双线隧道盾构机侧穿时古石塔地基及塔身变形规律研究

孟 娟， 颜庭成， 陈晓飞， 高新南

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210007； 2.江苏华东地质建设集团有限公司，南京 210007；3.南京农业大学，南京 210031）

在地下工程建设中，轨道交通是开发利用地下空间的主要形式. 在轨道交通建设中，主要采用盾构法施工. 盾构法施工的最大优点是不影响地面交通的正常通行，但盾构法施工也有不利之处，如隧道上方一定范围内的地表沉降尚难完全避免，尤其在软土地区，盾构法施工对周边建（构）筑物影响较大. 因此，盾构法施工对地面建（构）筑物的保护是施工中需要解决的主要问题之一［1-10］. 软土地区由于土体工程性质较差，盾构法施工对地面建（构）筑物，尤其是古建筑的保护压力日趋增大. 关于盾构法施工对地面建（构）筑物影响的问题，国内外学者已经做了很多研究，研究成果大多为盾构机下穿桥梁桩基、多层高层建筑等，但几乎没有关于盾构机尤其是双线隧道盾构机侧穿时对地面石塔影响的研究. 由于土体性质的复杂性、多变性及各种计算模型的局限性，仅依靠理论分析和经验估计很难准确预测盾构法施工在不同施工阶段的地表变形特征，从而也不能为后续安全施工、监测点布设及预防等提供依据，所以国内外学者大多采用数值模拟方法［11-20］.

本文以杭州某地铁区间隧道盾构法施工为工程背景，通过大型岩土仿真分析软件FLAC3D，从三维立体模拟研究了双线盾构隧道侧穿时石塔地基及石塔自身的变形规律，从而为安全施工、监测点布设及预防等提供依据，也为同行类似工程的安全施工提供参考.

1 工程概况

本工程为双线盾构隧道侧穿杭州香积寺古石塔，古石塔为清康熙年间建造，隧道位于石塔南侧. 隧道采用盾构法施工，圆形隧道外径11.3 m，双管双向布置，线间距16.8 m，隧道埋深12.9～13.1 m. 北线盾构隧道侧穿该石塔，距离香积寺石塔中心水平净间距约8.35 m，两者竖向间距约13.1 m（图1、图2）.

图1 隧道与石塔平面关系图Fig.1 The plane position between tunnel and tower

图2 盾构隧道与香积寺石塔立面关系图Fig.2 The elevation relationship between tunnel and tower

2 计算模型建立

2.1 几何模型及边界条件

FLAC3D 软件是美国ITASCA 咨询集团根据拉格朗日元法设计、针对岩土体问题而开发的三维计算软件，可用于岸坡、隧道、地下采场、洞室等分析. FLAC3D软件采用显式的有限差分技术来解决岩土问题，可以模拟多种情形下岩土体或者其他材料经历塑性流动到达屈服极限时的行为，其优点主要体现在解决非线性问题和大变形问题以及模拟物理上的不稳定过程上，适宜岩土体. 鉴于此，本文数值模拟决定采用该软件进行分析，模拟双侧盾构隧道施工过程中石塔地基及石塔自身的变形规律.

根据本工程隧道与香积寺石塔的空间相互关系建立三维模型（图3），Y 方向为隧道开挖方向，Z轴为深度方向，X轴为宽度方向. 模型X方向长100 m，Y 方向宽120 m，Z 方向深40 m. 地层采用实体单元模拟，管片单元和盾壳单元均采用Shell单元模拟，香积寺塔为砌石结构，塔身和基础采用弹性模型进行模拟.

2.2 本构关系

根据现场取样和岩土物理力学试验结果，计算中采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩土体的破坏.

图3 模型网格图（单位：m）Fig.3 Grid diagram of the model

式中：σ1、σ3分别是最大和最小主应力，c、φ 分别是黏聚力和内摩擦角. 当fs＞0时，材料将发生剪切破坏.在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩体是否产生拉破坏.

2.3 材料参数

根据勘察资料揭露的地层结构及物理力学性质，上部土层为新近人工堆积的填土和海相沉积的淤泥质软土层，中、下部为冲湖积、海积的黏性土层、砂层，场地下卧基岩为凝灰岩，地层的物理力学参数如表1. 隧道管片单元和盾壳单元均采用Shell单元模拟，管片采用C60P12的高强防水钢筋砼，数值取值如表2.

表1 隧道通过地层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of the tunnel through the stratum

表2 隧道管片单元和盾壳单元参数Tab.2 Parameters of tunnel segment unit and shield unit

3 数值计算结果

在工程实践中，盾构施工引起地层某一断面的变形时间曲线依次划分为5个阶段：盾构到达该断面前、盾构到达该断面、盾构通过该断面、盾构通过该断面后、盾构通过该断面较长时间后. 一般来说，盾构到达该断面前、盾构通过该断面、盾构通过该断面较长时间后3个阶段对地面变形的影响最为明显. 为了更好地分析盾构开挖推进过程中对石塔的影响，将模拟过程分为三个阶段：①盾构靠近石塔前，即开挖面距离香积寺塔45 m时，对应于前述的盾构到达该断面前；②盾构侧穿石塔，即开挖面处于香积寺塔正南，对应于盾构通过该断面时；③盾构穿越石塔后，即开挖面穿过香积寺塔45 m，对应于前述的盾构通过该断面较长时间后.

3.1 位移分析

图4为隧道施工过程中的竖向位移云图. 在北线盾构掘进至距离石塔45 m时，石塔产生4.0～4.2 mm的竖向位移；当北线盾构继续掘进至石塔正南位置时，石塔竖向位移增加至7.0～9.0 mm；当盾构逐渐远离石塔至塔45 m 时，石塔竖向位移增加至11.4 mm（图4a、b、c）. 而当南线盾构开始掘进并掘进至距离石塔45 m时，从图4可以发现，石塔沉降位移达到11.5 mm，沉降数值增加不大；当南线盾构分别掘进至石塔正南位置时、逐渐远离石塔至塔后45 m时，石塔竖向位移数值增加不大，且沉降开始有收敛趋势（图4d、e、f）.

从石塔的竖向位移云图以及沉降数据中可以发现，盾构掘进期间石塔并不是均匀沉降的，而是沿着隧道的横剖面方向发生了差异沉降，且靠近隧道的一侧沉降要大于远离隧道的一侧，说明盾构掘进期间石塔发生了朝隧道一侧的倾斜. 不过倾斜量很小，北线盾构掘进过程中，基座的差异沉降仅为0.3～0.4 mm；南线盾构掘进过程中，基座的差异沉降仅为0.1～0.3 mm.

图4 双线隧道盾构施工中竖向位移云图（单位：m）Fig.4 Cloud maps of vertical displacement when double-line tunnel shield construztion

由图4可知，当北线盾构开挖面与石塔距离较远时，由于施工对土体的扰动，石塔在自身重力下出现了4 mm左右的沉降. 当盾构推进至石塔正南时，受石塔自身重力影响，地表最大沉降点并不是隧道中轴线正南的点，而且偏向石塔一侧，石塔沉降达到7 mm左右. 当盾尾远离石塔后，石塔竖向沉降继续增大，最大沉降出现在石塔南侧与隧道北侧之间3～4 m的区域，沉降量达到11.5 mm. 由于地表沉降量随着北线盾构开挖掘进过程不断增大，而南线盾构推进过程中，由于其距离石塔较远，其施工对石塔沉降影响较小.

3.2 石塔倾斜分析

图5为出现最大差异沉降时石塔塔身的竖向沉降云图. 从图5 中可以看出，两线盾构掘进完成之后，石塔沿Z方向的最大差异沉降量为3.15 mm.

图6和图7分别为最大倾斜发生时的X向与Y向位移云图. 由图6、图7可知，塔顶至塔底的最大X向倾斜量为12.2 mm，最大Y 向倾斜量为0.9 mm，Y 向倾斜量远远小于X方向的倾斜量.

综上分析可知，盾构侧穿施工过程中，地表最大沉降约为11.5 mm；对于香积寺石塔变形来说，塔顶X、Y 方向水平位移分别为12.2、0.9 mm，Z 方向最大差异沉降量为3.15 mm，最大倾斜率为0.001 1.

从数值计算分析结果来看，本工程盾构隧道施工在理论上是可行的，但考虑地下工程地质情况较复杂，施工过程中风险因素较多，在施工过程中应及时采取一定的控制措施，以保证盾构法施工及香积寺石塔的安全.

图5 最大差异沉降时的塔身竖向位移云图（单位：m）Fig.5 Vertical displacement cloud diagram of tower body during maximum differential settlement

图6 最大X向倾斜时塔身X向位移云图（单位：m）Fig.6 Tower X-displacement cloud with maximum X-direction tilt

图7 最大Y向倾斜时的塔身Y向位移云图（单位：m）Fig.7 Tower Y-displacement cloud with maximum Y-direction tilt

为此，建议对香积寺石塔的变形进行了监测，监测点布置如图8 所示：石塔底面的4 个测点，石塔中心线顶端、中部以及底部各1个测点.

4 结论与建议

本文通过FLAC3D软件，针对双侧隧道盾构侧穿香积寺石塔建立数值计算模型，对双线盾构隧道侧穿时石塔地基及石塔自身的变形规律进行了数值模拟. 通过分析盾构掘进过程中地基沉降、石塔变形等数据，得到如下结论.

1）在软土地层中，盾构隧道侧穿石塔安全风险可控.

图8 香积寺石塔监测点布置图（单位：m）Fig.8 Layout of monitoring points of Xiangji Temple stone tower

2）从计算结果看，地表最大沉降点位于隧道与石塔之间，偏向石塔一侧，石塔倾斜主要表现为垂直隧道掘进轴线方向.

3）地表最大沉降值出现在双侧隧道中离石塔较近侧隧道盾构机盾尾远离石塔后，符合盾构掘进造成的地层扰动、松弛等引起，在软弱黏性土地层中盾构通过该断面较长时间后仍有明显的地面沉降的规律.

结合实际工程，给出以下建议.

1）严格控制同步注浆压力，注浆压力应略大于地层土压和水压之和，以达到对环向空隙有效充填而非劈裂注浆，以免扰动管片周围的原状土而引起地面甚至隧道的沉降.

2）加强洞内二次注浆，确保注浆压力与注浆量.

3）加大监测频率，密切观察地层变化速率，及时反馈信息，修正施工参数.