斜向双线隧道近距离开挖诱发土体位移研究

2018-07-10张治国姜蕴娟

隧道建设(中英文) 2018年6期

张治国，姜蕴娟

(1. 上海理工大学环境与建筑学院，上海　200093；2. 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林　541004；3. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州　221116)

0　引言

随着城市交通需求的飞速增长，地下轨道建设施工工况日渐复杂，双线隧道近距离并行、交叠乃至交叉运行的工况随之出现，特别是在上海等沿江、沿海地带，其地下广泛分布着软黏土，低承载力、高压缩性及低渗透性带来的土体变形问题日益突出。当前，对单线隧道周围环境影响效应的分析已较为成熟，但是针对近距离双线隧道的研究，从传统单线隧道开挖的影响机制入手分析很难得到准确结果。如何准确预测双隧道近距离施工造成的周围土工环境影响，并对近距离施工隧道进行安全性研究，成为亟待深入研究的课题。

很多专家学者采用理论分析的方法研究了隧道开挖对其周围土体的影响。王剑晨等[1]将经验参数修正公式与Peck公式相结合，为预测新建隧道下穿施工对既有隧道产生的变形提供了方法。许有俊等[2]推导了既有地铁隧道结构隆起变形的计算公式。张稳军等[3]提出了计算双洞盾构隧道非同步开挖引起的地表及深部土体变形的公式。周泽林等[4]考虑地铁双线隧道之间的“双洞效应”，得出了明挖卸荷对下卧双洞隧道纵向变形影响的解析分析方法。王剑晨等[5]基于镜像法，建立了综合考虑新建隧道-岩土体-既有隧道3者相互作用的计算模型。

另外，也有很多学者运用有限元分析软件进行辅助计算，研究了隧道开挖对其周围环境的作用。王忠昶等[6]考虑土体的分层以及隧道施工工序，运用FLAC3D软件对双隧道同向先后施工过程进行三维精细数值模拟。王克忠等[7]以杭州地铁某盾构区间的双线平行隧道为背景，采用三维快速拉格朗日法对不同应力释放率及轴线间距下的隧道施工进行了仿真计算。王东元等[8]对既有大断面地铁双隧道暗挖设计施工因素对地表变形的影响进行了数值模拟研究。施有志等[9]针对超大断面小净距隧道支护设计中的围岩压力分布和位移变形特征问题，开展了隧道开挖施工力学形态数值模拟分析。刘建伟等[10]采用Unwedge软件对地下洞室开挖稳定性进行定性分析，并采用Midas软件进行三维施工过程模拟，研究了隧道合理支护参数和施工步序。

马少坤等[11]和徐路畅等[12]也结合相关试验针对隧道施工对周围地层的影响效应做了研究。其中，马少坤等[11]通过离心模型试验研究了不同埋深双隧道、不同开挖顺序对临近地埋管线的影响。徐路畅等[12]利用多沉陷门模型试验装置和钢棒相似土构建二维试验条件，通过沉陷门下沉模拟隧道开挖变形，探讨了双线隧道间相互影响以及可靠的地表沉降预测方法。

文献[13-15]依据实际工程的现场监测数据进行分析计算，得出了隧道开挖对衬砌及周围环境的影响。其中，文献[13]研究了浅埋双侧偏压小净距隧道开挖的破坏模式及衬砌荷载分布规律，获得了该类型隧道先行洞开挖和双洞开挖后隧道的破坏模式。文献[14]从整体变形和单个块体位移2个角度对既有车站实测位移进行分析，得出浅埋暗挖隧道近接施工分步开挖过程中上覆地铁结构的变形规律。文献[15]以实际单洞大直径和双洞小直径土压平衡盾构工程为背景，针对黏性土地层中盾构施工引起的地表变形过程和分布规律进行了分析。考虑到既有研究成果较少对双隧道开挖施工造成的土工环境影响进行分析，尤其是没有考虑双隧道之间的相互影响效果，本研究中，重点考虑斜向双隧道之间的相互影响，以双隧道的相对位置为变量对施工引起的周边土层变形进行数值模拟分析。

本文以上海市轨道交通11号线徐家汇站—上海体育馆站区间的隧道盾构开挖工程为背景，采用有限元数值模拟方法，针对斜向双线隧道近距离施工对周围土体环境的影响进行了分析。

1　工程背景

本文涉及的工程为上海市轨道交通11号线徐家汇站—上海体育馆站区间地铁隧道。本区间工程上行线隧道全长为1 612.909 m，长链0.626 m，起止里程为SDK34+871.716～SDK36+483.999；下行线隧道全长为1 606.956 m，短链5.128 m，起止里程为XDK34+871.716～XDK36+483.800。双隧道及周围地层的位置关系剖面见图1。

图1　双隧道位置关系剖面图 (单位： m)

在勘察深度范围内徐家汇站—上海体育馆站区间场地地基土主要由饱和黏性土及粉性土组成。根据野外钻探鉴别及室内土工试验成果，结合静力触探及标贯试验成果，土层按其成因类型、结构及其性状特征可划分为8层，主要土层物理力学性质指标见表1。

表1　土层物理力学参数

2　变形数值模拟方法

2.1　有限元数值模型

本文有限元数值模型有以下基本假定：

1) 同一层土体为均质、各向同性体，并将土体简化为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb屈服准则及等向硬化规律；

2) 计算土体变形时，认为土体在自重作用下已充分固结；

3) 假定隧道截面形状为圆形，衬砌为线弹性体；

4) 计算中不考虑隧道衬砌与土体的脱离现象，认为它们始终协调变形。

取隧道剖面进行二维有限元数值分析。图2为某工况的网络离散图，模型水平长70 m，竖直长50 m。隧道外径为6.2 m，衬砌厚0.35 m。对水平底边界施加竖向位移约束，两侧边界施加水平向约束，不考虑地下水影响。分别采用15节点三角形单元进行土的应力变形分析，采用板单元模拟隧道衬砌，采用界面单元模拟土和结构的相互作用。

图2　有限元网格离散图

2.2　施工工况有限元模拟

本文采用Plaxis有限元计算软件，通过对隧道衬砌以及土体等结构单元组件的激活和冻结模拟实际施工情况。通过冻结土体单元模型模拟土体开挖，激活板单元(隧道衬砌)模拟隧道衬砌施工，具体施工模拟步骤见表2。在研究两隧道相对位置变化的影响时采用两隧道同步开挖，即同步挖除土体、安装衬砌。

表2　施工模拟步骤

为了更方便地表示两隧道之间的相对位置，引入Sx及Sy2个变量分别表示双隧道圆心之间的水平距离和竖直距离。本文选取双线斜向共3种基本工况进行参数分析，具体模型数据如表3所示(其中直径D=6.2 m)。

表3　隧道位置参数

3　有限元数值模拟结果及分析

为研究斜向双线隧道各相对位置开挖引起的影响效应，以11号线徐家汇站—上海体育馆站区间隧道盾构开挖为基础建立各工况进行模拟，选取土层总位移、地表竖向位移、深层土体竖向位移以及双隧道外侧水平位移进行详细计算分析。

3.1　土层总位移分析

图3为斜向工况1中7种情况下隧道周边土体总位移云图。在该工况下，Sy=3D，Sx分别取为 1.5D、2D、2.5D、3D、4D、5D和6D。由图3分析可知，土体最大总位移发生在埋深较浅的隧道附近。在一定范围内，最大总位移值会随着隧道水平间距的增加而减小，且变化幅度逐渐减小，即随着双隧道水平间距的增加，其开挖引起的土体最大总位移值逐渐趋于稳定。

(a) Sx=1.5D

(b) Sx=2D

(d) Sx=3D

(e) Sx=4D

(g) Sx=6D

图4为斜向工况2中6种情况下隧道周边土体总位移云图。在该工况下，Sx=2D，Sy分别取为1.5D、 2D、 2.5D、 3D、 4D和5D。由图4可知，随着B隧道埋深增加，土体总位移峰值的位置从偏于双隧道内侧逐渐向A隧道正上方移动，且最大总位移值逐渐增大，两隧道的位移场联系更紧密；另外，B隧道埋深越大，其周围土体变形越小。

(a) Sy=1.5D

(b) Sy=2D

(d) Sy=3D

(e) Sy=4D

(f) Sy=5D

图4斜向工况2土层总位移云图(单位： mm)

Fig. 4Total displacement nephograms of soils in condition 2 (unit: mm)

图5为斜向工况3中6种情况下隧道周边土体总位移云图。在该工况下，Sx=4D，Sy分别取为1.5D、 2D、 2.5D、 3D、 4D和5D。由图5分析可知，随着B隧道深度的增加，两隧道的位移场呈现逐渐融合的趋势。

(a) Sy=1.5D

(b) Sy=2D

(d) Sy=3D

(e) Sy=4D

(f) Sy=5D

图5斜向工况3土层总位移云图(单位： mm)

Fig. 5Total displacement nephograms of soils in condition 3 (unit: mm)

3.2　地表竖向位移分析

为研究以上3种工况下隧道开挖对地表沉降的影响，分别提取3个模型横坐标-35～35 m的地表沉降值绘制曲线。

图6是Sy=3D时不同水平距离隧道开挖引起的地表沉降对比图。由图6可知，地表沉降峰值位置随较浅隧道移动，可见，埋深较浅的隧道对地表沉降影响较大。随着隧道水平间距增加，沉降双峰趋势逐渐明显，地表土体最大位移逐渐减小，且变化幅度有所降低，可见，双隧道水平间距超过一定长度时，开挖引起的土体位移变化趋于稳定。随着两隧道间距的增加，地表土体沉降量不为零的沉降槽宽度逐渐增大，同时沉降槽“反弯点”的横坐标绝对值随之减小。

图6　斜向工况1地表沉降对比

Sx=2D时，不同竖直距离隧道开挖引起的地表沉降对比图见图7。由图7可知，从曲线形状看，所有图线都呈现明显的单峰效果，且两隧道竖直距离越大，单峰效果越明显。位移峰值发生的位置除Sy=1.5D时稍偏向B隧道外，其他几种工况下峰值位置均在A隧道附近且数值相差不大。

图7　斜向工况2地表沉降对比

Sx=4D时，不同竖直距离隧道开挖引起的地表沉降曲线对比图见图8。由图8可知，所有曲线都大致呈双峰状态，且Sy=1.5D时最为突出。土体沉降峰值的位置均在A隧道上方，且随着隧道间距增加而有所变大；随着B隧道埋深增加，其上方的地表沉降值明显减小，可见增加隧道埋深可有效降低地表沉降值。

图8　斜向工况3地表沉降对比

3.3　深层土体竖向位移分析

为研究隧道开挖对深层土体竖向位移的影响，分别提取每个模型地下2 m处的土体沉降值。图9、图10和图11分别为3种斜向工况下隧道开挖施工引起的深层土体沉降曲线对比图。

图9　斜向工况1深层土体沉降对比

图10　斜向工况2深层土体沉降对比

图11　斜向工况3深层土体沉降对比

观察图9—11，深层土体的沉降规律与地表沉降曲线相似，但从沉降值来看，深层土体的沉降值明显比地表沉降值大，增加比例可达20%，即隧道开挖对深层土体有更大的影响效应。因此，在具体工程施工中应加强对深层土体的沉降监测，以确保土体稳定。

3.4　双隧道外侧水平位移分析

为研究斜向工况1双隧道相对位置对外侧土体水平位移的影响，取A隧道最外侧左0.5 m处的水平位移，将所有曲线整合，如图12所示。

图12　斜向工况1双隧道附近土体水平位移曲线对比

Fig. 12Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 1

由图12可知，所有水平位移工况均在地表及A隧道附近出现较大水平位移。随着B隧道与A隧道水平距离增大，A隧道附近的位移峰值及土体表面的最大水平位移均大致呈增大趋势。A隧道中心线以上的土体受扰动较大，而B隧道引起的A隧道左侧土体水平位移极小，可忽略不计。

为研究斜向工况2双隧道相对位置对外侧土体水平位移的影响，取A隧道最外侧左0.5 m处的水平位移，如图13所示。由图13可知，A隧道最外侧左0.5 m处的水平位移变化趋势为A隧道拱底至中心线逐渐增大，随后至拱顶附近逐渐减小，拱顶至土体表面水平位移又再次增大。随着B隧道与A隧道竖直距离增大，A隧道附近的水平位移峰值和土体表面最大水平位移大致呈增大趋势。同时，A隧道中心线以上的土体受扰动较大。

图13　斜向工况2双隧道附近土体水平位移曲线对比

Fig. 13Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 2

为研究斜向工况3中双隧道相对位置对外侧土体水平位移的影响，取A隧道最外侧左0.5 m处的水平位移，如图14所示。由图14可知，水平位移曲线整体趋势与图13相似，但位移值变化幅度以及B隧道引起的A隧道拱底以下土体变形效应明显减弱。A、B隧道距离越远，相互作用越小，因此，增加双隧道之间的水平距离有利于维持隧道外侧土体稳定。

图14　斜向工况3双隧道附近土体水平位移曲线对比

Fig. 14Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 3

4　土工环境影响因素分析

4.1　土体分层影响

为深入分析土体分层对土体变形的影响，先建立一个理想的均质土体模型，各项参数均由实际土层参数加权平均求得，见表4。

表4　均质土物理力学参数

提取斜向工况1中A隧道最外侧左0.5 m处的水平位移整合，如图15所示。由图15可知，曲线整体趋势与图12相似，随两隧道水平距离变大，A隧道附近的位移峰值先增大后减小，B隧道引起的A隧道左侧水平位移几乎为零，可见A、B隧道在固定竖直距离的情况下，存在一最不利水平距离，使得地表及A隧道附近的水平位移最大。同时，A隧道中心线以上的土体受扰动程度明显较大。