盾构隧道重叠下穿地铁隧道施工变形规律研究

2022-07-29蔡光伟蒋超刘振兴胡江锋

交通科学与工程 2022年2期

蔡光伟，蒋超，刘振兴，胡江锋

（1.长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410000；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

随着城市轨道交通路径的完善，接近运营隧道的新建隧道施工工程日益增多。对于近接穿越既有隧道的盾构隧道施工，新建盾构隧道的施工会对地层中的土体产生扰动，引起地层应力的重新分布，导致地表土体的沉降，并对既有隧道的结构造成损伤，给隧道的安全运营带来隐患。因此，研究盾构隧道下穿既有隧道施工变形规律，对隧道安全运营有重要意义。很多学者已对类似工程进行了研究。张健等人[1]通过现场实测和数值模拟，得出盾构隧道近距离下穿既有隧道施工时的土层变形规律。魏纲等人[2]采用剪切错台模型，建立了计算方程，求解了新建隧道正交下穿时既有隧道的竖向位移。王明年等人[3]建立了新的三维模拟方法，对盾构隧道重叠段进行了横向近接分区。孙志岗[4]利用有限元方法对接近隧道施工时产生的力学效应进行了研究，并提出了相应的施工优化方案。王思洋[5]通过FLAC3D 研究了盾构隧道下穿并行近接已有隧道施工中盾构参数的影响，并总结出适用于对应工程最可靠的施工参数。杨成永等人[6]结合现场监测与数值模拟，阐明了双线盾构交叉下穿既有运营隧道的沉降规律。张海波等人[7]模拟并行隧道的不同空间位置，认为其相对位置的接近会增大既有隧道衬砌的位移和应力。AVGERINOS 等人[8]分析了盾构垂直下穿运营隧道空间位置的变化对既有隧道纵横向衬砌的影响。肖果[9]运用有限差分软件模拟了盾构施工，得到新建隧道的盾构推力与既有隧道间距、上覆土层厚度对既有隧道扰动的影响规律。张孟喜等人[10]研究了四线叠交的盾构穿越，对既有隧道的变形规律进行了分析。廖少明等人[11-14]等人对重叠近接隧道施工进行了研究，分析了施工顺序条件对既有隧道和地表沉降的影响规律。奚灵智等人[15]利用FLAC3D有限元软件，对比分析了既有隧道软土地基的不同加固方式，提出了最适合软土地区重叠下穿既有隧道施工的地基加固方案。但针对重叠下穿既有隧道的施工参数对地表和既有隧道变形的影响规律研究少见。因此，本研究拟以长沙地铁3 号线近接重叠下穿既有1 号线的盾构隧道施工为依托，采用Midas/GTS NX 模拟软件对盾构施工进行模拟，分析不同施工参数对既有隧道和地表变形的影响，获得最适宜的掘进参数，为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

长沙地铁3号线灵官渡站—侯家塘站区间，该区间隧道在DK18+087～DK18+348(261 m)和DK18+516～DK18+705(189 m)段与既有隧道1 号线的相对空间位置关系为下穿重叠，重叠段总长度为450 m。区间隧道在侯家塘站西端头处的最小垂直净距为5.5 m。

在该重叠段范围内，新建3号线隧道位于强风化泥质粉砂岩和中风粉砂质泥岩中，运营地铁1号线隧道处于强风化泥质粉砂岩和冲击中砂内。强风化泥质粉砂岩呈褐红色、暗紫红色，岩石组织结构大部分被破坏，但尚可清晰辨认，矿物成分已显著变化，局部夹有中风化岩块，岩质极软，遇水易软化成为软化岩石，岩体基本质量等级为Ⅴ级。中风化粉砂质泥岩呈褐红色、褐黄色等，砾状结构，岩体较破碎，岩芯呈短柱状、块状、饼状，局部夹强风化岩块，节长5～25 cm，RQD为10～96，软化系数0.12～0.63，均小于0.75，为软化岩石，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

模拟区间盾构隧道地层条件、尺寸及隧道位置关系如图1所示。

图1 地层条件剖面（单位：mm）Fig.1 Formation condition section(unit:mm)

2 数值模拟计算

结合现场隧道穿越土层的实际情况，利用Midas/GTS NX 对盾构施工进行模拟。为增加模型的准确性，尽可能减小模型的体积，提高计算机的计算速率，取模型边界到隧道中心轴线距离的3～5 倍距离开挖洞径，X，Y，Z方向分别取66、75、64 m。根据勘测的土体物理力学参数进行取值，考虑土体符合摩尔-库伦准则，本模型中土层物理力学参数见表1，模拟材料物理力学参数见表2。模型中，根据长沙类似盾构工程和现场反馈数据，设置模拟工况参数，见表3，建立数值模型如图2～4所示。

图2 有限元模型Fig.2 The finite element model

表1 模型地层参数Table 1 Model stratigraphic parameter

表2 模拟材料物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameter of simulated material

表3 模拟工况参数Table 3 Simulated operating parameter

为直观突出盾构隧道施工过程中对地表和既有隧道结构的不利影响，将模拟新建3号线隧道左线完成固结沉降的施工过程，与新建3号线隧道右线施工的模拟结果进行对比。

图3 3号线与1号线空间位置关系Fig.3 Spatial position relationship of the Metro Line 3 and the Metro Line 1

图4 注浆压力示意Fig.4 The grouting pressure schematic

2.1 盾构掘进土仓压力

在盾构隧道施工过程中，土仓压力作为盾构掘进的主要参数之一，其大小影响掌子面的支护和地层变形。选取土仓压力分别为120、240、360和480 kPa 4种施工工况进行施工模拟。

当盾构施工右线开挖完成时，研究盾构推进对模型中心处地表沉降位移的影响，如图5 所示。当盾构右线开挖至试验环时，研究了其距离对地表竖向位移的影响，如图6所示。

图5 模型中心处地表沉降位移横截面对比Fig.5 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

图6 隧道开挖至试验环地表土体竖向位移对比Fig.6 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

从图5 中可以看出，土仓压力分别为150、200、250 和300 kPa 时，地表沉降曲线均符合Peck公式沉降槽的形式，随着土仓压力的增大，对土体的变形有一定控制效果，地表最大沉降减小。从图6中可以看出，随着土仓压力的增大，掌子面前、后方的地表竖向位移均减少，在掌子面前、后各3.5 倍隧道洞径区域内为地表竖向变形变化的最大区间，大约完成了90%的竖向变形。因此，加强掌子面前、后各3.5 倍隧道洞径内土体控制，可以减小地表沉降。

考虑既有隧道右线所处位置最为不利，研究了盾构推进对既有隧道右线轴线方向竖向位移的影响，如图7所示。

图7 既有隧道右线仰拱竖向位移对比Fig.7 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

从图7可以看出，随着土仓压力的增大，掌子面前、后方的既有隧道左线沉降减小。表明：注浆压力的增大，可减少新建隧道盾构开挖对既有隧道的沉降变形，但效果有限。土仓压力在120～480 kPa 时，既有隧道右线仰拱最大竖向位减少了约0.4 mm。

结合土仓压力在不同工况下地表与既有隧道的沉降变形规律，该区间土仓压力设置在120～240 kPa。

2.2 盾构掘进注浆压力

盾构施工过程中，盾尾与管片之间存在间隙，为避免土体产生过大的沉降量，需及时对盾尾空隙进行注浆，选取注浆压力分别为200、300、400、500 kPa 4 种施工工况对该区间进行建模分析。模拟中心地表沉降位移横截面对比如图8 所示。盾构右线开挖至试验环时，研究了其距离对地表竖向位移的影响，如图9所示，其对既有隧道轴线方向竖向位移的影响如图10所示。

图8 模型中心处地表沉降位移横截面对比Fig.8 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

图9 隧道开挖至试验环地表竖向位移对比Fig.9 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

图10 既有隧道右线仰拱竖向位移对比Fig.10 Comparison of the vertical displacement at the inverted arch of the right line of existing tunnel

从图8～10中可以看出，注浆压力分别为200、300、400、500 kPa 时，最大地表竖向变形值依次降低，但变化幅度减小，对减少地表竖向位移作用有限；注浆压力在200～500 kPa，最大既有隧道右线仰拱竖向变形值约降低0.5 mm。表明：注浆压力对既有隧道竖向变形的控制作用较土仓压力的大。结合现场的地层条件和施工经验，将该区间内的注浆压力控制在300～400 kPa较为合适。

2.3 盾构掘进注浆量

权衡同步注浆的效果，除考虑注浆压力，还需考虑注浆材料、浆液配比和注浆量等因素的影响。盾构施工过程中，注浆材料及其配比已选定，除注浆压力外，注浆量也常发生动态变化。选取注浆量分别为5、6、7、8 m34 种施工工况，对该区间进行建模分析。模拟中心地表沉降位移横截面对比如图11 所示。盾构右线开挖至试验环时，研究了距离对地表竖向位移的影响如图12 所示，以及距离对既有隧道轴线方向竖向位移的影响如图13所示。

图11 模型中心处地表沉降位移横截面对比Fig.11 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

图12 隧道开挖至试验环地表竖向位移对比Fig.12 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

图13 既有隧道右线仰拱竖向位移对比Fig.13 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

从图11～13中可以看出，注浆量分别为5、6、7、8 m3时，最大地表竖向变形值依次降低，但变化幅度减小；注浆量在5～8 m3时，最大既有隧道右线仰拱竖向变形值约降低0.9 mm。表明：注浆量对其竖向变形的控制作用较注浆压力的大，其原因是随着注浆量地增大，浆液向周围土体中扩散、挤密，导致既有隧道与新建开挖隧道之间的土体被加固，进而降低既有隧道仰拱的沉降变形。结合现场的地层条件，将该区间注浆量设置为6.5～7.5 m3。

2.4 盾构掘进速度

选取盾构掘进速度分别为10、20、30、40 mm/min 4 种施工工况，对此区间进行建模分析。模型中心地表沉降位移横截面对比如图14 所示。地表竖向位移对比如图15 所示。既有隧道轴线方向处竖向位移对比如图16所示。

图14 模型中心处地表沉降位移横截面对比Fig.14 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

图15 隧道开挖至试验环地表竖向位移对比Fig.15 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

图16 既有隧道右线仰拱竖向位移对比Fig.16 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

从图14～16 中可以看出，随着掘进速度的增大，最大地表竖向变形值依次增大，地表竖向位移的变化幅度减小，掘进速度从10 mm/min增大到40 mm/min，最大地表沉降约增大0.8 mm。表明：当掘进速度提高时，土体内应力集中释放，导致土体产生较大的变形。因此，根据本模型的计算结果和类似盾构施工工程的资料分析，将该区间的掘进速度设定为20～30 mm/min为宜。