重疊盾構隧道施工地面變形及控制技術研究

張 磊 李建偉 李永福 曾佳亮

(鐵道第三勘測設計院集團有限公司，300251，天津∥第一作者，助理工程師)

隨著城市隧道與地鐵建設的興起，相應的環境問題也引起了越來越多的關注。由于隧道施工將不可避免地會對上覆地層產生撓動，地表產生的位移和變形較大時，往往又會引起地上臨近建筑物、構筑物的開裂、沉降、傾斜等問題。由于各種條件的限制，在地鐵區間局部或全部采用上下重疊隧道的情況將越來越多。但由于施工引起的地層移動并進而影響周圍房屋、道路、管線的事故仍時有發生。如何控制重疊盾構隧道推進過程中對已有建筑物的影響，以確保周邊建筑物的安全和新建隧道盾構的順利推進，這是個必須進行深入細致研究的重要課題。

1 國內外對隧道開挖引起地層變形的研究現狀

國內外對隧道開挖引起地層變形的研究方法有很多，如以Peck公式為代表的經驗公式、工程類比法和數值計算法等。

經驗公式法一般均假定隧道橫向沉降曲線服從高斯分布，縱向服從累積概率曲線，然后用幾個可量測的參數來確定其形狀。比較具代表性的有Peck經驗公式。1969年Peck在觀測了大量地表沉降實例并查閱大量工程資料后，利用統計學原理對大量實測數據進行推算，提出了地層損失的概念和估計盾構法施工引起地面沉降的經驗公式。1987年，候學淵等人結合上海地區飽和土和盾構施工的特點，采用修正劍橋模型和比奧固結分析，以及現場的監測研究，提出了考慮時效沉降的Peck修正公式。

數值解析的方法大都建立在線彈性土體的基礎上，此法以1987年sagaseta所提出的源－匯法(鏡像法)為代表。“源－匯法”對地面以下某深度處由土體損失引起不可壓縮土體的應變場進行分析，采用絕對位移作為變量來求解地面以下土體的位移場和應力場。2003年，王明年結合深圳地鐵1號線單洞雙層和重疊段隧道采用摩爾庫倫模型，用FLAC3D數值模擬軟件模擬埋深為10 m的隧道礦山法施工，劃分出強、弱、無影響三個分區。

本文結合數值模擬計算手段對小凈距上下重疊隧道施工引起的地表沉降變形進行分析，對各種加固保護措施進行數值模擬，并提出相應的保護措施和施工建議。

2 數值模擬

2.1 建模概況

深圳市城市軌道交通7號線工程的農林站至車公廟站盾構區間在經香蜜湖路后左右線逐漸上下重疊，于DK12+740～DK12+760下穿福田區衛生疾病監控大樓，并于DK13+280～DK13+310處下穿香蜜湖立交。盾構隧道距周邊建筑物較近，若處理不當可能對建(構)筑物造成一定影響或破壞。

以該區段實際情況為依據建立三維數值計算模型(見圖1)，選擇上下隧道完全重疊段作為分析對象。橫向、豎向各取50 m(約8倍盾構隧道直徑)，上下重疊隧道的隧道外輪廓最小凈距為12 m。圍巖采用實體單元，管片采用殼單元，同步注漿和二次注漿通過隨開挖進尺逐漸改變圍巖參數值來實現。上下重疊隧道所處圍巖地層的參數見表1。

圖1 上下重疊盾構隧道計算模型圖

表1 上下重疊隧道圍巖物理力學參數

2.2 施工過程模擬

結合盾構施工階段的主要特點及施工過程土層的受力，將盾構施工過程分為開挖過程、管片拼裝、注漿層凝固及固結沉降等幾個階段。開挖采用全斷面形式，開挖進尺為管片寬度1.5 m。上下重疊盾構隧道的施工過程模擬見圖2所示。

圖2 盾構施工模擬示意圖

2.2.1 開挖階段

1)由于盾構開挖管片拼裝前的荷載由盾殼承擔，因此考慮開挖時地層豎向壓力由大剛度的臨時殼單元承擔。模型中設置一環的大剛度殼單元，拼裝管片時再刪除此殼單元，并換上具有管片剛度的支護殼單元。

2)掌子面土層所受推力F2，以面荷載形式施加，主要平衡掌子面上的土壓力。

3)盾構機環向土層施加側向摩阻力F1，模擬盾構推進過程中土層受到的摩擦力，仍以面荷載形式施加。

4)在開挖掌子面上施加驅動機構扭矩T1～T3，算其合力矩，并以面荷載形式施加到掌子面上。

5)按照荷載釋放率30%來釋放掌子面上的荷載。

2.2.2 管片支護階段

1)刪除臨時支護shell單元，并換上具有管片剛度的支護shell單元。

2)刪除作用在掌子面和盾殼周圍的各種荷載。

2.2.3 注漿及凝固階段

1)在所加管片周圍的土層上施加注漿壓力，模擬同步注漿。

2)將盾構空隙的注漿層材料屬性值取為較低值，并隨著開挖推進，逐漸增加其材料屬性值，模擬注漿硬化過程。

2.2.4 固結沉降階段

1)停止注漿，刪除注漿壓力。

2)待注漿土層達到規定的強度值時，釋放掌子面上所有荷載，模擬固結沉降。

3 重疊段地表沉降數值模擬結果與分析

3.1 橫向地表位移分析

地表沉降最大值出現在有房屋荷載的中心區域。施工過程中，地表主要沉降區域為離隧道中心線對應地表點左右15 m范圍內的區域，與無房屋荷載時相比，沉降槽中間部分擴大，而再往外面的區域略有隆起現象(見圖3)。

圖3 數值模擬地面沉降等值線圖

從先上洞后下洞施工時的隧道橫向地表位移看(見圖4)，施工過程中地表主要沉降區域為離隧道中心線對應地表點左右15 m范圍內的區域，再往外面的區域略有隆起現象。當采用先上洞后下洞施工順序時，上洞施工引起的地表沉降值占其總沉降值的66%、而下洞施工引起的地表沉降值占其總沉降值的34%。對于下洞引起的沉降量，當施工到正下方時下沉占40%左右，穿過后的施工沉降占60%。地表的最大沉降值為26.2 mm。

圖4 先上洞后下洞施工時地表橫向沉降模擬圖

當采用先下洞后上洞施工順序時，下洞施工引起的地表沉降值占總沉降值的53%，而上洞施工引起的地表沉降值占總沉降值的47%。在此種工況下，由其沉降曲線可知(見圖5)，目標面的最大沉降是在盾構通過其約15 m后出現的，盾構到達前其沉降量反而減少，到達時沉降量開始增加，到盾構通過后，沉降量明顯增加。在本工程的地質條件下，采用先下洞后上洞施工順序，地表的最大沉降值為25.1 mm。

圖5 先下洞后上洞施工時地表橫向沉降模擬圖

3.2 縱向地表位移分析

由縱向沉降模擬曲線可知(見圖6～圖8)，上下兩洞施工過程中，地面幾乎沒有隆起值。這說明在房屋荷載作用下，使盾構隆起量減少或者不發生。但從整個沉降模擬曲線看，盾構到達前其底層仍然有隆起趨勢，到盾構通過后，沉降量就明顯增加。因此，盾構施工引起的地表沉降可由三部分組成:盾構到達前由于頂推力作用導致地表隆起;盾構到達時的地表部分下沉;盾構通過后的地表主要沉降量。其中第三部分沉降量占總沉降量的60%左右。目標地面的最大沉降是發生在盾構通過約20 m后出現的，房屋荷載下的沉降值比沒有房屋荷載時的沉降值有明顯的增加。

圖6 數值模擬地層縱向沉降等值線圖

圖7 先上洞后下洞施工時地表縱向沉降模擬圖

圖8 先下洞后上洞施工時地表縱向沉降模擬圖

若經過預測，建筑物受到的影響比較嚴重，則要采取相應的處理措施，以保證建筑物的正常安全使用。處理措施一般可分為積極保護措施和工程措施兩種。

4 施工順序選擇與保護加固措施

4.1 施工順序的選擇

由上述可知，從總沉降量上看，先下洞后上洞施工要小于先上洞后下洞施工，而且前者二次擾動的影響也小。因此，從地表沉降看，先下洞后上洞施工優于先上洞后下洞施工。

從結構內力來看，采用先上洞后下洞施工工序時，最大彎矩發生在下洞拱頂處，為76.1 kN·m，最大軸力發生在下洞拱腰處，為－1 072.7 kN(見圖9);采用先下洞后上洞施工工序時，最大彎矩發生在下洞拱頂處，為58.6 kN·m，最大軸力發生在下洞拱腰處，為－992.7 kN(見圖10)。由此可見，結構內力方面，先下洞施工優于先上洞施工。

圖9 先上洞后下洞施工時斷面內力模擬圖

圖10 先下洞后上洞施工時斷面內力模擬圖

4.2 保護與加固措施

4.2.1 沉降控制標準

在城市地鐵隧道施工中，一般規定的允許地面沉降值為30 mm，隆起值為10 mm，地面附加傾斜不得超過1/300。國外(如波蘭、英國、前蘇聯等國)則根據實際工程和試驗將房屋損壞評定標準分為3類①視覺損壞，當結構物出現大于1/250的偏移時，視覺上就可以察覺到，該損壞評定標準中的破壞等級為0～2，屬于視覺損壞范圍。②功能損壞，在該損壞評定標準中的破壞等級為3～4，屬于功能破壞。該類破壞往往都是由于土體位移引起的。③穩定性損壞，破壞等級為5。

參照國內外地表變形房屋破壞等級標準，根據重疊地鐵隧道段房屋的等級，確定其損壞等級的極限變形值，見表2所示。磚混結構可由局部傾斜控制，即砌體承重結構沿縱墻6～10 m內基礎兩點的沉降差Δ與其距離L的比值;框架結構和單層排架結構應由相鄰柱基的沉降差Δ控制;多層、高層建筑或高聳結構應有傾斜值控制。

根據數值模擬計算結果可知，當建筑物的樁柱基礎埋深9.0 m，相鄰樁基中心距為9 m時，其最大計算沉降差值為25.1 mm。而重疊段正上方建筑物基礎的最大沉降差25.1 mm ＞0.002 mm ×9=18 mm。故以此作為房屋的加固標準。由圖3可知，在隧道中心線橫向約12 m(2倍洞徑)范圍內有房屋基礎的均應采取加固措施。因此，重疊段施工，必須合理優化施工掘進參數，同時選用合理的加固措施。

表2 房屋沉降控制標準

4.2.2 加固措施的數值模擬

針對兩種主要的加固措施，即對二次注漿和房屋基底注漿采用數值模擬計算，其計算工況見表3。二次注漿可通過改變注漿層材料的強度值來模擬，基底注漿可直接采用提高注漿范圍內土層的參數值來模擬。

表3 計算工況表

通過模擬計算可知，三種工況下的地表位移和趨勢幾乎相同，都是先隆后沉，房屋荷載處中心沉降槽的沉降值最大。但是，三種工況下的地表最大沉降量卻不同。由表4可見，通過加固措施后，地表沉隆值明顯減少，盾構施工對線路縱向的影響范圍也縮小了。

表4 采取加固措施后的模擬計算結果表

通過對加固措施的數值模擬計算可知，整個施工過程中，加固措施使地表沉降值和影響范圍明顯減少，尤其在有房屋荷載處，其縱向下沉數據不再有突變。這表明房屋基底注漿對控制地表沉降效果明顯，而二次注漿對控制縱向影響范圍的效果較為顯著。通過采用加固措施后，可保證重疊段隧道范圍內的房屋在加固后，其最大沉降差值可減少到6.7 mm＜0.002 L=18 mm，滿足安全要求。

5 結語

通過三維數值模擬的計算分析，并結合深圳軌道交通7號線工程實例，對上下重疊盾構隧道的地面變形和控制技術進行了研究，可得到以下結論供參考:

1)從隧道橫向地表位移看，施工過程中地表的主要沉降區域為離隧道中心線對應地表點左右15 m范圍的區域，再外面的區域地表略有隆起現象。

2)從隧道縱向地表的位移看，在盾構到達前由于頂推力作用會導致地表隆起，在盾構到達時地表會發生部分下沉。目標地面的最大沉降是在盾構通過約20 m后才出現。

3)從地表沉降量及隧道結構受力上看，先下洞后上洞施工的施工順序均優于先上洞后下洞施工順序。

4)房屋基底注漿對控制地表沉降的效果明顯，而二次注漿對控制縱向影響范圍的效果較為顯著。

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