(nèi)，由此可見現(xiàn)場盾構(gòu)掌子面前方沉隆范圍受盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)情況等影響較大，施工過程中除應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)施工控制外，監(jiān)測范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。

由圖11還可以看出，在施工后建隧道的過程中(觀測時(shí)間7～時(shí)間9)，地表縱向沉降的的變化規(guī)律與數(shù)值模擬有出入，不同位置地表沉降的增大幅度差別較大，完全重疊位置增加最多，增大了200%，遠(yuǎn)大于該位置數(shù)值模擬的100%。另外，在后建隧道的施工過程中，所有的隧道測點(diǎn)均出現(xiàn)了下沉量，與數(shù)值模擬過程中盾構(gòu)機(jī)前方一定范圍內(nèi)地表沉降基本不變的規(guī)律不一致。從以上兩個(gè)現(xiàn)象推測，在后建隧道施工過程中，由先建隧道開挖擾動引發(fā)的地層次固結(jié)沉降一直在持續(xù)，其影響大于盾構(gòu)施工的影響，而且在較長一段時(shí)間內(nèi)都存在，在交叉隧道的完全重疊位置，這種擾動引發(fā)的次固結(jié)沉降尤其明顯。

圖12是各監(jiān)測點(diǎn)沉隆隨時(shí)間的變化曲線，與數(shù)值模擬結(jié)果(圖7)規(guī)律基本類似，各點(diǎn)的沉隆均大體經(jīng)過“微小沉隆→沉降逐漸增大→沉隆趨于穩(wěn)定”三個(gè)階段，最大沉降為14.74 mm，位于完全重疊斷面處(圖中觀測點(diǎn)7)。從曲線形狀上看，完全重疊段至交叉段終點(diǎn)這段內(nèi)的沉降有個(gè)突然減小再逐漸平穩(wěn)的過程，推測可能是由于掘進(jìn)后期進(jìn)行了地表注漿加固，改良了地層特性從而使沉降值減小。

圖11 先建隧道上方縱向地表沉隆實(shí)測曲線

圖12 各監(jiān)測點(diǎn)沉隆動態(tài)變化實(shí)測曲線

總體來看，由于數(shù)值計(jì)算時(shí)進(jìn)行了諸多簡化，如未考慮新舊隧道在水平方向的位置關(guān)系、盾構(gòu)機(jī)械及配套臺車重量及漿液材料硬化過程、地層長時(shí)間的次固結(jié)沉降等等，使得計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值有一定差異，但二者所揭示的規(guī)律是基本一致的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果比現(xiàn)場實(shí)測值略小。

5 結(jié)論及建議

(1)通過對成都地鐵2號線二期工程(西延伸線)近距離交叉盾構(gòu)隧道施工的數(shù)值模擬可知，砂卵石地層下重疊隧道施工引起的地層沉降形狀與單個(gè)隧道施工類似，橫向施工影響范圍并未有明顯增大，但由于后建隧道的二次擾動，地層沉降曲線會發(fā)生重分布，在后建隧道施工過程中，后建隧道上部和先建隧道底部的地層沉隆明顯加大，兩隧道之間的夾土體地層在后建隧道開挖后出現(xiàn)了向上的地層位移。因此，在重疊隧道的后建隧道施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對后建隧道上部沉降影響范圍內(nèi)和先建隧道下部隆起影響范圍地下建(構(gòu))筑物及基礎(chǔ)、管線的監(jiān)測。

(2)重疊隧道施工引起的地表橫向沉降槽曲線形狀與單個(gè)隧道施工類似，在后建隧道施工過程中，地表橫向沉降槽的寬度并未有明顯變化，但沉降槽的最大沉降值顯著增大。重疊隧道施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對地表一定范圍內(nèi)(本工程為隧道中心線兩側(cè)各2.5D，D為隧道直徑)地表建(構(gòu))筑物的沉降及傾斜監(jiān)測。

(3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，先建隧道管片襯砌的最大軸力和最大正、負(fù)彎矩均先逐步增大，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到最大值趨于穩(wěn)定，直至雙洞貫通。

(4)現(xiàn)場監(jiān)控量測顯示，盾構(gòu)掌子面前方沉隆范圍受盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)情況等影響較大，并不局限于數(shù)值模擬中的影響范圍;由先建隧道開挖擾動引發(fā)的地層次固結(jié)對長期地表沉降的影響大于盾構(gòu)施工的影響，而且在較長一段時(shí)間內(nèi)都存在，在交叉隧道的完全重疊位置，這種擾動引發(fā)的次固結(jié)沉降尤其明顯。因此，建議在重疊隧道設(shè)計(jì)時(shí)對重疊段采取諸如預(yù)注漿加固、增設(shè)管片注漿孔等措施進(jìn)行處理。

(5)通過對成都地鐵2號線二期工程(西延伸線)近距離交叉盾構(gòu)隧道施工的數(shù)值模擬可知，在稍密、中密、密實(shí)砂卵石地層中施工交叉重疊盾構(gòu)隧道，施工引起的地層沉降量總體較小，施工過程中先建隧道管片襯砌的內(nèi)力也處在合理范圍。施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析表明，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考，但在盾構(gòu)施工影響范圍、地層長期次固結(jié)沉降的模擬方面需要進(jìn)一步完善。

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