小净距浅埋盾构隧道相互影响机制与控制措施研究

赵乙丁，刘守花，阳军生，傅金阳，杨安民，刘 玮

(1. 中南大学 土木工程学院，长沙 410075；2. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430000；3. 广东华隧建设股份有限公司，广州 510620)

地下铁道区间隧道通常为双线平行盾构隧道，受周边地下建(构)筑物和线路规划的影响，双线隧道净间距往往小于规范[1-3]要求.此外，后行隧道施工的二次扰动打破了周围土体原有平衡状态，致使先行隧道受力状态发生变化[4-5].北京、上海现场监测结果表明，受后行隧道施工影响，先行隧道管片垂直抬升达50 mm[6]，纵向拉应力增加3.13 MPa[1]，后行洞的施工会造成先行隧道管片开裂，降低先行隧道管片结构的安全性.因此，小净距隧道“近接施工”问题不容忽视.

目前，学者们围绕盾构隧道净距小、埋深浅问题分别开展了大量研究，并取得了丰富的研究成果.理论研究方面，晏莉等[7-8]基于复变函数理论，提出了半弹性应力场内并行双线隧道施工地层变形的解析值；刘俊等[9]采用理论分析方法分析了不同覆跨比下浅埋隧道的破坏模式.数值计算方面，Hage等[10-12]分析了双线盾构隧道不同布置形式、开挖顺序对地表沉降及周边环境的影响；李凤涛等[13]采用有限差分法分析了浅埋泥水盾构隧道开挖面稳定性.但是，国内外对于净距小并且埋深浅的盾构隧道研究并不多见，现有研究成果很难应用于小净距浅埋盾构隧道.

鉴如此，本文作者依托广州至佛山城际铁路陈村2号隧道工程，采用精细化数值模拟技术，建立盾构隧道施工三维模型，分析后行隧道施工对先行隧道管片位移、内力及接头张开量的影响，并对浅埋盾构隧道不同净距下双线施工相互影响规律进行分析，提出“隔断墙+水泥土搅拌桩”相结合的地层预加固控制措施，并应用到陈村2号线隧道工程.

1 工程概况

广佛城际铁路陈村2号隧道为双线平行隧道，区间采用土压平衡盾构，盾构机开挖直径D为8.8 m[14].管片环外径为8.5 m，厚0.4 m，宽1.6 m，混凝土强度等级为C50，管片环向、纵向采用M30高强螺栓连接[14-15].地勘资料显示[15]，盾构始发段地层属典型上软下硬地层，地质横断面见图1，其物理力学参数见表1.该区段隧道的净距L最小为3.1 m，最大为8 m，且覆土层厚度为5.5 m.

表1 土层参数

2 双线盾构隧道施工相互影响

陈村2号线隧道始发段具有净距小、埋深浅、穿越上软下硬地层的特点，始发段施工难度极大，且应用现有成果难以直接指导其施工.为给小净距浅埋盾构隧道施工控制提供理论依据，采用数值模拟进行精细化建模，开展小净距浅埋盾构隧道相互影响机制研究.

2.1 工况设置

对于盾构隧道净距大于1倍洞径工程，国内外已有大量成功案例[1,6,11].因此，本文主要探讨浅埋隧道净距小于1倍洞径情况，设置7种计算工况，双线净距L依次为3.1、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、8.8 m，隧道洞顶埋深取5.5 m，与始发段埋深相同.

2.2 精细化模型建立

采用Abaqus软件建立隧道施工模型，分析盾构隧道施工相互影响机理.为了降低计算成本，仅对模型中先行隧道中间5环管片建立非连续接触模型[16]，管片精细化模型见图2，其余管片为等效匀质圆环.其中，非连续接触模型部分管片接头及切向采用库伦接触摩擦模型(Penalty)，摩擦系数取0.83，法向采用“硬接触”(Hard Contact)，管片间连接螺栓采用梁单元模拟，将其嵌入(Embedded)到管片中模拟两者相互作用[17-18]，管片相邻环之间错缝拼装，见图2.对于等效匀质圆环，通过非连续接触数值模型模拟等效试验，刚度折减系数η取0.746，且符合建议值[19]，与非连续接触模型切向同样采用库伦接触摩擦模型，法向采用硬接触.

盾构施工的三维数值模型见图3，模型侧面、底面约束法线方向位移，上表面自由边界.管片、螺栓、盾构机均采用弹性材料模拟，土体服从Mohr-Coulomb屈服准则.盾构机采用匀质圆环模拟，刀盘和土舱对开挖面作用等效为刀盘扭矩和土仓压力[14,20]，数值模型中结构空间分布见图4.

根据实际施工顺序进行数值模拟，主要包括地应力平衡和盾构掘进两个过程.在一环盾构施工分析步中，采用“Remove”杀死该环土体单元模拟土体开挖，激活(Add)盾壳单元模拟盾构机在顶推力作用下前移，并移除施加于开挖面上的土仓压力和刀盘扭矩，激活下一环土体开挖面上的土仓压力和刀盘扭矩；盾尾区域则杀死最后一环盾壳单元，激活该区域内的注浆层(硬化前)单元及管片单元，同时洞壁土层内表面及管片环外表面施加注浆压力，上一分析步中施加的注浆压力则进行移除.为考虑注浆层硬化的时间效应，将其等效为施工进尺，硬化时间为4环管片长度.

2.3 双线隧道盾构施工相互影响分析

以隧道净距L为3.1 m工况(陈村2号隧道)为例，中间位置作为分析断面，分析双线隧道施工相互影响.

2.3.1 地层变形

地表隆起与沉降是隧道施工对地层扰动的最直观反应，也是施工变形监测的重要内容.先行线、后行线施工完成时，分别提取模型Z方向中轴面地表竖向位移，并绘制地表沉降槽曲线,如图5所示.

由图5可见,先行隧道施工完成后，地表呈“单峰”沉降槽状[21]，最大沉降值为14.2 mm，双线施工完成后，地表沉降呈“双峰”分布[4-6,11,22-23]，最大沉降值15.5 mm，峰值均位于先行隧道90°轴线附近，且最大沉降值小于规范控制值[24].后行隧道施工对地层扰动主要扩大了扰动区域，增加了地表沉降槽宽度，对地表沉降峰值影响较小，主要是由于隧道穿越上软下硬地层，先行线施工后隧道周边土体出现塑性区域小，从而导致后行线施工对周边土体的扰动小，以致先行隧道沉降峰值并未发生明显增加.

2.3.2 先行隧道管片内力与变形

为分析后行线施工对先行隧道的影响，以先行隧道管片非连续段第③环为分析对象，提取先行线和后边线施工完成后管片位移，管片内缘总位移和附加位移示意见图6.由图6可见，先行隧道施工完成后，管片90°轴线附近区域均向内侧收敛，而180°轴线区域向外变形，直径最大变形为1.78‰D，小于规范值[24]，且变形沿管片90°轴线对称分布；同时，后行隧道施工产生的“侧向加载”效应使先行隧道呈现出远离后行隧道的变形规律，即先行管片靠近后行隧道侧变形出现一定回弹，而远离后行隧道侧变形则进一步发展.由于隧道穿越上软下硬复合地层，上部地层抗扰动性能低，且由于该环管片刚度封顶块置顶，管片上部刚度小于下部刚度，此时管片刚度最小[17,21,25]，导致管片上部位移大于下部位移.

选取第③环内壁竖直、水平方向附加位移最大值点A点和B点作为特征点，设后行隧道刀与分析断面的距离为H，管片内缘特征点随后行线掘进的位移曲线见图7.由图7可见，管片变形速率呈先增大后减小规律，变形速率在H=0前后达到峰值；当H约为8.8 m时，即刀盘通过分析断面1倍开挖洞径时，变形量达到峰值，且A点和B点的受盾构掘进影响规律相同；当刀盘距开挖断面位于1倍开挖洞径区域(-D

相较于管片环的尺寸，纵向接头的张开量很小，将后行线施工完成后非连续衬砌环的变形量放大200倍，先行隧道管片接头张开示意见图8.由图8可见，纵向接头张开现象明显，管片180°轴线位置纵向接头有向外张开的趋势，90°轴线附近区域纵向接头则向内侧张开，并形成相应的张开角，说明环向螺栓的铰接作用使管片间有一定的连续性.管片不同纵向接头张开量变化曲线见图9.由图9可见，管片张开量与管片位移分布规律相同，主要是管片接头张开与变形相协调的结果.

管片内缘最大主应力和附加应力云图见图10.由图10 可见，由于管片间螺栓的铰接作用，管片内力在接头处存在突变或不连续现象，最大拉应力位于拱顶内缘达2.44 MPa，超过C50混凝土的抗拉强度设计值1.89 MPa，附加拉应力最大值达0.58 MPa，超过应力控制标准[26].

2.4 不同净距下盾构隧道施工相互影响规律

2.4.1 地层变形

双线施工完成后，不同净距L下地表沉降槽规律曲线见图11.由图11(a)可知，随着双线净距增加，沉降槽曲线“双峰”特性愈发明显；由图11(b)可见，沉降值为-5 mm的沉降槽宽度呈线性增大；由图11(c)可见，以隧道净距7.0 m为界，沉降峰值随净距呈先线性减小后基本稳定规律.说明净距增大到一定程度，相较于单线隧道，双线隧道施工引起的地表沉降主要表现为沉降槽宽度增加.

2.4.2 先行隧道管片内力与变形

不同净距下管片内力与变形曲线见图12.由图12可见，随着净距增大管片附加位移逐渐减小，即后行隧道施工对先行隧道影响减弱，且由于施工扰动和上软下硬复合地层影响，使得靠近后行隧道侧和顶部减小量明显.管片接头附加张开量和最大附加拉应力随净距增大呈线性减小规律，且隧道净距为3.1 m时，最大值附加拉应力为0.58 MPa，超过应力控制标准[26].

3 安全控制措施及效果

3.1 安全控制措施

根据数值模拟结果分析知，净距小于5.0 m时，先行管片拉应力、附加拉应力均超过控制标准[26].因此，为保证盾构小净距段的施工安全，提出“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固地层的安全控制措施.水泥土搅拌桩地层预加固范围：盾构方向取净距小于5.0 m区域，即自盾构始发井位置盾构掘进方向取70 m；垂直盾构方向，水平向自管片180°轴线向外延伸3 m，竖向自管片90°轴线向上延伸3 m，向下深入全风化层1 m.共设置三道厚800 mm的素混凝土地下连续墙作为隔断墙，隔断墙沿盾构方向长18 m，垂直盾构方向深16 m，地层预加固示意见图13.

3.2 安全控制效果分析

考虑“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固，重新建立隧道施工数值模型，其中水泥土搅拌桩和隔断墙均采用弹性材料模拟[27-28].其力学参数由室内试验获取，弹性模量分别为170 MPa和28 GPa，泊松比分别为0.29和0.22. 结合现场地表沉降测试结果(测点布置见图1)和数值模拟结果，分析“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固措施的安全控制效果.

3.2.1 先行隧道管片内力

先行管片最大主应力和附加拉应力云图见图14.由图14可知，先行隧道施工完成后，先行管片最大拉应力为1.7 MPa，小于管片混凝土的抗拉强度设计值；先行管片附加拉应力最大值为0.29 MPa，小于应力控制标准[26].

3.2.2 地层变形

地表沉降槽曲线见图15，土体竖向位移云图见图16.由图15、图16可知，实测地表沉降分布规律与数值模拟相同，且实测地表沉降最大值小于控制标准[24].因此，数值模拟结果合理可靠，“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固控制效果明显.

4 结论

依托广佛城际铁路陈村2号隧道工程，采用数值模拟方法进行精细化建模，开展了小净距浅埋盾构隧道施工相互影响研究，并提出了安全控制措施.主要结论如下：

1)双线隧道施工时，受后行隧道盾构施工影响：地表沉降槽宽度和沉降峰值均增大；先行隧道呈现向远离后行隧道变形规律；先行隧道管片接头张开量减小；双线净距与地表沉降槽宽度呈线性正相关，与地表沉降峰值、管片附加变形、接头张开量和附加拉应力呈负相关；随净距增大，后行隧道施工对先行隧道和地表沉降的影响减弱，逐渐呈现单线隧道规律.

2)盾构隧道穿越上软下硬复合地层施工时，由于上层粉细砂、淤泥强度小，上部软弱地层抗扰动性能差，使得管片上部受盾构施工影响明显.当管片封顶块置顶时刚度最小，封顶块置顶管片的变形、接头张开量等均最大，且管片上部抵抗变形能力差.因此，管片置顶进一步加剧了上软地层管片上部受盾构施工的影响，后续盾构施工应避免将封顶块置于拱顶位置.

3)由后行隧道盾构推进对先行隧道影响可知，在与后行隧道刀盘相距不大于1倍开挖直径范围内，先行隧道受后行隧道影响显著，该区域即为强影响区，施工中应加强该区域监控量测.

4)陈村2号隧道始发段数值模拟表明，净距小于5.0 m时，先行管片拉应力和附加拉应力均超过控制标准，提出对双线净距小于5.0 m区域实施“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固控制措施.实测和数值结果均小于控制标准，因此，“隔断墙+水泥土搅拌桩”预加固措施安全控制效果良好，可供后续类似工程设计和施工提供参考.