近距离平行盾构施工数值模拟及影响因素分析*

朱红桃

(中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

0 引言

近年来，我国城市轨道交通进入网络化发展，新建隧道与已建隧道间出现复杂工况的几率也越来越高，其中包含相互平行、重叠、交叉穿越等[1-4]。随着穿越工程的增多及周边环境等多方面限制[5-8]，不可避免地缩短了隧道间距，加剧了施工复杂性。

目前，对于新建隧道近距离穿越已建隧道的研究已取得较多成果。文献[9-10]采用三维有限差分数值分析方法研究盾构隧道施工对既有近距离平行隧道变形和洞周土压力变化规律。祝思然等[11]结合现场监测数据，对盾构隧道近距离下穿既有隧道的整个施工过程进行调查和研究，提出控制既有隧道沉降的有效技术措施。张晓清等[12]研究盾构隧道近距离多线叠交穿越的施工扰动机制。文献[13-14]基于有限元软件FLAC 3D，模拟厦门地铁施工过程，得到已建隧道开挖完成时土体对衬砌管片的影响及新建隧道开挖过程中对已建隧道衬砌管片和周边土体的影响。方勇等[15]采用有限元模拟，研究新建盾构隧道动态掘进时已建隧道位移、变形和内力的变化规律。熊志浩[16]通过理论计算研究盾构推进过程中的地层位移。樊磊[17]采用有限元模拟与现场检查相结合的方法，研究新建隧道与既有隧道相互影响的应力及变形规律。江宇等[18]通过对比分析近距离重叠盾构隧道施工的相关影响，发现先上后下施工顺序对地表沉降和管片环向应力和应变影响最小。

1 工程概况

某地铁项目全长38km，其中，区间的新建隧道与已建地铁线相互平行。本文主要研究与地铁出入段并行施工，起讫里程为K1+540.000—K3+478.000的盾构段，如图1所示。

图1 区间下隧道纵断面(单位：m)

该盾构段位于冲击河岸二级阶地，轨面以上埋深约5～16m，洞身地层主要为第四系全新统细砂及中砂，地下水位约7～13m。盾构区间与既有地铁线出入段并行，道路红线宽度为60m，受既有地铁线西侧规划建筑物及东侧3根φ200～φ500热力管线及地上4层住宅的限制，4条盾构隧道线间距为10m，如图2所示。

图2 4条盾构隧道线间横断面(单位：m)

根据地层物理力学参数，将地层分成3层。管片参数按15%折减，实际为C50钢筋混凝土，折减后弹性模量为33GPa。灌浆材料按凝结后的弹性模量计算，取值1 000MPa。简化后取用的地层及其他模型计算参数如表1所示。

表1 地层及其他模型计算参数

2 盾构掘进过程数值模拟

2.1 数值模拟方法

盾构掘进过程可分为掘进工作面、拼装盾尾衬砌环和填充灌浆盾尾空隙3个步骤，工作面掘进、环片拼装及灌浆填充交替进行，依此施工至整条隧道掘进完成。

模拟隧道盾构法施工过程中，通过对掘进面施加顶推力，实现盾构机前方掘进面上土体运动的模拟，采用注浆压力模拟盾构尾部注浆过程。盾构尾部注浆的充填效果是通过改变注浆层材料参数来实现。在计算中，假设盾构挖掘前方土体后，立即对已开挖作业区段进行灌浆。为保证盾构掘进全过程的数值模拟，需连续进行开挖和推进，同时做好盾构掘进的土体注浆、掘进参数调整等作业。盾构隧道掘进过程如图3所示。

图3 盾构掘进过程示意

2.2 数值模拟步骤

假设土体为理想弹塑性体，管片衬砌和注浆层应力、应变在弹性范围内，模拟新建隧道挖掘前，对土体和已建隧道施加重力，计算初始应力。将每个节点初始位移设为0，开挖步骤为环形段，每个开挖步骤分为2个计算步骤：钝化开挖隧道第1节段、灌浆层和核心土单元，然后在第2步计算中，模拟节段衬砌和灌浆层硬化，取消灌浆压力，下一段钝化后，隧道工作面推力被抵消。在模拟计算中，忽略了土层、衬砌和盾构间的摩擦力。对于装配式衬砌，不考虑块环螺栓连接的影响，仅将其简化为均质环，以减小节点刚度。

2.3 网格划分

采用实体单元solid40模拟土层、衬砌管片和注浆层，为建模方便，定义一种用于划分平面网络的辅助单元mesh200。主要研究隧道开挖土体卸载工程，因此，土体采用Drucker-Prager本构模型，单元网络划分如图4所示。模型长90m、高40m，纵向长度为50m。

图4 模型网格划分

2.4 边界条件

左右边界施加横向约束，下边界施加竖向约束，上边界自由，前后边界施加z方向约束。

开挖隧道时，由于应力重分布在有限范围内，地层产生应力和应变的影响范围出现在距隧道横断面或纵断面中心点3～5倍宽度范围内，所以计算边界可确定在3～5倍宽度。

3 数值模拟结果分析

3.1 不同施工顺序对地层位移的影响

在地铁隧道已施工完成情况下，新建隧道盾构掘进过程不仅对周围地层产生影响，还对既有地铁隧道产生影响。由类似工程经验可知，在双孔隧道封闭施工中，首先完成的洞需加固，以确保新建隧道和既有隧道的安全。因此，隧道施工不能同时进行，本文考虑了“先左孔后右孔”(工序1)和“先右孔后左孔”(工序2)两种施工工序。

2个钻孔施工过程中，地层经历了2次连续沉降，左、右2个钻孔最大沉降位置均向2个钻孔中间倾斜。盾构施工过程中，地层竖向位移以拱腰为单位进行划分。沉降区位于拱顶上方，隆起区位于仰拱下方；最大沉降值出现在拱顶，最大隆起值出现在拱脚。当先施工的孔洞贯通时，工序1中地层出现的最大沉降量为34.5mm，最大隆起量为53mm；工序2中地层出现的最大沉降量为37.2mm，最大隆起量为58.1mm。当双孔隧道均贯通时，工序1中地层出现的最大沉降量为36.3mm，最大隆起量为61.2mm；工序2中地层出现的最大沉降量为34.5mm，最大隆起量为58.8mm。左、右2个钻孔相继贯通后，地层水平位移也出现了明显变化，工序1出现的最大水平位移为9.1mm，工序2出现的最大水平位移为8.2mm。对比得出，2种工序对地层位移的影响程度相差较小。

3.2 不同施工顺序对已建隧道管片的影响

由于近距离施工的特殊工况，新建隧道施工会影响已建地铁线隧道管片应力及应变，本文只考虑距离新建隧道最近的地铁线右孔隧道。

在新建隧道施工过程中，右侧隧道段始终处于受压状态。工序1中已建地铁线右孔隧道管片产生的最大应力为948kPa，最大应变为0.042mm。工序2中已建地铁线右孔隧道管片产生的最大应力为984.5kPa，最大应变为0.045 8mm。对比得出，工序1中已建地铁线右孔隧道管片产生的应力和应变比工序2小，因此，新建隧道近距离平行施工时优先选取工序1。

4 近距离平行盾构隧道施工影响因素分析

为保证近距离平行盾构隧道施工的安全稳定，在工序1中分别对不同地层损失率、盾构顶推力和注浆情况进行有限元模拟。

4.1 地层损失率

盾构掘进过程中土体开挖量与竣工填充量差值即为地层损失，地层损失率以占盾构排土体积理论值的百分比表示。选取2.6%，1.2%，0.1%地层损失率分别进行有限元模拟。考虑盾构顶推力和注浆情况对模拟结果的影响，其中注浆情况的影响程度通过注浆材料弹性模量体现，本文主要分析盾构顶推力为120kPa、注浆材料弹性模量为1 000MPa的工况。整理有限元计算结果，得出近距离平行盾构隧道施工过程中地表沉降与地层损失率的关系，如图5所示。

图5 不同地层损失率条件下的地表沉降

由图5可知，地层损失率越小，地表沉降量越小，产生的地表最大沉降量越小，地表沉降坡度越缓。当地层损失率为2.6%时，地表最大沉降量为12.9mm；当地层损失率为1.2%时，地表最大沉降量为9.8mm；当地层损失率为0.1%时，地表最大沉降量为7.2mm。这是由于地层流失引起周围土体的位移，导致地面沉降增加。因此，在近距离平行盾构隧道施工过程中，应尽量降低地层损失率。必要时，可通过注浆控制地层损失率，有助于控制地面竖向沉降和周围结构最大位移。

4.2 盾构顶推力

盾构掘进过程中，根据不同土层土压力，调节盾构顶推力，维持开挖面稳定。选取120，180，250kPa盾构顶推力分别进行有限元模拟。考虑地层损失率和注浆情况对模拟结果的影响，主要分析地层损失率为0.1%、注浆材料弹性模量为1 000MPa 的工况。整理有限元计算结果，得出近距离平行盾构隧道施工过程中地表沉降与盾构顶推力的关系，如图6所示。

图6 不同盾构顶推力时地表沉降值随掘进深度变化曲线

由图6可知，当盾构机掘进22m深度时，3种不同顶推力下的地表沉降率逐渐趋于稳定。盾构顶推力为120kPa时，地表最大沉降量为7.4mm；盾构顶推力为180kPa时，地表最大沉降量为9.2mm，最小沉降量值为2.6mm；盾构顶推力为250kPa时，地表最大沉降量为11.1mm，最小沉降量值为1.5mm。盾构顶推力越大，地表沉降越大。随着掘进深度增加，地表沉降逐渐减小，直至趋于稳定。这是因为盾构顶推力在初始阶段大于土体静土压力，导致土体扰动破坏较大。随着掘进深度增加，盾构前方土体产生推力，使拱顶上方土体隆起。盾构通过时，隆起抵消了部分沉降，减少了地表沉降。因此，盾构施工初期应避免顶推力过大，施工过程中应避免顶推力过小，严格控制盾构顶推力，避免因顶推力不合理引起地面沉降过大，影响施工地层及周围建筑环境中的管道。

4.3 注浆情况

为研究注浆条件对短距离平行盾构隧道的影响，模拟不同注浆条件，选取弹性模量为100，1 000MPa 注浆材料分别进行有限元模拟。考虑到地层损失率和盾构顶推力对模拟结果的影响，主要分析地层损失率为0.1%、盾构顶推力为120kPa的工况。整理有限元计算结果，得出近距离平行盾构隧道施工过程中地表沉降与注浆情况的关系，如图7所示。

图7 不同注浆情况下的地表沉降

由图7可知，注浆材料弹性模量为100MPa时，地表最大沉降量为 9.8mm；注浆材料弹性模量为1 000MPa 时，地表最大沉降量为7.4mm。随着灌浆材料弹性模量增加，表面沉降量逐渐减小。为防止地表过度沉降，影响周围环境，近距离平行盾构隧道施工时应严格控制注浆材料弹性模量，并做好同步注浆、二次注浆和后墙注浆工作。

5 结语

1)盾构法施工过程中，沉降区在拱顶以上，隆起区在洞底以下，以拱腰为分界线。隧道左右两侧地层产生向内位移，引起周围土体应力释放。当出现新建隧道与已建隧道近距离平行施工的复杂工况时，优先选取靠近已建隧道的孔洞施工。

2)近距离平行盾构隧道施工影响程度受多因素的影响。由于地层损失导致周围土体发生位移，地层损失率越小，地表沉降量越小，产生的地表最大沉降量越小，地表沉降坡度越缓。因此，施工过程中，应尽可能地减小地层损失率，必要时可通过补浆来控制地层损失率，有助于控制地表竖直沉降及周边结构最大位移。

3)在初始阶段，盾构顶推力大于土壤静土压力，导致土壤扰动，使拱顶上方土体隆起，当盾构通过时，隆起量抵消部分沉降量，使地表沉降量减小。盾构顶推力越大，地表沉降量越大，当掘进深度达到一定值后，地表沉降量逐渐减小，直至趋于稳定。因此，盾构施工初期应避免顶推力过大，盾构施工过程中应避免顶推力过小，严格控制盾构顶推力，避免因盾构顶推力不合理引起地面沉降过大，影响施工地层及周围建筑环境中的管道。

4)注浆材料弹性模量越大，地表沉降越小。为防止地表过度沉降，影响周围环境，近距离平行盾构隧道施工时应严格控制注浆材料弹性模量，并做好同步注浆、二次注浆和后墙注浆工作。