重疊隧道上洞開挖面支護與注漿壓力對下洞隧道的影響分析

張旭東

（中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南昆明 650200）

1 工程概況

昆明地鐵首期工程環城南路站—昆明火車站站區間（以下簡稱“環—昆區間”）位于昆明市區北京路正下方，區間為左線上方、右線下方的地下重疊盾構區間，區間線路平面間距為 0 m，剖面最小凈距為1.8 m，其左右線分別長 449.260 m 和 448.960 m，最大坡度為 9.282‰，最小坡度為 2‰，覆土厚度為 8.04～17.72 m，主要穿越圓礫、粉土、粉砂及黏土層。設計管片采用通用型管片，錯縫拼裝。管片設計參數為：C50混凝土，內徑 5.5 m，外徑 6.2 m，厚度 0.35 m。

2 地表沉降及管片應力計算分析

2.1 計算模型及參數

本次計算采用巖土工程通用分析軟件 FLAC3D，結合現場實際情況采用三維數值仿真模型進行分析，三維計算模型如圖1所示，模型尺寸為 80 m×60 m×40 m。模擬過程中地層采用實體單元，隧道結構采用結構單元進行模擬。模擬過程考慮的荷載情況詳見圖 2，計算過程中上下重疊隧道凈距 1.8 m。模型計算土層參數見表 1。

圖1 數值計算模型

圖2 數值計算荷載

表1 土層參數信息

2.2 計算工況

本次計算主要考慮上洞施工時土倉壓力（開挖面支護壓力）與注漿壓力對地表沉降以及下洞管片結構受力的影響，考察標準主要是下洞管片的應力以及地表沉降。因此，在進行下洞隧道施工時，采取一次性挖通的形式，使管片的應力狀態和地表沉降狀態在各方向均相同。計算過程中共考慮 7 種計算工況，見表 2。

表2 計算工況表

在下洞開挖完成的基礎上進行上洞隧道開挖，采取一次性挖去前半段 60 m 范圍內的土體并進行管片拼裝和注漿等操作。在計算過程中，分別在保持管片上下兩端注漿壓力與地層原始應力相匹配的情況下按表 2 改變土倉壓力，同樣，在保證土倉壓力與開挖面地層壓力相匹配的情況下按表 2 改變注漿壓力，最后計算得出各工況情況下地表沉降和下洞管片應力的情況。

2.3 不同土倉壓力時地表沉降及管片應力

2.3.1 地表沉降

保持管片上下兩端注漿壓力與地層原始應力相匹配的情況下，按表 2 改變土倉壓力，計算得到不同開挖面支護壓力造成隧道前方Y= 60 m、120 m 地表沉降曲線如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，土倉壓力的大小對地表沉降的影響其實較小，這是由于本次計算中上覆土厚度較厚（14.5 m），即使在較大的開挖面支護壓力作用下，開挖面前方地層也未發生隆起變形。實際工程中，當重疊隧道上覆土厚度較薄時，在較高的開挖面支護壓力作用下，極有可能發生地層隆起變形。因此，實際施工應該結合現場監測數據合理確定開挖面支護壓力的大小。

圖3 不同土倉壓力情況下開挖面前方Y斷面地表沉降曲線

2.3.2 管片應力

除地表沉降外，開挖面支護壓力通過地層土體擴散傳遞給管片，會造成管片內部應力的變化。開挖面位于Y = 60 m 時，下洞 Y = 50～90 m 范圍不同開挖面支護壓力下管片應力云圖如表 3 所示。

從表 3 中應力云圖可以看出，上洞隧道開挖使得下洞隧道管片內部應力總體釋放，最明顯表現為盾構前方一定距離范圍內的下洞隧道管片 Y 方向的應力和 Z 方向的應力明顯減小，從減小的量值看，開挖面支護壓力越大，減小的量值越小。

表3 不同土倉壓力情況下下洞隧道管片應力云圖 Pa

續表 3

由于下洞拱頂管片承受正彎矩，管片初始應力狀態為拉應力，在上洞開挖過程中卸載，拉應力水平減小。圖 4 給出了不同土倉壓力情況下下洞拱頂拉應力曲線。從圖 4 中看出，不同土倉壓力情況下，下洞拱頂管片拉應力卸載水平不一樣，支護壓力越大，卸載作用越不明顯。主動支護情況下，拱頂管片應力并不隨P/P0線性單調增加，而是逐漸減緩。

圖4 不同土倉壓力情況下下洞拱頂管片拉應力曲線

2.4 不同注漿壓力時地表沉降及管片應力

2.4.1 地表沉降

施工中施加不同注漿壓力時地表沉降情況如圖5所示。從圖 5 可以看出，注漿壓力的大小對控制地表沉降影響非常顯著。當G/G0小于 0.5 時，比值越小，沉降越大，最終地表沉降大于 30 mm；而當G/G0的大于 0.8時，最終地表沉降隨注漿壓力的增大而減小，但減小幅度減緩。

圖5 不同注漿壓力情況下開挖面前方Y斷面地表沉降曲線

對比開挖面支護壓力（土倉壓力）及注漿壓力對地層沉降的影響可知，注漿壓力對地層沉降的控制效果更加明顯。實際施工中，宜將注漿壓力控制在 0.8～1.0 倍地層原始應力范圍內。

2.4.2 管片應力

注漿壓力對下洞已成型管片應力的影響如表 4 中應力云圖所示。從表 4 應力云圖可以看出，注漿壓力對下洞管片受力有一定影響，主要表現為對 Y 向和 Z 向應力的影響，影響趨勢與前述分析結果一致。最明顯表現為盾構前方一定距離范圍內的下洞隧道管片 Y 方向的應力和 Z 方向的應力明顯減小，從減小的量值看，開挖面支護壓力越大，減小的量值越小。

表4 不同注漿壓力情況下下洞隧道管片應力云圖 Pa

續表 4

3 結論

（1）從施工參數（土倉壓力和注漿壓力）對地表沉降和下洞管片應力的影響分析可知，施工參數控制對于重疊隧道施工安全和結構安全都有重要影響。施工中除進行必要的監控量測與施工參數控制外，為避免局部應力集中造成的襯砌損壞，還需采取必要的輔助施工措施。

（2）計算分析表明，注漿壓力影響較為明顯。因此，應保證開挖面支護壓力不小于地層原始水平應力，同時，注漿壓力應控制在 0.8～1.0 倍地層原始應力范圍內。實際施工中，還應視施工情況，結合監控量測結果，有針對性地采取輔助施工措施，保證施工安全。