双线地铁盾构隧道下穿既有河道施工对地层变形的影响分析

周高烽,朱东峰 ,姜怀祖

(1.西南交通大学土木工程学院交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.中铁二十一局轨道交通工程有限公司,山东济南 250021)

为缓解目前城市公共交通的拥堵问题，以地铁为代表的城市轨道交通得到了快速发展。盾构法因其适应性强、机械化程度高和不影响地面交通等优势在城市地铁区间隧道建设中得到了大量的应用[1-2]。在城市中使用盾构法修地铁区间隧道时通常会遇到隧道下穿地面结构物以及地下管线等既有结构物的状况。由于盾构机在土体中掘进，会引起土体的应力重分布和地层变形，进而会引起地面结构物发生变形。若引起的地层沉降过大则势必会影响到既有结构物的正常使用。

国内外学者对盾构法施工引起的地表沉降和既有结构物变形问题开展了众多的研究。但对盾构隧道下穿既有河道施工时对既有河道与隧道不同交叉角度下的相互影响所开展的研究较少。故本文将以成都地铁六号线某区间盾构下穿既有河道为工程背景，分析了5种不同交叉角度下地层的变形特性，最后结合实际的盾构施工的监测数据进行对比，得出结论。

1 工程概况

本文以成都地铁6号线某双线盾构区间隧道斜穿某既有河道为研究对象。该盾构区间隧道的覆土层厚度为13.5 m，左右线两隧道轴线间的距离为12.4 m。盾构隧道的开挖直径为6.28 m，隧道管片的外径为6.0 m，内径为5.4 m，其沿隧道轴线方向上的长度为1.5 m。为了减少盾构掘进施工对上覆既有河道的影响，盾构区间采用先掘进左线隧道，然后再掘进右线隧道的施工工序。隧道轴线与河道轴线之间的夹角为56 °。河道河床为混凝土结构，河面宽度为12.0 m，河道深3.5 m，河道内枯期水位0.3～0.5 m，富水期水位1.0～1.2 m。根据地质勘察资料表明，河道内水位与地下水无直接联系。盾构隧道拱部距离河道底部最小间距为10.0 m，盾构隧道下穿河道影响左右线的长度约30 m。地铁双线盾构区间隧道与河道的空间位置关系以及隧道穿越的地层状况如图1所示。

图1 地铁盾构区间隧道与河道的空间位置关系及地层状况

2 数值模拟

为了研究不同交叉角度下盾构隧道掘进施工对地层与河道变形的影响，根据对目前国内外盾构隧道下穿河流工程案例的总结[3-6]，现有的盾构隧道与河道之间的夹角即隧道轴线与河道轴线之间的夹角多在25～90 °之间，故本文在数值模拟中将隧道与河道轴线之间的夹角分别取为30 °、45 °、60 °、75 °、90°五种工况，分别为工况1～工况5。同时，为便于对比分析，还增加了一个地表无河道的工况，即盾构机在地表无河道时的掘进工况为工况6。在不同交叉角度的模型中，为使计算具有可对比性，将河道的宽度和深度保持不变，以确保基本变量在不同交叉角度计算模型中的一致性。图2为本文所建立的地铁盾构隧道与河道不同交叉角下的工况示意图。

图2 盾构隧道与河道之间不同夹角工况的示意

2.1 基本假设

鉴于实际工程中盾构机的掘进是一个连续的过程，因此本文采用FLAC3D中的刚度迁移法[7]来模拟盾构机的连续掘进。由于数值模拟与实际施工状况之间还存在一定的差异，为便于分析，计算中采用了以下几点假设。

(1)将地层视为弹塑性材料，其应力应变本构关系遵循Mohr-Coulomb屈服准则，并采用FLAC3D软件中的实体单元模拟地层。

(2)河道的主体为混凝土结构，整个河道采用八节点的实体单元模拟。

(3)使用FLAC3D软件的shell平面结构单元来模拟盾壳。

(4)盾构隧道管片的纵向长度为1.5 m，厚度为30 cm。用FLAC3D软件的八节点的实体单元模拟管片。

(5)因为盾壳直径稍大于管片的直径，所以在盾尾脱出后，在管片和地层之间势必存在一定的间隙，故用等代层[7]来模拟盾壳和管片之间的间隙与盾尾的注浆，等代层厚度取10 cm，采用FLAC3D中的实体单元来模拟。

(6)在模拟盾构掘进的数值计算中不考虑地下水的渗流作用。

2.2 计算模型

根据弹性力学中Saint Venant原理，隧道开挖影响区域为隧道洞径的3～5倍，因此，所建立的数值计算模型尺寸沿隧道轴线即y轴方向的长度为210 m，模型高即z轴方向的长度为44.5 m，x轴方向的长度为84 m，计算模型和坐标系如图3所示。数值计算模型的前后左右面各施加法向位移约束，模型的底面施加竖向位移约束，模型顶面为自由面。

图3 盾构隧道下穿河道的三维数值计算模型

2.3 计算模型的物理与力学参数

结合地铁盾构双线隧道斜穿既有河道地段的地质勘探资料，数值计算模型中地层的物理和力学参数见表1。盾构管片由于采用纵向和横向螺栓进行拼接，因此需要对盾构管片纵向和横向刚度进行折减，管片横向刚度的折减系数取0.6～0.7[8]，管片纵向的抗弯、抗剪刚度折减系数取0.01[9]，而纵向抗压刚度折减系数一般取1.0，即不考虑抗压系数折减。由于等代层模拟盾尾管片与地层之间的空隙和注浆层，所以等代层的参数应当小于注浆浆液硬化后的参数，注浆压力取0.2 MPa，等代层和管片参数如表2所示，其中Ex、Ey、Ez分别代表管片单元的弹性模量在整体坐标系x轴、y轴和z轴上的分量。

表1 地层物理力学参数

表2 等代层和管片物理力学参数

2.4 施工过程的模拟

数值模拟采用刚度迁移法来模拟盾构机的连续掘进。对隧道掘进施工过程的模拟是先掘进左线隧道，然后再模拟掘进右线隧道。在盾构机的掘进工程中，取两环盾构管片的宽度3 m为一个掘进步，即左线掘进69步，右线也掘进69步。盾构的掘进过程是：利用空模型Null杀死土体单元，并且对开挖面施加均布土压力，激活盾壳Shell单元，盾尾脱出后，再删除盾壳Shell单元，然后用均匀分布的环向压力来模拟盾构注浆压力的施加，然后改变等代层和管片的参数来模拟盾构的掘进。

3 盾构隧道掘进引起的地层沉降槽特性

Peck通过对大量地层沉降数据的研究提出了在不考虑地层排水固结作用时地层沉降的计算方法即Peck公式[10]。国内外的研究表明，隧道开挖后地表沉降满足正常的高斯函数。Peck公式主要用于分析隧道开挖后引起的地表沉降特性而不能分析沉降对于地面构筑物的影响。本节主要分析在不同的交叉角度下，盾构隧道掘进所引起的地表沉降槽变化规律。

为便于分析，将盾构隧道轴线与河道轴线的交叉点取为C点，见图2所示。在不同交叉角度的计算工况中，为了研究在不同交叉角度工况下盾构隧道掘进所引起的地层沉降槽的变化特性，取C点所对应的y坐标即y=65m处的断面作为监测断面。经过模拟计算，在不同的工况计算结果中，左右线盾构隧道掘进后所引起的地表沉降曲线形状基本相同。为更直观的反映地表沉降槽特性，根据Peck公式取沉降槽宽度w和最大沉降量zmax即最小变形的绝对值作为主要特征。其中沉降槽宽度w=2i，i为沉降曲线对称中心到曲线拐点(反弯点)的距离。

根据所有工况的计算结果，绘制左线和右线掘进后的沉降曲线，然后利用Origin软件中的高斯拟合功能，得到不同计算工况下的最大沉降量zmax和沉降槽宽度w，其结果见图4。

(a)地表最大沉降量

(b)沉降槽宽度图4 地表沉降特性

图4(a)表明，在夹角为30～90 °的各个工况以及工况6中，右线隧道掘进后的最大沉降量均大于左线隧道掘进后引起的沉降量，增量约为4～5 mm。当夹角为30～90 °时，在左线隧道与右线隧道掘进后，地表最大沉降量均随夹角的增大而呈缓慢下降趋势。左线施工引起的最大沉降量从7.4 mm下降到4.6 mm，右线隧道施工引起的最大沉降量从10.5 mm下降到8.8 mm。而工况6时左线隧道施工引起的地表最大沉降量为4.2 mm，右线隧道施工引起的地表最大沉降量为8.2 mm。在工况6下左右线施工引起的地表最大沉降量均小于30～90 °时的最大沉降量。图4(b)表明，在夹角为30～90 °各个工况以及工况6中，右线隧道掘进后的沉降槽宽度均大于左线掘进后的沉降槽宽度。增量约为5 m。当夹角为30～45 °时左右线掘进后引起的沉降槽宽度随角度的增加而逐渐下降，左线的沉降槽宽度从25.6 m下降到24.2 m，右线沉降槽宽度从30.5 m下降到29.4 m。此后在夹角为45～90°时，左右线的沉降槽宽度均随角度的增加而呈上升趋势。左线的沉降槽宽度从24.2 m上升到40.4 m，右线沉降槽宽度从29.4 m上升到45.8 m。工况6下的左线沉降槽宽度为21.8 m，右线沉降槽宽度为26.9 m，且工况6的最大沉降槽宽度均小于夹角为30～90 °时的沉降槽宽度。

基于上述分析，河道轴线与隧道轴线之间的夹角与地层变形之间存在相互影响。当有河道存在时，地表最大沉降量和沉降槽宽度均大于无河道存在时的数值，说明河道的存在会增加盾构隧道开挖对地表的影响范围和程度。且随着隧道轴线与河道轴线交叉角的增大，地表最大沉降量呈逐渐减小的趋势，而沉降槽宽度总体则呈增大的趋势。

4 工程实测与分析

4.1 监测点布置

为分析盾构区间隧道掘进期间引起地表和河道的沉降，结合成都地铁6号线某双线盾构区间隧道下穿河道的工程实例，对地表和河道的沉降进行监测。根据对隧道区间与河道的地理位置分析，隧道轴线与河道轴线之间的夹角为56 °。该河道是一条人工河道，河面宽度为12 m，故在河道两侧外布置地表沉降监测点和河道岸布置河道沉降监测点，监测点的布置如图5所示。

图5 地表和河道沉降监测点平面布置

4.2 监测结果和分析

现场盾构施工时先掘进左线隧道然后再掘进右线隧道。本节将以数值模拟中隧道轴线与河道轴线交叉角为56°工况下的计算数据与监测结果进行对比分析。

根据实际监测断面D1、D2(图5)的数据和数值模拟计算得到的地表沉降数据绘制成图6。

(a)监测断面D1

(b)监测断面D2图6 地表沉降

对于监测断面D1、D2而言，在左线和右线隧道掘进完成后，监测的沉降曲线大致呈凹槽型分布，且右线隧道的沉降槽宽度大于左线隧道的沉降槽宽度，右线的最大沉降量大于左线的沉降量，这些监测值特征与数值模拟计算结果相吻合。但是在左线隧道和右线隧道掘进完成后，监测值的最大沉降量都要略大于数值模拟的最大沉降量，并且监测的沉降曲线出现较大的拐点。这是因为数值模拟对实际盾构掘进做出了相应的假设，并且未考虑地下水和土层不均匀分布的特性的影响，从而造成计算结果相对偏小。

5 结论

本文研究了地铁双线盾构隧道下穿既有河道时隧道轴线与河道轴线之间不同夹角下盾构掘进对地表变形特性，并结合盾构隧道斜穿既有河道的实际监测数据进行了对比与分析，主要得出以下几点结论：

(1)在地铁双线盾构隧道掘进期间，河道的存在会增大地表沉降量和沉降槽宽度，说明河道的存在会增加盾构隧道开挖对地表的影响范围和程度。因此在实际盾构隧道下穿既有河道时，应控制好盾构掘进参数以减少盾构掘进对地层和河道的影响。

(2)随着隧道与河道交叉角度的逐渐增大，地表最大沉降量呈缓慢减小的趋势，而沉降槽宽度总体呈增大的趋势，尤其是在交叉角度为60～90 °之间时沉降槽宽度增大的趋势较快。因此为了确保河道最大沉降量不超过河道沉降限值，盾构应大角度下穿既有河道。