紅砂巖卵石地層盾構(gòu)穿越暗挖隧道施工數(shù)值分析*

趙俊杰，李 忠，何越磊，李 博

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2.中鐵二十一局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

21世紀(jì)是一個(gè)城市地下空間大開發(fā)的黃金世紀(jì)，我國城市地鐵的建設(shè)已步入快速發(fā)展階段，因此新建隧道在進(jìn)行近距離并行或交疊式貫穿既有隧道施工過程中往往會(huì)遇到一些問題，新建隧道的施工對(duì)周邊地層的干擾必然會(huì)直接導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場及地應(yīng)力場重新分布，從而直接影響結(jié)構(gòu)體的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。

針對(duì)新建隧道穿越既有隧道施工的影響問題，目前主要采用現(xiàn)場勘測、建模計(jì)算分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行研究。例如，孟慶軍等[4]通過對(duì)地表沉降的監(jiān)測，驗(yàn)證了施工中采取的各項(xiàng)地層加固措施的可行性；朱蕾等[5]通過分析襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)測數(shù)據(jù)，探究在盾構(gòu)擾動(dòng)影響下隧道變形機(jī)理；劉亮等[6]對(duì)盾構(gòu)正交、平行上穿既有隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道變形與地表沉降的影響；武鐵路[7]利用數(shù)值軟件分析了盾構(gòu)隧道近接并行施工引起的地表沉降規(guī)律；鐘可等[8]采用數(shù)值軟件，對(duì)比分析了地層不加固、地表注漿加固及MJS工法加固等多種措施對(duì)既有隧道的影響；王超東等[9]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M不同角度穿越時(shí)盾構(gòu)上穿施工對(duì)既有隧道穩(wěn)定性的影響；陳春來等[10]基于Peck公式，對(duì)由雙線盾構(gòu)隧道平行施工中因土體損失造成的三維土體沉降計(jì)算方法進(jìn)行了研究；張曉清等[11]采用排液法分析了盾構(gòu)多線疊交施工對(duì)地表沉降與既有隧道縱向變形的影響規(guī)律，并構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果；李學(xué)峰等[12]通過設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置，研究隧道間距及埋深對(duì)既有隧道位移的影響。

綜上所述，雖然學(xué)者們針對(duì)隧道近接施工的相關(guān)問題進(jìn)行了一系列研究，但針對(duì)復(fù)合地層下新建隧道近接半施工狀態(tài)隧道的研究還很少。本文依托蘭州地鐵2號(hào)線公交五公司出入線區(qū)間，以盾構(gòu)近接并行暗挖段隧道施工為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度與實(shí)測數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)值模擬分析，揭示在紅砂巖砂卵石復(fù)合地層中，盾構(gòu)近接并行暗挖隧道施工的影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)變更方案及措施進(jìn)行驗(yàn)證分析，以期為類似工程提供借鑒。

1 施工作用機(jī)理

對(duì)于既有暗挖隧道，隧道內(nèi)原有開挖土被替換，由超前支護(hù)、噴射混凝土及二次襯砌組成的結(jié)構(gòu)體，在剛度和自重等方面與原狀土有著很大差異。因此，當(dāng)暗挖隧道開挖施作完畢后，在原有初始地應(yīng)力場上形成了一個(gè)新的應(yīng)力場，即地應(yīng)力重分布。在新建盾構(gòu)隧道近距離穿越施工中，對(duì)已應(yīng)力重分布的地層再一次進(jìn)行擾動(dòng)即二次應(yīng)力重分布，使土體產(chǎn)生位移和變形，而土體的改變又會(huì)對(duì)鄰近既有隧道產(chǎn)生影響。

盾構(gòu)隧道、土體、暗挖隧道三者間交互影響，新建隧道開挖使周邊土體產(chǎn)生應(yīng)力和位移變化，受影響的土體又對(duì)既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)，受擾動(dòng)的既有隧道在原有狀態(tài)基礎(chǔ)上產(chǎn)生一定程度的變形和應(yīng)力變化，而反過來既有隧道又會(huì)通過中間土體對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)開挖產(chǎn)生一定影響，三者作用如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)穿越施工作用機(jī)理

2 存在的工程問題

2.1 工程概況

以蘭州市地鐵2號(hào)線一期工程2-KC-2標(biāo)段為例，排洪南路停車場出入線采用明挖+暗挖法施工，暗挖區(qū)間總長358m，起點(diǎn)為公交五公司站，正線公交五公司站—定西路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。出入線與正線區(qū)間在出公交五公司站緊密并行后下穿，空間關(guān)系呈平行立交下穿交疊敷設(shè)。隧道位置平面與地質(zhì)剖面如圖2，3所示。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間與出入場線位置平面示意

圖3 地質(zhì)縱剖面

2.2 工程問題

區(qū)間盾構(gòu)近距離并行暗挖隧道存在的施工難題有：①盾構(gòu)主要穿越由紅砂巖與砂卵石層兩種結(jié)合的復(fù)合地層，砂卵石層存在粒徑≥60cm的漂石且地下水豐富；②隧道間最小水平凈距僅為1.156m，屬于超近接狀態(tài)施工；③受工期影響，所并行的暗挖隧道處于在建狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)未施作完畢，未形成完整的支護(hù)體系。

考慮上述原因及工籌計(jì)劃安排，需采取方案措施將并行風(fēng)險(xiǎn)限定在可控范圍內(nèi)，確保主線公定區(qū)間隧道如期貫通。

2.3 擬采用加固方案

原設(shè)計(jì)方案為：如圖4 所示，在盾構(gòu)與暗挖結(jié)構(gòu)凈距<4.5m范圍內(nèi)采用徑向注漿方式對(duì)盾構(gòu)與暗挖隧道間土體進(jìn)行加固處理，注漿管長2.5m，環(huán)向間距1.2m，縱向間距1.2m，漿液采用水泥漿，注漿管采用φ32×3.25鋼焊管；加固后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥1MPa。

圖4 徑向注漿橫斷面

當(dāng)前施工進(jìn)度：①盾構(gòu) 已掘進(jìn)至接收端45m并行段；②出入線暗挖隧道 中導(dǎo)洞已貫通，左邊洞未開挖，右邊洞上臺(tái)階已開挖，下臺(tái)階未開挖；③襯砌 中隔墻已襯砌，右邊洞上臺(tái)階拱墻已施作初襯。

擬采用方案為：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及以往類似工程實(shí)例分析，擬對(duì)該工程采取以下3種措施。

1)暗挖隧道與公定區(qū)間左線接收端45m并行段部分，北側(cè)邊洞從車站往東30m范圍，加固里程L/RK0+024.300—L/RK0+054.300，采用洞內(nèi)深孔無收縮雙液注漿(WSS)加固地層，加固范圍為暗挖結(jié)構(gòu)拱頂以上2m、拱底以下1m，側(cè)邊結(jié)構(gòu)外擴(kuò)2m。洞內(nèi)深孔無收縮注漿方式如圖5所示。

圖5 WSS全斷面注漿橫斷面

2)中導(dǎo)洞中隔墻做完后的臨時(shí)換撐須及時(shí)架設(shè)。

3)增加與正線區(qū)域夾土層的土體測斜孔布置，車站端須加密布置。中導(dǎo)洞內(nèi)增加水平位移監(jiān)測點(diǎn)，盾構(gòu)通過時(shí)須增加監(jiān)測頻率。各項(xiàng)測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布置平面

為了盾構(gòu)安全如期穿越在建隧道，并且使得變更方案經(jīng)濟(jì)合理，通過地層沉降、隧道凈空收斂、地層測斜、襯砌應(yīng)力幾方面，對(duì)如下4種不同工況進(jìn)行計(jì)算分析。

1)工況1 盾構(gòu)施工對(duì)未修建隧道的影響，分析在暗挖隧道未修建時(shí)盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)范圍，是否對(duì)擬建暗挖隧道位置產(chǎn)生影響。

2)工況2 盾構(gòu)施工對(duì)已完工隧道的影響，分析盾構(gòu)施工對(duì)完工后暗挖隧道的影響規(guī)律，如是否需要加固、應(yīng)加固位置、原加固方案是否合理。

3)工況3 盾構(gòu)施工對(duì)半施工隧道的影響，分析對(duì)于未采取注漿加固的在建隧道，盾構(gòu)施工引起的地層及襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

4)工況4 盾構(gòu)施工對(duì)加固后隧道的影響，分析對(duì)于注漿加固后的在建隧道，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的影響是否得到改善，驗(yàn)證擬采用加固方案的可行性。

3 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

根據(jù)工程實(shí)際，選取公定區(qū)間左線接收端45m范圍的盾構(gòu)與出入場隧道作為施工模擬對(duì)象。在進(jìn)行建模分析時(shí)，對(duì)模型尺寸的選取應(yīng)充分考慮到盾構(gòu)影響區(qū)域與盾構(gòu)對(duì)出入線隧道擾動(dòng)的有效影響區(qū)域及邊界影響，模型尺寸取90m×45m×40m(x×y×z)。為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，對(duì)模型進(jìn)行邊界尺寸控制，研究主體盾構(gòu)隧道與暗挖隧道網(wǎng)格劃分尺寸為1m，其余網(wǎng)格劃分尺寸為3m，中間土體由1m過渡到2m，中心向四周呈放射狀。計(jì)算模型如圖7，8所示。

圖7 模型整體三維網(wǎng)格

圖8 盾構(gòu)與暗挖隧道位置關(guān)系

3.2 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算中對(duì)地層采用了修正莫爾-庫侖本構(gòu)模型，相較于莫爾-庫侖本構(gòu)模型，更加適用于大型挖掘工程的數(shù)值模擬，被廣泛應(yīng)用于松散、膠結(jié)的小塊顆粒狀原子材料與土體及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剪斷和破壞性能分析，依托該工程所在地層特點(diǎn)，符合本構(gòu)使用要求。

盾殼、管片、注漿層及暗挖支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性結(jié)構(gòu)材料，盾殼、管片、暗挖襯砌分別賦予2D板單元屬性。其中，暗挖隧道超前小導(dǎo)管、格柵鋼架的模擬，按剛度等效原則折算給噴射混凝土的彈性模量，從而可將暗挖隧道超前支護(hù)與噴射混凝土作為初期支護(hù)的整體進(jìn)行研究分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，以及當(dāng)?shù)赝翆拥男再|(zhì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)簡化，模型中選取的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.3 隧道施工模擬方案

根據(jù)正線區(qū)間盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，并考慮暗挖區(qū)段盾構(gòu)施工影響的具體情況，數(shù)值模擬計(jì)算流程如圖9所示。

圖9 數(shù)值計(jì)算流程

4 數(shù)值計(jì)算與分析

4.1 地表沉降分析

沿隧道軸線方向，盾構(gòu)近穿在建隧道豎向位移云圖如圖10所示，地表橫向位移曲線如圖11所示，可看出，盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起隧道周圍土體產(chǎn)生變形，地層最大沉降發(fā)生在隧道軸線正上方，最大值為6.5mm，此時(shí)暗挖隧道未采取任何加固措施。通過對(duì)幾種工況沉降曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道偏右側(cè)的沉降槽寬度要大于左側(cè)，說明暗挖隧道施工造成一部分地層損失，同時(shí)，工況1，4在隧道施工范圍內(nèi)的地表沉降曲線基本重合一致，說明在左側(cè)暗挖段采取WSS全斷面注漿措施后，使得暗挖隧道施工區(qū)域地表沉降無異于盾構(gòu)施工對(duì)地表的影響，體現(xiàn)了注漿加固效果的有效性。而工況2盾構(gòu)對(duì)已建成隧道地表的影響，在暗挖左側(cè)隧道正上方沉降曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)，說明暗挖隧道在二襯施作完畢全支護(hù)狀態(tài)下，盾構(gòu)近穿還是對(duì)其產(chǎn)生影響，從側(cè)面更加反映了注漿加固措施對(duì)在建暗挖隧道的必要性。

圖10 盾構(gòu)近穿在建隧道豎向位移云圖

圖11 地表橫向位移曲線

結(jié)合Peck曲線，對(duì)不同工況下的橫向位移曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算出每種工況對(duì)應(yīng)的沉降槽寬度i和最大沉降值Sv及地層損失體積Vs(見表2)。

表2 不同工況下Peck擬合曲線計(jì)算值

由表2可看出，工況4的沉降槽寬度最小，相較于工況3，最大沉降值與地層損失體積也較小，再次說明WSS注漿加固措施的有效性。

4.2 隧道凈空收斂分析

選取第2斷面XSL2，盾構(gòu)近穿在建隧道橫向位移云圖如圖12所示，通過對(duì)比WSS全斷面注漿前后云圖，可看出未采取加固措施的左線邊洞，盾構(gòu)并行穿越時(shí)對(duì)其的橫向位移影響范圍延伸到了地表，同時(shí)由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)前方地層的頂推作用，導(dǎo)致盾構(gòu)上方地表沿著相反方向移動(dòng)，而在采取加固措施后，無論開挖地層還是地表，橫向位移影響區(qū)域都變小。這說明注漿加固使得盾構(gòu)開挖對(duì)抑制暗挖隧道橫向移動(dòng)起到了一定作用。

圖12 盾構(gòu)近穿在建隧道橫向位移云圖

隧道斷面凈空收斂曲線如圖13所示，從曲線趨勢(shì)可看出，開挖1～15步，盾構(gòu)與暗挖隧道水平凈距由遠(yuǎn)到近，因盾構(gòu)擾動(dòng)圍巖和頂推共同作用，使隧道凈空收斂維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；開挖16～19步，盾構(gòu)掌子面在距開挖斷面6m時(shí)，在盾構(gòu)擾動(dòng)圍巖和頂推共同作用下保持平衡，但盾構(gòu)頂推作用占優(yōu)，所以產(chǎn)生較大凈空擴(kuò)容；開挖至20步時(shí)，盾構(gòu)剛好通過開挖斷面，在盾構(gòu)擾動(dòng)圍巖和沉降影響區(qū)域的作用下，隧道凈空擴(kuò)容速率變大；當(dāng)盾構(gòu)離開該斷面一段距離直至30步時(shí)，隧道凈空收斂將逐漸趨于穩(wěn)定。

圖13 隧道斷面凈空收斂曲線

通過對(duì)比幾條曲線不難看出，采取加固措施后每階段的凈空收斂值要小于未采取加固措施的凈空收斂值，同時(shí)對(duì)于已建暗挖隧道來說，隧道整體支護(hù)已施作完畢，使隧道周圍形成較強(qiáng)的圍巖強(qiáng)度，在盾構(gòu)掘進(jìn)至隧道斷面前方5環(huán)即開挖第15步，對(duì)暗挖隧道開始產(chǎn)生影響，直至隧道斷面后方10環(huán)即開挖第30步，逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)此規(guī)律，可推斷出盾構(gòu)并行側(cè)穿暗挖隧道的影響范圍，以此可提前對(duì)所穿越暗挖隧道采取相應(yīng)的加固預(yù)防措施。

4.3 地層測斜分析

由圖14可知，盾構(gòu)出洞過程對(duì)周邊地層影響范圍較大，呈扇形對(duì)稱向兩邊擴(kuò)散，開挖區(qū)域兩側(cè)受擠壓作用，為卸載地層橫向土壓力，致使盾構(gòu)正上方地表土層向中間移動(dòng)。從兩種工況云圖可看出，WSS注漿加固后的暗挖隧道，橫向影響區(qū)域范圍明顯縮小，說明注漿加固措施的可行性。

圖14 洞口地層水平方向位移云圖

如圖15所示，布設(shè)在洞口端土體分層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，沿不同深度，土體水平位移變化差異較大，整體呈現(xiàn)水平位移隨深度不斷增加趨勢(shì)，并在深度14～15m處水平位移出現(xiàn)最大值，該區(qū)域正是盾構(gòu)隧道埋深區(qū)域。對(duì)比工況1，3，4的整體傾斜趨勢(shì)較為穩(wěn)定，WSS注漿加固有效緩解了盾構(gòu)開挖導(dǎo)致中間土體的水平位移，再參考工況2的已建隧道，盾構(gòu)開挖對(duì)其的影響主要位于14～18m處，該區(qū)域剛好處于暗挖隧道拱腰及仰拱埋深位置，驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)方案采取徑向注漿加固的合理性，同時(shí)也可為盾構(gòu)右線隧道出洞對(duì)暗挖入場線隧道影響提供參考。

圖15 土體沿深度水平位移變化曲線

4.4 應(yīng)力影響分析

為研究不同隧道間距條件下，盾構(gòu)開挖對(duì)在建暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響，分別計(jì)算當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)位置相距暗挖隧道1～9m時(shí)，暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。隨著隧道間距的增大，暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的最大Mises應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)隧道間距達(dá)到8，9m時(shí)，最大Mises應(yīng)力分別為15 780.6， 13 498.9kPa，與盾構(gòu)未開挖狀態(tài)(隧道間距為0)時(shí)接近(14 688.3kPa)；而當(dāng)隧道間距<8m時(shí)，最大Mises應(yīng)力逐漸增大，直至1m時(shí)達(dá)到最大值17 126kPa，位于中導(dǎo)洞出口段如圖16所示。這表明，當(dāng)隧道間距<8m時(shí)，盾構(gòu)開挖對(duì)暗挖隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大；當(dāng)隧道間距>8m時(shí)，已基本無影響。

圖16 暗挖隧道襯砌應(yīng)力云圖

對(duì)不同隧道間距下暗挖隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到以下關(guān)系式：

y=16 893.77+0.49e0.99x

(1)

式中：y為截面上最大Mises應(yīng)力(kPa) ；x為兩條隧道距離(m)。

擬合的相互關(guān)系公式如圖17所示，總體上可決系數(shù)達(dá)到0.95以上,表明式(1)能簡單預(yù)測出隧道間距對(duì)暗挖隧道結(jié)構(gòu)最大Mises 應(yīng)力的影響。

圖17 不同隧道間距下暗挖隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力擬合關(guān)系

5 結(jié)語

1)通過對(duì)地表沉降、凈空收斂、地層測斜的幾種工況分析，確定WSS全斷面注漿有效緩解了盾構(gòu)施工對(duì)在建暗挖隧道的影響，驗(yàn)證了蘭州地鐵2號(hào)線出入線暗挖隧道與主線公定區(qū)間盾構(gòu)隧道并行施工的變更方案和措施可行性，按計(jì)劃工期實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)左線與暗挖隧道并行段安全出洞。

2)對(duì)于盾構(gòu)近接并行已建暗挖隧道施工，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，在盾構(gòu)擾動(dòng)圍巖和頂推作用下，對(duì)距開挖斷面前方6m位置開始產(chǎn)生影響，離開斷面12m位置后漸趨穩(wěn)定。根據(jù)此規(guī)律，可提前對(duì)所穿越暗挖隧道采取相應(yīng)的加固預(yù)防措施。

3)沿不同深度，對(duì)各地層水平位移進(jìn)行對(duì)比分析，隨著深度的增大，水平位移值也跟著增大，對(duì)于在建暗挖隧道，在盾構(gòu)埋深區(qū)域及暗挖隧道拱腰處達(dá)到峰值；對(duì)于已建暗挖隧道，在暗挖隧道拱腰與仰拱交叉處達(dá)到峰值。結(jié)合兩者，可為盾構(gòu)右線隧道出洞對(duì)暗挖入場線隧道影響提供參考。

4)隨著隧道間距的減小，盾構(gòu)施工對(duì)暗挖隧道的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響逐漸增大，當(dāng)隧道間距<8m時(shí)，最大Mises應(yīng)力集中在16 000～17 000kPa，最大值出現(xiàn)在洞口處；當(dāng)隧道間距>8m時(shí)，最大Mises應(yīng)力和盾構(gòu)未施工狀態(tài)近似，影響基本可忽略。

5)由于蘭州地區(qū)復(fù)合砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，卵石層結(jié)構(gòu)松散，且地下水位高、滲透性強(qiáng)，文中未考慮顆粒間的離散作用及滲流影響，將作為后續(xù)的研究方向。