地铁盾构法施工对翠屏山隧道的稳定性分析

(中铁十八局集团 第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 工程概况

拟建的南京地铁十四号线规划以南北方向经过南京江宁区翠屏山处，与现有翠屏山隧道错层交汇。根据宁地铁函字(2001)30号文件，新建地铁隧道拟采用盾构法下穿翠屏山隧道，左右线中心距为13.5 m，相近边线距离为7.2 m。地铁左线中心线与翠屏山隧道相交处桩号分别为K35+365.85(南侧)、K35+341.35(北侧)，南北侧地铁隧道顶高程分别为1.65 m和2.48 m，距离翠屏山隧道底部距离分别为1.12 m与2.03 m；地铁右线中心线与翠屏山隧道相交处桩号分别为K35+362.51(南侧)、K35+340.85(北侧)，南北侧地铁隧道顶高程分别为1.58 m和2.45 m,距离翠屏山隧道底部距离分别为1.00 m与1.71 m。地铁隧道与翠屏山隧道位置关系如图1所示。

图1 地铁隧道与翠屏山隧道位置关系

根据工程项目实测地勘资料，工程区域土层按照岩性共可分为杂填土、素填土、粉土、粉砂类细纱、淤泥质粉质黏土、粉质黏土①、粉质黏土②、强风化安山岩8层，地质承载力较好。其中，翠屏山隧道所在地层为粉砂类细纱、淤泥质粉质黏土；盾构地铁隧道所在地层主要为粉质黏土①、粉质黏土②；隧道底部为强风化安山岩。其中，粉砂类细纱层的土体重度为19.5 kN/m3，渗透系数为2.42×10-3，孔隙比为0.651，泊松比为0.30，压缩指数为0.070，回弹指数为0.005 0，临界应力比为1.015，侧压力系数为0.56。

工程地基采用加设抗拔桩加固模式。在沿翠屏山隧道方向设置4根/排的抗拔桩，抗拔桩的布设参考翠屏山隧道底板的拉应力分布(拉应力大的区域布设较密)。共布设28根抗拔桩。抗拔桩的具体布设如图2所示。

图2 抗拔桩的具体布设情况

2 三维数值模型建立及计算

2.1 研究范围

图3 研究范围内整体建模情况(单位：m)

以地铁左线中心线与翠屏山隧道相交处南侧(桩号K35+365.85)为中心点，X方向(地铁盾构掘进方向)取72 m长；Y方向(翠屏山隧道方向)取80 m长，Z方向(竖直方向)取45.6 m长，以右手法则判断坐标正负。整个研究范围体积共262 656 m3，采用ANSYS有限元软件进行计算，模型研究范围示意见图3。

2.2 网格划分

为减小单元网格之间应力传递误差，保证模型计算的准确性，对研究范围内各材质单元进行不同的网格划分[1-6]。其中，混凝土管片采用Shell 93、隧道周边岩体采用实体单元Solid 95。对局部关心区域进行了加密处理[7]。将模型网格划分结果绘于图4。

图4 研究对象网格划分

2.3 施工工序模拟

整个施工工序分为4个步骤：①翠屏山隧道明挖施工完成，形成自重地应力场；②完成抗拔桩施设，左线隧道开挖；③完成左线管片拼装，形成支护，释放80%载荷；④左线隧道施工完成，右线隧道施工，释放载荷同左线；⑤左、右线隧道施工均完成。将部分施工工序数值模拟绘于图5。

图5 部分施工工序模拟

3 数值模拟结果及分析

3.1 地铁隧道盾构自身变形分析

根据数值模拟计算结果，将地铁左、右线施工过程中隧道围岩变形量列于表1。

表1 地铁隧道施工过程中围岩变形量统计 cm

分析表1可知：

(1)翠屏山隧道明挖施工完成后，对隧道围岩变形量影响较小。

(2)在整个施工过程中，隧道围岩变形最大的时刻发生在盾构掘进后，无管片支护阶段。此后随着支护效应起作用，围岩变形量逐渐减小。

(3)本工程地铁隧道先施工左线，完工后再施工右线，从最终围岩变形量来看，左线与右线变形量相近，可见施工顺序对最终围岩变形量影响较小。

3.2 地铁隧道盾构施工过程中翠屏山隧道应力应变分析

基于数值模拟计算结果，重点分析地铁隧道在盾构过程中，翠屏山隧道底板在纵向与水平向应力、应变的大小[8-10]，并分析主要受压、受拉区域。将施工过程中，翠屏山隧道底板纵向应变分布绘于图6，底板横向应变分布绘于图7。

图6 翠屏山隧道底板纵向应变变化过程

图7 翠屏山隧道底板横向应变变化过程

分析图6、图7可知：

图8 翠屏山隧道底板横向应变变化过程

(1)在十四号线地铁左线隧道施工完成时，因与翠屏山隧道交叉点距离翠屏隧道底板距离较小(仅有1.004 m)，导致底板出现以交叉点为中心的下沉区域，这种不均匀变形体现在底板下缘受拉。与此同时，在抗拔桩支撑作用下，局部区域呈现下缘受压的相反状态。

(2)在左、右双线均完工时，翠屏隧道底受压区与受拉区分布更加明显，最终形成沿着隧道底板横、纵向中轴两条受压区，其余均为受拉区的情况。同时，由于中隔墙的作用，所有受拉、受压区之间均不连续。

根据上述结论，对翠屏山隧道底板进行分区处理，总共分为8个区(如图8所示)。同时，将翠屏山隧道底板横、纵向最大应变变化过程绘于表2。

根据表2，结合前文分析可知，翠屏山隧道底板受下穿地铁施工影响，导致交叉点上方底板区域成为结构受力最不利的区域。如何改善交叉点上方的受力状态是保证翠屏山隧道整体结构稳定的重要关键。

表2 翠屏山隧道底板横、纵向最大应变变化过程

3.3 地铁隧道盾构施工过程中翠屏山隧道变形量分析

根据数值模拟计算结果，将地铁盾构施工过程中，翠屏山隧道顶、底板最大变形量统计于表3，将地铁左、右线施工完成后，翠屏山隧道整体竖向变形分布图绘于图9。

表3 各施工状态下翠屏山隧道顶板、底板最大变形量

图9 地铁左、右线施工完成后，翠屏山隧道整体竖向变形分布图

分析表3及图9可知：

(1)翠屏山底板、顶板变形最大增量阶段为盾构掘进后，无管片支护阶段，此时由于缺少管片支撑作用，隧道应变场处于“毛洞”状态。进一步分析可知，顶板与底板在此阶段内产生的变形量，分别占总变形量的52.5%与42.0%。

(2)根据数模计算结果，翠屏隧道最大竖直下降量为18.2 mm，满足项目设定的±20.0 mm。由于安全预留值较小，建议对结构稳定措施进行进一步优化。

(3)考虑到翠屏山隧道最大下沉处均在该隧道中心线位置，作为安全储备，建议沿翠屏山隧道中心线，在局部增设抗拔桩，减小桩间距，改善其受力条件，控制下沉量。

4 结论

(1)从工程施工过程对土体的变形量来看，南京地铁十四号线隧道盾构施工对翠屏山隧道周围土体扰动较小，翠屏山隧道整体稳定，未出现大的异变。

(2)根据数值模拟计算结果，地图盾构隧道下穿区对应的翠屏山隧道底板压力变化值最大，其受力特征主要表现为：受抗拔桩的支撑作用和盾构隧道的施工影响翠屏山隧道底板下缘的纵向最大附加拉应力为2.14 MPa，最大压应力为-0.714 MPa。底板下缘的横向最大附加拉应力为1.72 MPa，最大压应力为-2.25 MPa，底板上缘的横向最大附加拉应力为2.73 MPa，最大压应力为-1.69 MPa。

(3)在地铁隧道盾构施工前，在翠屏山隧道底板下增设抗拔桩对于减小隧道底板拉应力，重塑底板应力分布，控制土体变形具有重要作用。同时，由于翠屏隧道最大竖直下降量为18.2 mm，距离项目设定的±20.0 mm临界安全值预留空间较小，建议加密抗拔桩以增大工程安全性。考虑到最大应力区出现在翠屏山隧道中心区域，因此建议在该区域进行抗拔桩加密。