浅埋类矩形与单圆盾构隧道施工影响对比分析

彭领根

摘  要：随着地下空间的开发利用，能提高地下空间利用率的类矩形盾构在隧道工程中普及开来，但类矩形盾构在较浅土层的施工影响仍值得研究探讨。文章通过软件模拟盾构施工过程，与传统单圆双线隧道对比分析了类矩形隧道在浅埋情况下的施工影响。

关键词：盾构隧道;类矩形盾构;影响分析

中图分类号：U455.43 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）09-0110-02

Abstract： With the development and utilization of underground space， quasi-rectangular shield， which can increase the interest rate of underground space， is widely used in tunnel engineering. However， the construction effect of quasi-rectangular shield in shallow soil is still worth studying and discussing. In this paper， the construction process of shield tunneling is simulated by software， and the construction effect of quasi-rectangular tunnels under shallow burial is compared with that of traditional single-circular double-track tunnels.

Keywords： shield tunnel; quasi-rectangular shield; impact analysis

随着城市交通的发展，发达的地下轨道交通已经成为一个城市发展繁荣的重要标志之一。在地下轨道交通的建设中，盾构法施工因其施工速度快，对周围影响小的特点成为隧道工程首选的施工方法。圆形截面盾构隧道因其结构受力合理，施工中受盾构机旋转影响及土层摩擦阻力较小，广泛应用于隧道工程施工，但是圆形隧道的空间利用率较低，现今在视寸土为寸金的发达城市这种截面形状的盾构方法较为不经济且浪费地下空间资源。因此，既能保证应有的使用功能，又能节约地下空间的异形断面隧道不断被研发出来，类矩形隧道便是其中应用较多的一种。类矩形隧道不仅断面面积较小，且盾构施工一次便可建成，对周围环境影响较小。由于盾构施工造成的影响与隧道埋深有不可忽略的关系，故本文通过有限元软件midas GTS模拟探究了类矩形隧道在浅埋情况下施工是否比传统单圆双线隧道影响小。

1 建立盾构施工模型

1.1 模型材料参数

为使两种盾构是在相同的环境下施工，故模型采用同一种土体来模拟，为了更清晰地对比两种界面类型的盾构施工对周围环境的影响，模型中使盾壳、管片和注浆的弹性模量较大，土体弹性模量较小，可减小因两种隧道管片、注浆受围岩土体的压力产生变形引起土层沉降的影响。模型中个材料参数如表1。

1.2 模型尺寸参数

土体模型大小为120×100×45（长×宽×高，单位m），类矩形及单圆双线隧道截面大小如图1，类矩形隧道管片厚450mm，立柱厚359mm;单圆隧道管片外直径62m，厚300mm，两隧道中心距离12m;两种隧道管片都为12m，注浆层厚30mm，上覆土厚度5m。

为真实模拟施工过程，利用对单元的激活与钝化功能，使每个施工步盾构掘进两个衬环，类矩形隧道为一次施工完成，单圆隧道分为左右同时，右线先于左线10、20、30施工步，右线施工完成左线开始（快60步），五种施工方案来模拟双线隧道的施工。

2 模型结果分析

2.1 橫向土体变形分析

隧道施工过程中无论何种截面类型的盾构向前掘进都会扰动周围的土层，从而引起地表沉降，盾构经过后会在地面横断面方向形成沉降曲线。类矩形隧道和单圆双线隧道不同顺序施工造成横向土体变形如图2所示，类矩形隧道沉降曲线近似于“V”形，在隧道中心处发生最大沉降，沉降值达21mm;单圆双线隧道在埋深5m的情况下施工，对土体造成的沉降曲线近似为“W”形，变形较大的位于两条隧道上方位置，五种施工方案产生的沉降曲线较为接近，最大沉降值为4.3mm。

明显可对比出在浅层5m埋深的情况下，类矩形隧道施工产生的沉降要比单圆双隧道大，但类矩形隧道沉降槽宽度要小于单圆双线隧道。其原因可能由于隧道埋深较浅，隧道上覆土体无法形成拱结构，单圆隧道单个施工时开挖面积较小，对上部土体扰动较小，而类矩形隧道为一次开挖，浅层土体中施工对上部土体扰动较大。

2.2 纵向土体变形分析

盾构在掘进过程中会对掌子面前方土体造成挤压或土体损失，从而引起地表隆起或沉降;盾构机后方土体由于注浆压力，摩擦阻力等原因造成的土体扰动也会造成土体的后期沉降。如图3为类矩形隧道施工在纵断面对土体造成的影响，选取单圆双线隧道五种施工方案中双线同时施工和发生沉降最大的方案与其对比;图中横坐标表示距离掌子面的距离（盾构前方为正），纵坐标表示地表沉降值;从图中可以明显比较出，类矩形盾构前方土体发生隆起，且在挖掘面位置发生明显急剧沉降，而两种方案的单圆隧道相对沉降较小;这是由于浅层土较容易扰动，而类矩形隧道开挖面较为集中，开挖面出现大面积的土体压力不均匀，土体受扰动较大，则沉降较大。

在图3还可发现在类矩形盾构机后方土体沉降波动较大，而单圆隧道在盾构通过后沉降会逐渐趋于平缓。这种现象除了土体受扰动较大的原因外，还可能与类矩形盾构注浆面积较大，注浆压力和周围土压很难在短时间内达到平衡有关，大面积的土体受扰后发生固结也是产生该现象的主要原因，具体是哪种因素占主导因素后续研究可深入探究该问题。

3 结论

通过模拟类矩形及单圆双线隧道在浅层土层中施工，对比分析了类矩形盾构施工对土体产生的影响，结论如下：

（1）类矩形盾构施工产生横向土体沉降曲线近似“V”形，且沉降值远大于单圆双线隧道，但其沉降槽宽度较小。

（2）类矩形盾构前方土体受干扰范围较大，盾构后方土体沉降趋于稳定速度较慢。

可知在浅层施工的类矩形隧道造成的影响同单圆双线隧道相比较大，对施工控制要求较高。

参考文献：

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