近距离交叉盾构隧道力学行为研究

郭 俊

(中铁二院工程集团有限责任公司地下铁道设计研究院，四川成都610031)

为实现成都地铁2号线与成灌快铁在犀浦站的换乘功能要求，成都地铁2号线二期工程(西延伸线)左、右线盾构隧道在西区站～外语学校站区间近距离交叉换边，交叉范围内两隧道夹土体厚度最小仅4.1 m。在如此近距离交叉情况下，后建隧道在先建隧道扰动过的地层中施工，势必会对先建隧道及夹土体产生影响，同时也会造成周边地层二次变形。

本文采用数值计算方法，结合现场施工时的实测数据对比分析，研究了砂卵石地层中近距离交叉隧道施工时隧道结构内力、地层沉降的变化，以及后建隧道动态开挖对先建隧道变形的影响，可为今后类似工程的设计施工提供参考。

1 工程背景

成都地铁2号线二期工程(西延伸线)西区站～外语学校站区间左、右线盾构隧道在里程YDK17+229.4～YDK17+489.4及ZDK17+255.3～ZDK17+487.5范围内交叉换边，其中在里程YDK17+359.4处左右线隧道完全重叠。隧道交叉段空间关系如图1、图2所示。交叉段左线在上，右线在下，两隧道夹土体厚度为4.1～5.7 m。交叉段左线隧道位于稍密～中密卵石土内，右线隧道位于密实卵石土层内，交叉段起点处上洞埋深8.9 m(1.48D，D为隧道外径)，完全重叠段上洞埋深5.74 m(0.96D)。盾构隧道管片外径6.0 m，衬砌厚0.3 m，环宽1.5 m，采用C50混凝土预制而成。

图1 交叉段隧道总平面

2 计算模型

图2 交叉段隧道位置关系

计算采用有限差分软件FLAC3D进行，地层采用基于Mohr－Coulomb准则的理想弹塑性模型，考虑到弹塑性分析不能模拟真实的时间效应，假定土体开挖后衬砌被立即发挥作用，地层加固效果通过提高地层物理力学参数的方式模拟[1]。计算模型见图3、图4，为了更直观，三维模型只绘出了一半。计算中采用的相关地层材料参数根据地质详勘资料[2]和相关规范取值，具体见表1。

图3 二维计算模型

图4 三维计算模型

表1 材料物理力学参数指标

根据已有研究成果和工程实际施工，开挖时采用“先下后上”的顺序进行[3]～[7]。计算初始地应力后即依次开挖下洞和上洞;每步开挖3 m并立即施作衬砌和壁后注浆，单洞开挖完成需要14步，下洞开挖完成后按相同方法开挖上洞，整个计算过程共28个开挖步。为便于下文分析，从28个开挖步中选取4个工况:工况1时下洞开挖完成重叠段长的1/2，工况2时下洞贯通，工况3时上洞开挖完成重叠段长1/2，工况4时上洞贯通。

3 交叉隧道施工对先建隧道力学形态及周边环境影响

交叉隧道施工时，由于后建隧道和先建隧道净距小，后建隧道不可避免地会对先建隧道内力产生影响，并对地层产生二次扰动。

3.1 地层沉降

如图5所示，选取模型正中横向断面(垂直于隧道轴线平面)及纵向断面(两隧道轴线所在平面)作为考察断面，考察隧道开挖引起的地层沉降。图5(a)、图5(b)分别为先建隧道、后建隧道贯通时考察断面上的地层沉降等值线。从图中可以看出，由两条隧道开挖引起的地层沉隆形状与单个隧道开挖总体相似，即在横向平面内，拱顶上方土体发生沉降，而拱底附近土体由于开挖卸载而向洞内隆起，最大沉隆值分别产生于拱顶和拱底;纵向断面中，盾构后方的地层沉降大于盾构前方地层沉降。值得注意的是，由于重叠隧道二次扰动，地层沉降曲线发生了重分布，不同位置的土体变化趋势不同，后建隧道上部和先建隧道底部的地层沉隆明显加大，两隧道之间的夹土体地层在后建隧道开挖后出现了向上的地层位移，最值略有减小。如工况2时后建隧道拱顶位置的土体最大沉降只有约6 mm，工况4时后建隧道拱顶位置土体最大沉降约11 mm，与工况2相比增加了83%;工况2时先建隧道拱顶纵向沉降的最大值为14.80 mm;工况4时先建隧道拱顶纵向沉降的最大值为11.22 mm，减少了24%。

3.2 地表沉降

计算结果表明，重叠隧道施工引起的地表横向沉降槽曲线形状与单个隧道施工类似，均呈典型的正态曲线形状，且离隧道中心越远，受到的影响越小，且随着开挖的进行逐渐趋于稳定;而水平位置距离隧道中心较近的地表则受到较大影响。

图5 地层沉降等值线

值得注意的是，虽然后建隧道施工导致最大沉降值显著增大，但沉降槽的宽度并未有明显变化。如图6所示，地表沉降值最大值位于隧道拱顶正上方处地表，当先建隧道贯通时(工况2)，地表最大沉降为4.93 mm，当后建隧道贯通时(工况4)，地表最终沉降为8.96 mm，最大沉降值约增加了80%，但这两种工况下的主要沉降影响宽度均为隧道中心线两侧各15 m左右，基本相同。

图6 地表横向沉降曲线

选取两条隧道轴线所在竖向平面为研究对象，4种工况下隧道轴线上方地表纵向沉降曲线如图7所示，图中填充色块为盾构位置。计算结果表明，重叠隧道施工引起的地表纵向沉隆曲线形状与单个隧道施工类似，盾构掘进对前方地表沉降的影响主要位于在刀盘前方约9 m的范围内，超过这一距离，地表沉降受到的影响较小。且盾构后方的地表沉降大于盾构前方地表沉降。

图7 地表纵向沉降曲线

3.3 先建隧道拱顶地层位移随掘进变化

后建隧道掘进时，由于土体卸载，下方先建隧道周边地层产生变形，先建隧道出现向上位移的趋势。为考察隧道掘进过程中先建隧道的向上位移情况，可对下洞拱顶和拱腰的变形情况进行研究。考虑到建模时将模型简化为仅在竖直方向重叠，则上洞掘进引起下洞拱腰的变形规律会与实际情况有一定出入，故本研究中对后建隧道引起先建隧道拱腰侧移的变化不予考虑，仅选取先建隧道纵向中点处拱顶节点作为观测点，作出其沉降随开挖步的变化曲线，如图8所示，图中横坐标为时间步，每个时间步掘进距离为3 m，第7时间步以及第21时间步时开挖掌子面位于观测点下方。

从图中可以看出，开挖先建隧道(图中下洞)时，当盾构机掌子面距离观测点所在断面较远(大于9 m)时，观测点基本不受影响;随着掌子面逐渐靠近观测点所在断面，拱顶变形值逐渐增大;当盾构机掌子面位于观测点所在断面时，变形尤为剧烈，一直持续到掌子面位于观测点所在断面前方6 m处之后，观测点的变形才逐渐减缓。

开挖后建隧道(图中上洞)时，由于荷载释放，拱顶测点出现向上的位移，但是变化总量值较小，在盾构机掌子面位于观测点所在断面前后9 m范围内时变化速度最为明显。由图8不难看出，后建隧道施工引发的先建隧道拱顶向上总位移只有1.4 mm左右，仅约先建隧道施工引发该点最大沉降值的10%。

图8 先建隧道变形动态变化曲线

3.4 先建隧道内力

取先建隧道纵向中点处的一环管片进行研究。管片衬砌结构最大轴力和最大正负弯矩随开挖步的动态变化如图9所示。可以看出，盾构掘进过程中，管片衬砌的最大轴力和最大正负弯矩的变化规律类似，都是先逐步增大，经过一段时间后达到最大值并保持该值不变，直至双洞贯通。具体来讲，管片弯矩在开挖掌子面后方7.5 m(5环)时趋于稳定(最大值分别为120 kN·m，－101 kN·m)，轴力在开挖掌子面后方15 m(10环)时趋于稳定(有小幅波动，最大值为1 016 kN)。

4 现场监测结果分析

作为区间隧道施工的重难点段，为确保安全，在地表布置了监测点，用以监测盾构掘进过程中地表沉隆，地表沉隆监测点分别沿左右线隧道以5 m间距布置，如图10所示。作为对数值计算结果的检验，此处给出了沿隧道纵向的地表沉隆曲线和完全重叠处地表沉隆随盾构掘进过程的动态变化曲线，如图11、图12所示。

图9 先建隧道内力动态变化曲线

图10 地表监测点位置示意图

图11是不同时刻先建隧道上方纵向地表沉隆曲线的变化图。观测时间4相当于数值模拟中的开挖步7，观测时间6相当于数值模拟中的开挖步14，观测时间7近似相当于数值模拟中的开挖步21，观测时间9相当于数值模拟中的开挖步28。可以看出，现场实测地表沉降曲线形状与数值模拟结果(图6)基本类似，盾构掌子面后方沉降量值要远大于掌子面前方的沉隆。地表沉降最值也基本一致，现场监测最值略大。但值得注意的是，部分实测曲线(如观测时刻3等)盾构掌子面前方的影响区域长度小于9 m，甚至接近于0，但部分实测曲线(如观测时刻6等)中盾构掌子面前方的影响区域并不局限于9 m的范围内，由此可见现场盾构掌子面前方沉隆范围受盾构掘进参数、地质情况等影响较大，施工过程中除应加强盾构施工控制外，监测范围应进一步扩大。

由图11还可以看出，在施工后建隧道的过程中(观测时间7～时间9)，地表纵向沉降的的变化规律与数值模拟有出入，不同位置地表沉降的增大幅度差别较大，完全重叠位置增加最多，增大了200%，远大于该位置数值模拟的100%。另外，在后建隧道的施工过程中，所有的隧道测点均出现了下沉量，与数值模拟过程中盾构机前方一定范围内地表沉降基本不变的规律不一致。从以上两个现象推测，在后建隧道施工过程中，由先建隧道开挖扰动引发的地层次固结沉降一直在持续，其影响大于盾构施工的影响，而且在较长一段时间内都存在，在交叉隧道的完全重叠位置，这种扰动引发的次固结沉降尤其明显。

图12是各监测点沉隆随时间的变化曲线，与数值模拟结果(图7)规律基本类似，各点的沉隆均大体经过“微小沉隆→沉降逐渐增大→沉隆趋于稳定”三个阶段，最大沉降为14.74 mm，位于完全重叠断面处(图中观测点7)。从曲线形状上看，完全重叠段至交叉段终点这段内的沉降有个突然减小再逐渐平稳的过程，推测可能是由于掘进后期进行了地表注浆加固，改良了地层特性从而使沉降值减小。

图11 先建隧道上方纵向地表沉隆实测曲线

图12 各监测点沉隆动态变化实测曲线

总体来看，由于数值计算时进行了诸多简化，如未考虑新旧隧道在水平方向的位置关系、盾构机械及配套台车重量及浆液材料硬化过程、地层长时间的次固结沉降等等，使得计算结果与现场实测值有一定差异，但二者所揭示的规律是基本一致的。数值计算结果比现场实测值略小。

5 结论及建议

(1)通过对成都地铁2号线二期工程(西延伸线)近距离交叉盾构隧道施工的数值模拟可知，砂卵石地层下重叠隧道施工引起的地层沉降形状与单个隧道施工类似，横向施工影响范围并未有明显增大，但由于后建隧道的二次扰动，地层沉降曲线会发生重分布，在后建隧道施工过程中，后建隧道上部和先建隧道底部的地层沉隆明显加大，两隧道之间的夹土体地层在后建隧道开挖后出现了向上的地层位移。因此，在重叠隧道的后建隧道施工时，应重点加强对后建隧道上部沉降影响范围内和先建隧道下部隆起影响范围地下建(构)筑物及基础、管线的监测。

(2)重叠隧道施工引起的地表横向沉降槽曲线形状与单个隧道施工类似，在后建隧道施工过程中，地表横向沉降槽的宽度并未有明显变化，但沉降槽的最大沉降值显著增大。重叠隧道施工时，应重点加强对地表一定范围内(本工程为隧道中心线两侧各2.5D，D为隧道直径)地表建(构)筑物的沉降及倾斜监测。

(3)盾构掘进过程中，先建隧道管片衬砌的最大轴力和最大正、负弯矩均先逐步增大，经过一段时间后达到最大值趋于稳定，直至双洞贯通。

(4)现场监控量测显示，盾构掌子面前方沉隆范围受盾构掘进参数、地质情况等影响较大，并不局限于数值模拟中的影响范围;由先建隧道开挖扰动引发的地层次固结对长期地表沉降的影响大于盾构施工的影响，而且在较长一段时间内都存在，在交叉隧道的完全重叠位置，这种扰动引发的次固结沉降尤其明显。因此，建议在重叠隧道设计时对重叠段采取诸如预注浆加固、增设管片注浆孔等措施进行处理。

(5)通过对成都地铁2号线二期工程(西延伸线)近距离交叉盾构隧道施工的数值模拟可知，在稍密、中密、密实砂卵石地层中施工交叉重叠盾构隧道，施工引起的地层沉降量总体较小，施工过程中先建隧道管片衬砌的内力也处在合理范围。施工现场实测数据的对比分析表明，数值计算的结果可为类似工程的设计施工提供参考，但在盾构施工影响范围、地层长期次固结沉降的模拟方面需要进一步完善。

[1]林乐彬，刘寒冰，刘辉.隧道围岩压力的应力分析方法[J].土木工程学报，2007(8):85－89

[2]康景文，杨致远，黄海，等.成都地铁2号线西延线西区站～外国语学校站区间隧道岩土工程勘察报告(详细勘察)[R].成都:中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，2009

[3]林刚.地铁重叠隧道施工顺序研究[J].现代隧道技术，2006(6):23－28

[4]陈先国，王显军.近距离重叠隧道的二维和三维有限元分析[J].西南交通大学学报，2003(6):643－646

[5]赵军，李元海.杭州地铁交叉重叠隧道盾构施工地表沉降三维数值分析[J].隧道建设，2010(S1):138－144

[6]吕奇峰，黄明利，韩雪峰.重叠隧道施工顺序研究[J].铁道标准设计，2010(10):102－105

[7]郑余朝，仇文革.重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟[J].西南交通大学学报，2006(3):376－380