軟土地區隧道盾構法施工下穿既有隧道影響數值模擬

曲 勰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

隨著我國城市地下交通需求的日益增長，在未來數年內，隧道交通建設將迅猛發展。到2020年，我國城市軌道交通運營里程或達到6 000 km。在部分一線及二線城市地鐵隧道交通建設中，線路交叉施工將會越來越常見。尤其是長三角發達地區，隧道穿越施工是不得不面臨的一施工關鍵節點，如果隧道穿越施工所在土層為軟土層，尤其是強度低，靈敏度高的淤泥質軟土層中時，隧道盾構法施工易造成周圍土體的擾動。施工參數的選取就顯得異常重要，需嚴格控制并通過數值計算分析來驗證其合理性。

1 盾構法施工對地層擾動機理

盾構法修建隧道引起地層位移的主要原因是施工過程中的地層損失、地層原始應力狀態的改變、土體的固結及土體的蠕變效應、襯砌結構的變形等，盾構施工對周圍土體影響示意圖見圖1。其發展過程可分為開挖面前隆起、盾構通過時沉降、盾尾空隙沉降、后期蠕變沉降4個階段，其產生的原因與機理可見表1。

2 工程概況

杭州某擬建地鐵隧道底埋深約32.7 m，線間距約16.2 m下穿已運營地鐵1/4號線，既有盾構隧道由北向南依次為1號線左線(底埋深20.4 m)、4號線右線(底埋深23.7 m)、4號線左線(底埋深17.1 m)和1號線右線(底埋深20.0 m)。既有隧道均錯縫拼裝混凝土管片，外徑6.2 m，厚0.35 m，寬1.2 m。所處地層為③-3粉砂夾砂質粉土和⑥-1淤泥質粘土。最小凈距約3.1 m，所夾土層為⑥-1淤泥質黏土。擬建區間盾構隧道外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，襯砌采用直線環加轉彎環進行錯縫拼裝，壁厚350 mm，環寬1.2 m，C50混凝土，環向管片間用12個M30螺栓連接，縱向襯砌環間用16個M30螺栓連接。下穿段管片配筋選用超深埋類，管片增設預埋注漿管，管片螺栓等級加強為8.8級。根據監測情況進行二次注漿，注漿應遵循“多點、低壓、多次”注漿原則，降低注漿壓力影響。擬建隧道與既有隧道相對關系見圖2。

表1 盾構施工引起變形的原因與機理

沉降類型主要原因應力擾動變形機理盾構開挖面隆起工作面施加壓隆起圍巖應力釋放、擾動負荷土壓力彈塑性變形盾構通過時沉降施工擾動,盾構與圍巖(土體)間剪切錯動,出渣擾動壓縮盾尾空隙沉降圍巖(土體)失去支撐,管片背后注漿不及時應力釋放彈塑性變形后續沉降結構變形、地層擾動、空隙水壓下降等土體固結壓縮和蠕變下沉

表2 土體基本參數表

巖土名稱天然重度γ/kN·m-3凝聚力c/kPa摩擦角φ/(°)Es/MPa①-1雜填土19.510.0010.003.00③-2砂質粉土19.46.7028.2011.0③-3粉砂夾砂質粉土19.85.1029.1012.7⑥-1淤泥質粉質黏土17.814.8010.003.2⑧-1黏土17.921.2010.104.1⑨-1粉質黏土19.841.5015.507.0-4圓礫20.03.0035.0025.00-3圓礫20.05.0037.0030.0020d2強風化凝灰巖21.0100.0030.0020.0020d3中等風化凝灰巖22.0200.0030.0050.00

表3 土體小應變硬化模型參數表

3 有限元數值分析

3.1 計算模型及參數

穿越節點的三維數值分析模型尺寸：設置計算模型的X方向(平行于新建軌道交通走向)取150 m，Y方向(垂直于新建軌道交通走向)取55 m，Z方向(厚度方向)取60 m。模型采用標準約束形式，水平方向僅約束其相應的水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。即限制模型Y方向左右兩側面上節點的X向位移(U1=0)；X方向前后兩側面上節點的Y向位移；模型底面上節點的X,Y,Z向位移。在本計算中巖土體材料采用小應變硬化土模型，對于結構單元采用彈性模型，計算采用的巖土體參數見表2,表3。

3.2 計算結果

通過數值模擬逐環推進擬建隧道，分析既有1/4號線隧道的影響，如圖3，圖4所示。從圖中可知，盾構機穿越既有隧道時對既有隧道的影響在5 mm以內，滿足地鐵保護要求。

4 結語

通過盾構法施工對周圍土層影響機理及影響因素的分析，總結出有限元法計算盾構下穿問題需考慮的盾構法施工參數。并通過Plaxis 3D軟件建模分析成功模擬出盾構隧道穿越施工過程中上部隧道先由于推進力影響產生的隆起現象及推進后由于地層損失造成的沉降現象，模擬結果中已建隧道的變形規律與工程實踐符合較好，對工程實踐中盾構機施工參數選取具有一定的指導意義。