机械法联络通道施工对T接部位沉降影响的实测与数值分析*

2022-08-02李海波赵星星

施工技术(中英文) 2022年13期

胡威，黄强，李海波，赵星星

(1.宁波大学岩土工程研究所，浙江宁波 315211； 2.中铁四局集团第二工程有限公司, 江苏苏州 215131)

0 引言

联络通道一般设置在两条隧道中间，起连通、排水和消防疏散等作用。目前联络通道的修建多采用冻结法、矿山法等隧道施工技术，但冻结法和矿山法施工存在着不可避免的缺陷。2019年4月19日，宁波地铁4号线丽双区间2号机械法联络通道贯通，从设备吊装下井到修建完成仅用时15d，代表了目前国内联络通道修建技术的最高水平。采用机械法开挖联络通道，将极大程度提高施工效率，减少施工对环境造成的不良影响。但目前机械法联络通道施工实例较少，因此对机械法联络通道的研究迫在眉睫。不少专家学者对隧道联络通道进行过研究[1]，如朱瑶宏等[2]通过研究施工过程中的施工工况节点，现场监测主隧道结构的外荷载、收敛变形并计算结构内力，得到在整个施工过程中主隧道的结构响应及其变化规律；彭刚[3]通过理论分析、数值计算和现场监测等手段总结了大断面矩形顶管近距离双线并行施工所引发的地表沉降特征，如地表沉降主要发生在切口到达及顶管通过的过程中等结论；刘琳等[4]通过顶管法对超短距离的矩形联络通道进行施工，总结了施工现场可能发生的难题，提供类似相关联络通道施工的处理方法；耿萍等[5]采用模型试验和数值模拟方法研究主隧道和联络横通道之间采用刚、柔两种连接形式时对盾构隧道地震响应的影响，得出了当采用刚性连接时，联络通道对主隧道影响范围约为 3.0 倍联络横通道宽度，而采用柔性连接时其影响范围减少为1.5～2.0 倍等结论；丁修恒等[6]通过Plaxis 3D有限元法研究地震荷载对主隧道和联络通道的受力、位移的影响，得出了在地震荷载作用下刚性接头受力远大于半刚性工况等结论；杨景贺等[7]通过有限元模拟和现场地铁施工实测数据结合分析，研究盾构法施工过程中对隧道围岩变形、应力分布及塑性区分布情况等，得出了针对性的支护方法；梅清俊等[8]通过对宁波地铁3号线监测分析，研究新工法对周围地层、主隧道结构等的施工影响，得出机械法施工对周围土体和既有主隧道结构的沉降规律；许有俊等[9]以现场地铁施工为依托，结合数值模拟方法，分析盾构隧道下穿施工全过程，研究在不同工况条件下对车站沉降变形的影响，得出了地铁车站底板的隆起量随着盾构推力的增大而增大等结论。

由于机械法联络通道施工最近几年才兴起，施工案例较少，对地表和主隧道结构沉降影响规律仍然需要大量的现场试验进行发掘和探索。因此本文通过现场施工数据和 Plaxis 3D有限元软件模拟相结合，并用Peck预测沉降公式和实测数据进行对比分析，更好地揭示机械法联络通道开挖对地表沉降和联络通道结构位移的影响，为今后机械法联络通道的施工提供理论依据。

1 工程概况

本工程位于杭州市余杭区以及海宁市许村镇，盾构区间为余杭高铁站—许村镇站(简称余—许盾构区间)。余—许盾构区间左线长3 126.22m，右线长3 126.555m。本区间设置3座机械法联络通道，主要对1号联络通道进行研究。1号联络通道中心标高-20.597m，衬砌顶覆土厚约24.1m，线间距13.0m。联络通道管片外径3 260mm, 内径2 760mm，厚度250mm。衬砌环间采用错缝拼装, 无楔形量，环宽0.9m。主隧道T部位处采用特殊环衬砌环管片, 管片为双面楔形通用环，采用通缝拼装，楔形量40mm。

1.1 工程地质条件

本场区内为第四系覆盖层，按地质成因时代及其工程特征，场地沿线第四系地层空间竖向分布自上而下大致可分为：浅表层厚薄不一的填土，其下为冲海积的黏质粉土、粉质黏土，海积的淤泥质黏土、粉土、冲积的黏性土或粉细砂等。本区间1号联络通道大部位于粉砂层，局部位于粉质黏土夹粉土层。

1.2 监测方案

在余—许盾构区间主隧道和联络通道上，共布置6组地表纵向监测断面。每组纵向监测断面布置13个监测点，以第1组为例，监测断面编号为DB1-1～DB1-13，本文将6组地表纵向监测断面记作D-1～D-6。联络通道处设置了3组横向监测断面，每组横向监测断面有6个监测点,本文将3组地表横向监测断面记作H-1～H-3。地表沉降监测点布置如图1所示。在主隧道左线和右线区间，按照每隔6m布置1个隧道结构监测点，左线监测点采用ZSD1-1～ZSD1-21进行编号，右线监测点采用YSD1-1～YSD1-21进行编号，隧道结构位移监测点布置如图2所示。

图1 地表沉降监测布置

图2 隧道结构变形位移监测布置

2 理论分析

2.1 横向地表沉降分析

Peck教授提出假定在地表沉降中地层水分未损失前提下，地层损失体积等于沉降槽体积，沉降槽符合高斯曲线分布，其沉降曲线计算公式如下：

(1)

式中：S(x)为距离隧道中线x处的地表沉降值；Smax为隧道中线处地表沉降最大值；i为沉降槽宽度。

将式(1)进行线性回归处理，对等式两边同时取对数得：

(2)

(3)

(4)

则回归方程为：

(5)

取联络通道上方两组横断面监测点，即H-1和H-2。将H-1组的沉降数据按照上诉计算方法进行线性回归分析，结果如表1所示。

表1 Peck沉降公式计算参数

将表1数据代入可得：

(6)

故D-1监测断面的Peck沉降预测公式为：

(7)

同理，按照上诉计算方式，可得出D-2监测断面的Peck沉降预测公式为：

(8)

依据实测数据、拟合回归曲线以及采用Peck预测公式作对比曲线如图3所示。由图3可知，实测数据曲线与拟合回归曲线的吻合度比较接近，说明现场数据可通过一元线性方法进行拟合分析。通过对比Peck预测曲线与拟合回归曲线的沉降最大值，图3a和图3b最大沉降量分别为5.6，5.8，7.4，7.6mm，误差分别为 5.5%和6.5%，均符合工程需求，故可认为采用 Peck 沉降预测曲线的方法能较准确地实现对机械法联络通道施工地表沉降的预测。

图3 横断面地表沉降拟合公式曲线与实测值对比

2.2 纵向地表沉降分析

由于机械法联络通道开挖对地表所造成的沉降影响有别于普通盾构法开挖。联络通道两端开挖是基于主隧道管片处的破洞响应，故联络通道两端沉降较小，呈现出凹槽形状。由于沉降槽近似正态分布，故本文将高斯曲线与实测数据相结合，得出纵向沉降拟合经验公式，有效应用于实际工程的地表沉降估算。

高斯经验公式为：

(9)

式中：S为联络通道上方地表沉降；x为距离联络通道中间位置的纵向水平距离；A，B为常数系数。

对式(9)等式两边同时取对数，可变为：

y=kx2+b

(10)

式中：y=lnS；k=-1/B2；b=lnA。

取样本残差平方和极值，得上述系数统计解为：

(11)

为了验证回归曲线方程与实测数据的线性相关程度，设线性相关系数r为：

(12)

式中：r若越接近1，则线性相关程度越高。在实际工程当中，若r>0.8时认为经验公式可靠。

取现场联络通道正上方一组地表纵向监测点(DB4-1～DB4-13)作为沉降数据分析对象。由上述计算方法进行线性回归分析，如表2所示。

表2 纵断面沉降数据分析

经计算得纵断面线性回归方程为：

y=-0.001 03x2+0.97

(13)

线性相关系数r=0.84>0.8，拟合后的经验公式曲线与实测数据对比如图4所示，不难发现，二者吻合程度较高，表明地表纵断面沉降经验公式可靠。

图4 纵断面地表沉降拟合公式曲线与实测值对比

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

模型y方向(既有隧道运营方向)取 80m，y方向取 40m，z方向取52m，地下水位线位于-1.500m处。地表取为自由边界，其他5个面均约束其法向变形。模型共划分了69 956个单元，计99 043个节点。模型网格划分如图5所示。土层及盾构相关基本力学参数如表3所示。

表3 材料的物理力学参数

图5 有限元模型网格划分

3.2 模拟过程

研究联络通道开挖对既有隧道变形及土层影响，故建模过程中无需考虑主隧道开挖对地层的影响。同时采用等效刚度法模拟既有主隧道，即假定混凝土管片在基坑开挖过程中一直处于弹性变形阶段，根据相应的研究成果，定义盾构隧道刚度有效率为75%，用以反映T部位管片间接头存在对既有隧道变形的影响。弹性模量取为C50混凝土模量值，泊松比取0.25。具体施工模拟步骤如图6所示。

图6 机械法联络通道施工模拟步骤

3.3 结果验证

为验证模拟结果可靠性，将取3组监测断面H-1，H-2，H-3的模拟值与实测值进行比较，如图7所示，可以看出：地表在垂直于联络通道的横向剖面上模拟值与实测值比较接近，实测值略高于模拟值。说明有限元模型吻合度较好，模拟效果可靠。

图7 模拟与实测数据对比

3.4 不同工况条件下地表沉降分析

3.4.1开挖不同深度

为研究不同埋深的机械法联络通道施工对地表沉降的影响，本文分别开挖了埋深为12m，15m和18m的联络通道，绘制了不同开挖深度地表沉降曲线，如图8所示。由图8可知，开挖深度为9m时，0.1m深联络通道正上方地表沉降值最大，而沉降槽最窄，影响范围较小。3m处地表沉降次之，沉降槽相对加宽。5m处地表沉降较小，沉降槽相对较大，影响范围大。开挖深度为12m时，各深度隧道沉降值整体增加，沉降槽稍有加宽，越接近地表，沉降曲线越窄，影响范围越小。开挖深度为18m时，各深度隧道沉降值相对增大，联络通道中心部位沉降值最大，向两端递减。

图8 不同开挖深度横向沉降曲线

3.4.2开挖不同土层

数值模拟分3种工况进行：原工况条件下盾构机掌子面上半部分穿越粉土层，下半部分穿越黏土层；工况1条件下盾构机掌子面全部穿越粉土层；工况2条件下掌子面只接触黏土层。不同工况条件下地表沉降曲线如图9所示。

由图9可知，能观察出盾构机在不同工况条件下开挖时沉降曲线有显著的差异。工况1在穿越粉土层条件下，地表沉降量最小；工况2在穿越黏土层条件下，地表沉降量最大。这是由于黏土属于较软土质，软土具有高压缩性，故在黏土层中开挖地表沉降量较大。工况1、工况2和原工况进行对比，盾构穿越粉土层时，最大沉降值比原工况下降了26.6%，盾构穿越黏土层时，最大沉降值增加了23.8%。在地表横向断面的两侧，工况2的沉降量比原工况沉降量小，可能是原工况盾构掘进面土层软硬不均，土层密实度不够，黏土层较松散，在相同的掌子面压力下，可能造成土层排土过多，导致地表沉降量增大。

图9 不同工况条件下地表沉降曲线

3.5 原工况条件下联络通道结构位移分析

开挖完成后隧道联络通道竖向位移如图10所示，联络通道上顶部由于没有及时的支撑作用而出现较大的坍塌沉降，最大沉降达到了51.07mm；底面则因失去原上覆土压力或衬砌背后回填不够密实、没有及时注浆而出现较大的隆起现象，隆起值达到了24.09mm。

图10 隧道结构竖向位移云图

4 现场施工监测结果及分析

4.1 联络通道横向地表沉降

现场施工的影响主要分为4个阶段，分别为主隧道开洞前、主隧道开洞后、开挖至联络通道中间和联络通道施工结束。将上述4个阶段分别计为S-1，S-2，S-3和S-4。横向监测断面H-1，H-2，H-3，3组横向监测断面在不同施工步骤条件下地表沉降曲线如图11所示。由图11可知：3组监测断面规律相似，随着联络通道开挖，地表沉降逐渐增大，在S-2阶段盾构机切削主隧道管片时，土体发生明显沉降，在联络通道正上方的监测点更为明显，总体表现为正上方影响最大，影响幅度随着与联络通道距离增大而减小。

图11 横向监测断面沉降曲线

4.2 联络通道纵向地表沉降

现取3组纵向监测断面Z-1，Z-2和Z-3现场数据，绘制如图12所示纵断面沉降曲线。通过对比可知，接近联络通道的监测点Z-3，所在土体受盾构机掘进扰动程度越大，土体引起的沉降也越大。在联络通道主隧道开洞前阶段, 地层有少量沉降, 在主隧道开洞后阶段地层有较明显的下沉，但随后的注浆又能在一定程度上抑制沉降。联络通道由左侧开挖至右侧，随着盾构机掘进，地表沉降值在不断增加，最大值出现在靠近右侧端主隧道。

图12 纵向监测断面沉降曲线

4.3 主隧道拱底沉降

机械法联络通道在施工过程当中，必然会对主隧道产生扰动影响，其中最关心的是主隧道结构的沉降影响。本文通过监测数据，系统分析联络通道施工对主隧道沉降影响。以右行线主隧道为例，测得拱底沉降如图13所示。由图13可知，联络通道开挖环主隧道附近出现明显沉降。随着联络通道的掘进，既有隧道会有轻微上浮，可能是由于小盾构机对主隧道特殊管片部位进行破洞时，对主隧道产生了一定的扰动，抑或在破洞过程中进行同步注浆时，主隧道管片易受到浆液浮力和注浆压力的影响，故在破洞过程中必须对主隧道进行加固处理，如增加内支撑结构等。随着盾构机继续推进(尚未穿越联络通道中心)，主隧道拱底沉降逐渐增大，沉降最大值在靠近主隧道开洞处的监测点。主隧道T接部位开挖环附近出现明显沉降, 而远离主隧道T接部位开挖环的主隧道拱底有隆升趋势。当联络通道施工完成后，测点沉降量趋于稳定，沉降曲线趋于平稳。