盾構斜交下穿市政隧道數值模擬分析

李學軍，鄒 濤，劉德雄，尚應超

（1.中鐵隧道局集團有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

盾構法作為一種安全、高效的施工工法，在城市地鐵建設中發揮著越來越重要的作用。隨著城市和地鐵建設的不斷發展，盾構穿越既有建（構）筑物樁基的情況時有發生。盾構穿越樁基引發的變形及地層應力狀態改變會引起結構基礎的不均勻沉降，從而影響既有建（構）筑物的安全，嚴重時甚至導致結構的失穩破壞[1-3]。因此對盾構下穿既有建（構）筑物而引起的地表沉降規律及加固控制措施進行研究十分必要。

近年來，國內學者結合工程案例，采用數值模擬或現場測試進行大量研究。楊志勇等[4]以北京地鐵14號線下穿地鐵15號線運營隧道為背景，通過分析沉降規律，得出橫向沉降范圍與施工參數基本無關，且左右線穿越有明顯的疊加效應；郭建寧等[5]采用三維有限元數值分析法，研究盾構斜交下穿既有框架隧道3個階段的規律，得出施工過程中宜隨著盾構的掘進，及時調整各項施工參數，有助于盾構的順利掘進；陳秋鑫等[6]通過建立有限元模型優化施工參數，減少盾構下穿引起的沉降或隆起值。蔣勝光等[7]對雙線盾構隧道全過程數值模擬，并與實測數據對比，揭示了不同開挖面壓力對地表沉降的影響。然而，目前針對密實卵石土地層中盾構斜交下穿市政隧道樁基的研究較少，且沒有相關的具體風險控制措施。

本文以成都地鐵3號線龍橋站—雙鳳橋站區間隧道盾構斜交下穿市政隧道為背景，采用三維有限差分方法，研究盾構下穿時地表的沉降規律，同時給出相應的控制措施并進行驗證計算。

1 工程概況

成都地鐵3號線二、三期工程龍橋路站—雙鳳橋站區間隧道在里程 YDK11+706—YDK11+748（右線）范圍穿越臨港路市政下穿隧道，隧道頂與臨港路市政隧道底板最小豎向凈距約4.7 m，最大凈距約5.1 m，部分既有抗浮樁位于盾構掘進范圍內。既有抗浮樁樁直徑180mm，樁心距為5 m。盾構隧道與下穿臨港路隧道斜交，兩線路相交角度約17°。盾構隧道開挖過程中，右線隧道穿越9根U 7槽樁基，左線穿越10根U 6槽樁基。盾構區間穿越密實卵石土地層。區間隧道與臨港路市政下穿隧道位置關系如圖1所示。

2 建模

圖1 區間與臨港路下穿隧道平面位置關系

本文采用FLAC3D有限差分軟件對該隧道施工過程進行數值模擬。由于盾構穿越區段屬于市政道路下穿隧道的入口段，地表下沉量較小，為方便建模，將地表簡化為平面，最終選定三維數值模型尺寸為：沿隧道縱向長100 m，寬70 m，高36 m。盾構隧道外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，隧道中心埋深8 m，2條平行隧道中心間距14 m。抗浮樁位于模型的中間區域，其中市政下穿隧道U 7槽段樁長15 m，U 6槽段樁長10 m，樁距初始開挖面36～74 m。模型側面和底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動，上部為自由邊界。

模型中抗浮樁采用pile單元模擬，盾構襯砌、盾構機及注漿層等均采用實體單元模擬。盾構機為海瑞克土壓平衡式盾構機，其重量近似為385 t[8]。盾構掘進過程模擬主要分為以下階段：①盾構掘進過程 將掘進長度范圍內的土體設置為空單元，施加頂推力，激活盾構機前方單元，并設置盾尾單元為空單元，激活后方襯砌單元，并施加推進反力；②注漿過程 在后方管片周圍的土層上施加注漿壓力（0.3MPa），為模擬漿液凝固過程，采用分級注漿形式，隨著開挖推進，逐漸增加注漿層屬性。模擬時首先開挖右線隧道，貫通后再開挖左線隧道。土層及各材料物理力學參數如表1所示。

表1 土層與材料參數

3 數值模擬分析

3.1 垂直于盾構方向的地表沉降分析

圖2為3排不同位置測點的沉降值，L 1表示與初始開挖面相距34.5 m處垂直于盾構方向地表沉降的分布情況。L 2表示與初始開挖面相距49.0 m的情況，L 3表示與初始開挖面相距63.5 m的情況。由圖2可知，右線隧道開挖后，地表最大沉降約為23.3mm。2條隧道中心的最大沉降約為5mm。距右線中心11～16 m外有略微隆起（不超過1mm）。左線隧道貫通后，右線中心地表最大沉降變化不大，約23.8mm，左線中心地表最大沉降約22.3mm，略小于右線，2條隧道中心的最大沉降約為10.2mm。

圖2 垂直于隧道方向的地表沉降值

右線隧道開挖后，距右線中心9.2 m外的沉降量在2mm以內，可認為右線盾構施工影響地表沉降的擾動區范圍為18.4 m，約為3 D（D為隧道直徑）。而左線隧道貫通后，2條隧道中間區域內的地表沉降具有明顯的疊加效應，在非疊加區域內，擾動區范圍擴大為距右線中心10.7 m內以及距左線中心10.9 m內，總體影響范圍約為6 D。

3.2 沿盾構方向的地表沉降分析

經過上述分析，盾構開挖對2條隧道中心附近引起的沉降較大，所以選取了右、左線正上方的地表測點進行分析，如圖3所示。YX-1表示右線正上方第1排測點（與初始開挖面相距34.5 m），YX-2表示右線正上方第2排測點（與初始開挖面相距49 m），YX-3表示右線正上方第3排測點（與初始開挖面相距63.5 m），左線測點符號與之類似。本次數值模擬總步數約31390步，其中前7670步為右線開挖，后23720步為左線開挖。由圖3可知，隨著右線隧道的不斷掘進，右線地表均是先略微隆起（不超過1mm），掘進到測點位置處后開始迅速下沉。

圖3 隧道上方的地表沉降值

掘進面遠離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩定。左線地表沉降呈現出類似的規律。對比左右線地表沉降值可以發現，右線地表沉降值略大于左線，但2條隧道中心線地表的最大沉降值均不超過25mm。

本工程采用的檢測控制基準及預（報）警值指標為：地表沉降值隆起不超過10mm，下沉不超過20mm。而上述計算結果表明，2條隧道中心附近區域內的地表最大沉降值在基準之外，不符合規范要求。因此本工程需要采用加固措施保證隧道掘進的安全進行，減少對既有構筑物的影響。

4 風險控制措施分析

根據上述數值模擬結果，若盾構機直接掘進破除抗浮樁，將造成地表沉降值超限，進而影響臨港路的安全運營。為此，針對穿越臨港路市政下穿隧道段施工擬采取以下加固技術措施。

1）對盾構機采取針對性措施，在刀盤面板加焊接撕裂刀，配備8把保勁刀，便于及時切斷既有抗浮樁，減少盾構機對隧道土體的擾動，在刀盤面板及切口環處加焊耐磨層，以適應下穿隧道對設備自身的需求。

2）下穿臨港路隧道前在臨港路兩側施做新抗浮樁，U 6段新增6根抗浮樁，樁長10 m，U 7段新增8根抗浮樁，樁長12 m。以彌補破除隧道結構既有抗浮樁后結構自身抗浮力的損失。

3）盾構下穿臨港路隧道破除既有抗浮樁會產生大量鋼筋，鋼筋數量及形態不明，為避免鋼筋影響后續盾構施工，在通過下穿隧道后開倉對刀盤及土倉內的鋼筋進行清理。為確保地層穩定，在盾構通過下穿段前后施做降水井，降水井深度27.5 m。施做降水井對下穿臨港路段實施區域性降水，以達到可隨時進倉處理抗浮樁鋼筋的條件。

4）對隧道范圍上方U形槽兩側土體進行預加固，以減少盾構掘進過程中對隧道上方土體的擾動。加固范圍為U形槽沿線路方向4.5 m，盾構隧道外邊緣外擴4 m，地面預加固注漿孔布設于隧道范圍內U形槽結構兩側，U形槽外側注漿孔間距2 m，注漿孔位置如遇抗浮樁則取消布設。加固完成后清洗注漿管，盾構通過時及通過后由地面注漿管進行補漿。

5）盾構機掘進直接破除臨港路隧道既有抗浮樁時，嚴格控制掘進參數：總推力為 12000～14000 k N，掘進速度為 20～30mm/min，刀盤轉速1.5 r/min，刀盤扭矩 6000 k N·m以內，土壓力 0.6～0.9 bar（1號），泡沫劑 100～150 L，同步注漿量不低于6 m3，同步注漿壓力不小于2 bar，膨潤土6～8 m3，出渣量 56 m3。

6）通過隧道內二次注漿及地面跟蹤注漿對地層進行補充，注漿壓力控制在 0.2～0.3MPa。

主要施工工序如圖4所示，注漿與加固措施如圖5所示。

圖4 施工流程

圖5 注漿與加固措施

采取上述擬定加固方案后，數值模擬計算得到的地表沉降結果如圖6，7所示。由圖6可知，右線隧道開挖后，地表最大沉降約為9.8mm，距右線中心6.6 m外的沉降量在2mm以內，說明右線盾構施工影響地表沉降的范圍為13.2m，約為2.2 D。左線隧道貫通后，右線地表沉降略微減少，左線隧道中心處地表出現較大沉降，但均不超過10mm，最終盾構開挖的擾動區域在4.5 D以內。2條隧道中心地表處的最大沉降約為2.4mm。

圖6 垂直于隧道方向的地表沉降值

圖7 隧道上方的地表沉降值

本次數值模擬總步數約86630步，其中前37200步為右線開挖，后49430步為左線開挖。由圖7可知，隨著右線隧道不斷掘進，右線地表均是先略微隆起（不超過0.5mm），掘進到測點位置處后開始迅速下沉，掘進面遠離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩定，但都控制在10mm之內。左線地表沉降呈現出類似的規律。

對比加固前后地表沉降值可發現，在采用加固措施后，地表沉降規律與加固前基本一致，但最大沉降值由原來的23.8mm減少到9.8mm，完全在控制基準范圍內。

5 結語

1）無論是否采用加固措施，隨著隧道不斷掘進，隧道地表均是先略微隆起，掘進到測點位置處后開始迅速下沉，掘進面遠離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩定，且地表沉降最大值出現在左右線隧道中心處。

2）工程擬定的加固措施對地表沉降有明顯的控制作用。如果直接盾構掘進，引起的最大地表沉降值23.8mm，超過控制基準20mm。采用加固方案后，計算得到的地表最大沉降值9.8mm，在基準范圍之內。盾構開挖的影響范圍也從加固前的6 D減少到 4.5 D。

參考文獻：

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[7]蔣勝光，張子新.圓礫地層雙線盾構施工參數及沉降特征分析[J].地下空間與工程學報，2015，11（S 2）：698-705.

[8]方勇，何川.平行盾構隧道施工對既有隧道影響的數值分析[J].巖土力學，2007（7）：1402-1406.