盾构穿越多条既有隧道施工环境扰动分析

2018-11-20代仲海胡再强

水资源与水工程学报 2018年5期

代仲海，胡再强

(1. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048； 2.深圳地质建设工程公司，广东深圳 518023)

1 研究背景

随着我国城市经济的飞跃发展，城市地下空间受到越来越广泛的关注和开发，城市轨道交通、地下快速公路、越江隧道的建设迅速发展[1]，因此新建盾构穿越多条邻近运营隧道的情况不断发生，对于盾构施工水平提出了更高的要求，稍有不慎将引起运营隧道的开裂破坏，严重时甚至导致隧道坍塌等环境灾害。因此，针对盾构近距离穿越多线既有隧道的复杂情况，预测并控制施工期间扰动变形，使其对环境的影响减小到最低限度，就显得越来越重要。

目前，已有众多学者对盾构施工诱发的环境扰动问题进行了丰富研究[3-9]，但对于近距离穿越施工的扰动分区以及对地层应力和超孔压变化等施工扰动机理还缺乏充分和深入的研究，特别是在多条盾构法施工隧道相互影响作用等方面的研究极为匮乏。本文分别对盾构垂直上穿与垂直下穿两种典型穿越方式，构建了三维弹塑性有限元模型，计算分析了盾构掘进引起的地表沉降以及对既有隧道的扰动变形影响，对多线盾构隧道的合理设计及指导施工采取相应的防护措施具有重大现实意义。

2 土体扰动影响因素

盾构法隧道是一个非常复杂的系统工程，盾构的挖掘将不可避免地扰动周围的土体并引起地层的隆起沉降。由于土体损失、超孔隙水压变化以及管片承压变形等因素的影响，原有的土体平衡状态遭到破坏，初始地应力将重新分布，产生地表不均匀沉降、临近的既有隧道发生较大纵向变形等现象。

盾构隧道施工过程中，诸多因素会导致土体的变形。在文献[10]中，深入研究了盾构前推力、盾构与土体摩擦力和土体损失这3种主要因素，并分别给出相对应的计算公式。当然，土质条件、盾构推进速度、注浆压力、注浆速度、注浆量、超挖施工以及既有隧道列车荷载等因素同样不可忽略[11]。因此在使用三维弹塑性有限元法模拟盾构掘进开挖的过程中，为了尽可能地减小数值模拟与实际施工的误差，必须综合考虑上述诸多因素的相互影响。

3 典型软弱地层盾构施工有限元模拟

3.1 掘进过程模拟

本文采用有限元数值模拟中生死单元以及改变材料参数的技术手段，进而实现对与盾构掘进以及同步注浆的有效模拟。采用设置等代层的思路可以将不易量化的注浆过程进行必要简化，达到准确模拟施工过程的目的，等代层示意图如图1所示。

图1 等代层示意图

3.2 三维有限元模型

本文构建的数值计算模型如图2和3所示，其中，X方向为50 m，Y方向为24环管片宽度24×1.2 m(环宽)=28.8 m，Z方向为60 m，新建隧道与既有隧道管片均是通用环楔形管片，其混凝土强度为C60级，混凝土抗渗等级为S12。隧道的内部直径为5.5 m，外部直径为6.2 m，厚度为350 mm，管片的环宽为1.2 m，等代层厚度为 10 cm。假设现有隧道之间净间距为5 m，覆土厚度为22 m，两条新建隧道的净间距为5 m，其与两条既有隧道的净距为4 m。模型共有35 196个实体单元。

图2盾构上穿有限元模型图3盾构下穿有限元模型

3.3 材料参数

本次建模过程中，采用邓肯-帕克弹塑性模型模拟土体介质，为了模拟出盾构管片螺栓连接时产生的刚度折减，将管片纵向刚度乘以0.9的折减系数[12]。此外，模型中通过采用设置时间步长来模拟盾构施工中的时间效应以及土体固结作用的影响。材料参数详见表1和2。

表1 土和衬砌物理参数

表2 等代层参数

注：表1和2中，μ为泊松比，E为弹性模量，γ′为浮容重，c为黏聚力，φ为摩擦角，K为渗透系数。

3.4 盾构穿越分区

为了更加清晰地描述盾构穿越开挖全过程，结合参考文献[13]以及前期对此类参数下单线隧道盾构开挖土体扰动范围研究可知：对既有隧道中心间距小于2D(D为隧道外部直径，下同)，新建隧道距离既有隧道最小净距小于1.8D的近接工况，穿越既有隧道区段可划分为如图4所示的5个区域，即Ⅰ区——穿越接近区域，Ⅱ(1)区——穿越区域1，Ⅱ(2)区——穿越区域2，Ⅲ区——穿越既有隧道过渡区域，Ⅳ区——穿越远离区域。

图4 盾构穿越分区示意图

在模拟盾构上、下垂直穿越过程中，均以2.4 m(2环管片宽度)作为一个推进长度，首先进行1#线路的开挖，再进行2#线路的开挖。

4 数值模拟结果分析

本文主要对盾构掘进时地表的沉降以及对既有隧道扰动变形进行深入分析，以期总结出类似工况条件下普遍性的施工扰动规律。

4.1 地表沉降分析

在盾构掘进模拟过程中，始终以改变穿越分区时的开挖面正上方横向地表沉降为分析对象。研究了新建盾构隧道在不同阶段和不同区域间穿越从而引起的横向地表沉降规律。1#和2#线上、下穿中各区上方横向地表沉降如图5和6所示。

图5 1#和2#线上穿过程中各区上方横向地表沉降图6 1#和2#线下穿过程中各区上方横向地表沉降

图5为1#和2#线上穿过程中各区上方横向地表沉降图。由图5可见，在1#线上穿Ⅰ区时，其相应地表沉降最小，其值约为8 mm，穿越Ⅱ(1)区、Ⅱ(2)区时由于既有隧道上方土压力较小，地表沉降相应也比穿越Ⅰ区时大，1#线穿越Ⅳ区后，其地表沉降最大，其值为13.5 mm，2#线穿越过程中，地表沉降与1#线穿越过程相似，但由于各隧道之间的相互影响作用，其地表沉降均大于1#线穿越过程中的地表沉降，其穿越完成后地表沉降最大为27.5 mm左右。同时可以发现，2#线穿越完成后，地表最大沉降并不是发生在2#线正上方，也不呈对称分布，与施工结果趋势相吻合。由此可见，各隧道之间的相互影响较为复杂。

图6为1#和2#线在下穿过程中各区上方横向地表沉降图，在图6所示的下穿过程中的地表横向沉降规律类似于上穿过程，但总沉降量小于上穿时引起的地表沉降，最大沉降量为14.8 mm。同时，沉降槽的宽度大于上穿过程的地表沉降槽宽度。

4.2 Peck公式验证与修正

Peck(1969)[14]通过分析地面沉降工程相关监测数据及室内试验，提出了横向地面沉降估算公式：

(1)

式中：S(x)为地面沉降量，m；Vloss为盾构隧道每单位长度的地层损失量，m3/m；i为地表沉降槽宽度系数，m；x为距隧道轴线的水平距离，m。

假设η为土体损失百分率，则有：

Vloss=ηπR2

(2)

式中：R为隧道的外半径，m；根据文献[15]中相应的土体损失率取值及相关分布，参考上海地区相关工程施工的平均标准值，本文中η取值为0.89%[15]。故地层损失量为：

Vloss=0.89%×π ×3.12=0.2687 m3/m

沉降槽宽度系数在垂直上穿情况下为：

式中：Z为隧道中心与地表的间距，m；φ为土体的内摩擦角，(°)。故将上述结果代入公式(1)，并且简单假设各不同开挖过程所产生的影响为它们分别开挖所产生影响的叠加，则：

因此，盾构上穿过程引起地表的横向沉降值可由Peck经验公式计算求得其最大值为28.0 mm。盾构下穿时仍可采用同样的方法求得地表横向沉降的最大值为11.8 mm。

对比分析发现，Peck公式计算值在下穿施工时比模拟值小3 mm，这是因为多条盾构法隧道开挖诱发的实际地表面变形并不是简单累加各条单独线路开挖时引起的变形，此外，Peck公式也没有计入各条线路间盾构开挖的相互影响。由此可见，施工后最大沉降并不在2#线正上方，而是稍偏于1#线处，正是盾构掘进对土体二次扰动的结果。在多线盾构施工过程中，为考虑隧道间的相互影响引起沉降槽的偏移，可以引入一个与施工参数密切相关的带方向经验修正系数，对Peck公式做简单修正，形式如下：

(3)

4.3 既有隧道变形分析

在新建1#、2#线路掘进过程中，以既有3#、4#线路为研究对象，考虑其沿着纵向轴线的扰动变形。既有隧道的纵向变形分别如图7～10所示。

图7 1#和2#线上穿过程中3#隧道纵向变形图8 1#和2#线上穿过程中4#隧道纵向变形

图9 1#和2#线下穿过程中3#隧道纵向变形图10 1#和2#线下穿过程中4#隧道纵向变形

由图7和8可见，在上穿过程中，既有隧道均呈上浮趋势，且在2#线穿越的过程中，在原来的基础上地表沉降是继续增大的，具有明显的累积效应，这是由于在2#线开挖的过程中，各条线路之间产生了较大影响，对地层有二次扰动所致。同时，在新建隧道的穿越过程中，随着既有隧道与新建隧道之间距离的缩小，既有隧道的上浮逐步增加，最大的上浮出现在各条线路穿越Ⅳ区时，且既有隧道的最大上浮值出现在新建隧道的正上方，这和地表沉降所呈现出的规律并不一致。在整个穿越过程中，最大上浮值均出现在新建线路穿越既有线路完成时，既有3#线的最大上浮值约6.9 mm，既有4#线的最大上浮值约为7.0 mm。

由图9和10可知，当盾构下穿施工时，两条已有隧道呈现明显的下沉趋势，此外，随着盾构距已有隧道距离的减小，既有隧道的下沉逐步增加，最大的下沉出现在各条线路穿越Ⅳ区时，且既有隧道的最大下沉出现在新建隧道的正上方，这同样与地表沉降呈现出的规律不一致。与盾构上穿过程相比，下穿过程对既有隧道扰动相对较大，既有隧道的最大下沉量可以达到25.0 mm左右。