盾構穿越多條既有隧道施工環境擾動分析

代仲海， 胡再強

(1. 西安理工大學 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048； 2.深圳地質建設工程公司， 廣東 深圳 518023)

1 研究背景

隨著我國城市經濟的飛躍發展，城市地下空間受到越來越廣泛的關注和開發，城市軌道交通、地下快速公路、越江隧道的建設迅速發展[1]，因此新建盾構穿越多條鄰近運營隧道的情況不斷發生，對于盾構施工水平提出了更高的要求，稍有不慎將引起運營隧道的開裂破壞，嚴重時甚至導致隧道坍塌等環境災害。因此，針對盾構近距離穿越多線既有隧道的復雜情況，預測并控制施工期間擾動變形，使其對環境的影響減小到最低限度，就顯得越來越重要。

目前，已有眾多學者對盾構施工誘發的環境擾動問題進行了豐富研究[3-9]，但對于近距離穿越施工的擾動分區以及對地層應力和超孔壓變化等施工擾動機理還缺乏充分和深入的研究，特別是在多條盾構法施工隧道相互影響作用等方面的研究極為匱乏。本文分別對盾構垂直上穿與垂直下穿兩種典型穿越方式，構建了三維彈塑性有限元模型，計算分析了盾構掘進引起的地表沉降以及對既有隧道的擾動變形影響，對多線盾構隧道的合理設計及指導施工采取相應的防護措施具有重大現實意義。

2 土體擾動影響因素

盾構法隧道是一個非常復雜的系統工程，盾構的挖掘將不可避免地擾動周圍的土體并引起地層的隆起沉降。由于土體損失、超孔隙水壓變化以及管片承壓變形等因素的影響，原有的土體平衡狀態遭到破壞，初始地應力將重新分布，產生地表不均勻沉降、臨近的既有隧道發生較大縱向變形等現象。

盾構隧道施工過程中，諸多因素會導致土體的變形。在文獻[10]中，深入研究了盾構前推力、盾構與土體摩擦力和土體損失這3種主要因素，并分別給出相對應的計算公式。當然，土質條件、盾構推進速度、注漿壓力、注漿速度、注漿量、超挖施工以及既有隧道列車荷載等因素同樣不可忽略[11]。因此在使用三維彈塑性有限元法模擬盾構掘進開挖的過程中，為了盡可能地減小數值模擬與實際施工的誤差，必須綜合考慮上述諸多因素的相互影響。

3 典型軟弱地層盾構施工有限元模擬

3.1 掘進過程模擬

本文采用有限元數值模擬中生死單元以及改變材料參數的技術手段，進而實現對與盾構掘進以及同步注漿的有效模擬。采用設置等代層的思路可以將不易量化的注漿過程進行必要簡化，達到準確模擬施工過程的目的，等代層示意圖如圖1所示。

圖1 等代層示意圖

3.2 三維有限元模型

本文構建的數值計算模型如圖2和3所示，其中，X方向為50 m，Y方向為24環管片寬度24×1.2 m(環寬)=28.8 m，Z方向為60 m，新建隧道與既有隧道管片均是通用環楔形管片，其混凝土強度為C60級，混凝土抗滲等級為S12。隧道的內部直徑為5.5 m，外部直徑為6.2 m，厚度為350 mm，管片的環寬為1.2 m，等代層厚度為 10 cm。假設現有隧道之間凈間距為5 m，覆土厚度為22 m，兩條新建隧道的凈間距為5 m，其與兩條既有隧道的凈距為4 m。模型共有35 196個實體單元。

圖2盾構上穿有限元模型圖3盾構下穿有限元模型

3.3 材料參數

本次建模過程中，采用鄧肯-帕克彈塑性模型模擬土體介質，為了模擬出盾構管片螺栓連接時產生的剛度折減，將管片縱向剛度乘以0.9的折減系數[12]。此外，模型中通過采用設置時間步長來模擬盾構施工中的時間效應以及土體固結作用的影響。材料參數詳見表1和2。

表1 土和襯砌物理參數

表2 等代層參數

注：表1和2中，μ為泊松比，E為彈性模量，γ′為浮容重，c為黏聚力，φ為摩擦角，K為滲透系數。

3.4 盾構穿越分區

為了更加清晰地描述盾構穿越開挖全過程，結合參考文獻[13]以及前期對此類參數下單線隧道盾構開挖土體擾動范圍研究可知：對既有隧道中心間距小于2D(D為隧道外部直徑，下同)，新建隧道距離既有隧道最小凈距小于1.8D的近接工況，穿越既有隧道區段可劃分為如圖4所示的5個區域，即Ⅰ區——穿越接近區域，Ⅱ(1)區——穿越區域1，Ⅱ(2)區——穿越區域2，Ⅲ區——穿越既有隧道過渡區域，Ⅳ區——穿越遠離區域。

圖4 盾構穿越分區示意圖

在模擬盾構上、下垂直穿越過程中，均以2.4 m(2環管片寬度)作為一個推進長度，首先進行1#線路的開挖，再進行2#線路的開挖。

4 數值模擬結果分析

本文主要對盾構掘進時地表的沉降以及對既有隧道擾動變形進行深入分析，以期總結出類似工況條件下普遍性的施工擾動規律。

4.1 地表沉降分析

在盾構掘進模擬過程中，始終以改變穿越分區時的開挖面正上方橫向地表沉降為分析對象。研究了新建盾構隧道在不同階段和不同區域間穿越從而引起的橫向地表沉降規律。1#和2#線上、下穿中各區上方橫向地表沉降如圖5和6所示。

圖5 1#和2#線上穿過程中各區上方橫向地表沉降圖6 1#和2#線下穿過程中各區上方橫向地表沉降

圖5為1#和2#線上穿過程中各區上方橫向地表沉降圖。由圖5可見，在1#線上穿Ⅰ區時，其相應地表沉降最小，其值約為8 mm，穿越Ⅱ(1)區、Ⅱ(2)區時由于既有隧道上方土壓力較小，地表沉降相應也比穿越Ⅰ區時大，1#線穿越Ⅳ區后，其地表沉降最大，其值為13.5 mm，2#線穿越過程中，地表沉降與1#線穿越過程相似，但由于各隧道之間的相互影響作用，其地表沉降均大于1#線穿越過程中的地表沉降，其穿越完成后地表沉降最大為27.5 mm左右。同時可以發現，2#線穿越完成后，地表最大沉降并不是發生在2#線正上方，也不呈對稱分布，與施工結果趨勢相吻合。由此可見，各隧道之間的相互影響較為復雜。

圖6為1#和2#線在下穿過程中各區上方橫向地表沉降圖，在圖6所示的下穿過程中的地表橫向沉降規律類似于上穿過程，但總沉降量小于上穿時引起的地表沉降，最大沉降量為14.8 mm。同時，沉降槽的寬度大于上穿過程的地表沉降槽寬度。

4.2 Peck公式驗證與修正

Peck(1969)[14]通過分析地面沉降工程相關監測數據及室內試驗，提出了橫向地面沉降估算公式：

(1)

式中：S(x)為地面沉降量，m；Vloss為盾構隧道每單位長度的地層損失量，m3/m；i為地表沉降槽寬度系數，m；x為距隧道軸線的水平距離，m。

假設η為土體損失百分率，則有：

Vloss=ηπR2

(2)

式中：R為隧道的外半徑，m； 根據文獻[15]中相應的土體損失率取值及相關分布，參考上海地區相關工程施工的平均標準值，本文中η取值為0.89%[15]。故地層損失量為：

Vloss=0.89%×π ×3.12=0.2687 m3/m

沉降槽寬度系數在垂直上穿情況下為：

式中：Z為隧道中心與地表的間距，m；φ為土體的內摩擦角，(°)。故將上述結果代入公式(1)，并且簡單假設各不同開挖過程所產生的影響為它們分別開挖所產生影響的疊加，則：

因此，盾構上穿過程引起地表的橫向沉降值可由Peck經驗公式計算求得其最大值為28.0 mm。盾構下穿時仍可采用同樣的方法求得地表橫向沉降的最大值為11.8 mm。

對比分析發現，Peck公式計算值在下穿施工時比模擬值小3 mm，這是因為多條盾構法隧道開挖誘發的實際地表面變形并不是簡單累加各條單獨線路開挖時引起的變形，此外，Peck公式也沒有計入各條線路間盾構開挖的相互影響。由此可見，施工后最大沉降并不在2#線正上方，而是稍偏于1#線處，正是盾構掘進對土體二次擾動的結果。在多線盾構施工過程中，為考慮隧道間的相互影響引起沉降槽的偏移，可以引入一個與施工參數密切相關的帶方向經驗修正系數 ，對Peck公式做簡單修正，形式如下：

(3)

4.3 既有隧道變形分析

在新建1#、2#線路掘進過程中，以既有3#、4#線路為研究對象，考慮其沿著縱向軸線的擾動變形。既有隧道的縱向變形分別如圖7～10所示。

圖7 1#和2#線上穿過程中3#隧道縱向變形圖8 1#和2#線上穿過程中4#隧道縱向變形

圖9 1#和2#線下穿過程中3#隧道縱向變形圖10 1#和2#線下穿過程中4#隧道縱向變形

由圖7和8可見，在上穿過程中，既有隧道均呈上浮趨勢，且在2#線穿越的過程中，在原來的基礎上地表沉降是繼續增大的，具有明顯的累積效應，這是由于在2#線開挖的過程中，各條線路之間產生了較大影響，對地層有二次擾動所致。同時，在新建隧道的穿越過程中，隨著既有隧道與新建隧道之間距離的縮小，既有隧道的上浮逐步增加，最大的上浮出現在各條線路穿越Ⅳ區時，且既有隧道的最大上浮值出現在新建隧道的正上方，這和地表沉降所呈現出的規律并不一致。在整個穿越過程中，最大上浮值均出現在新建線路穿越既有線路完成時，既有3#線的最大上浮值約6.9 mm，既有4#線的最大上浮值約為7.0 mm。

由圖9和10可知，當盾構下穿施工時，兩條已有隧道呈現明顯的下沉趨勢，此外，隨著盾構距已有隧道距離的減小，既有隧道的下沉逐步增加，最大的下沉出現在各條線路穿越Ⅳ區時，且既有隧道的最大下沉出現在新建隧道的正上方，這同樣與地表沉降呈現出的規律不一致。與盾構上穿過程相比，下穿過程對既有隧道擾動相對較大，既有隧道的最大下沉量可以達到25.0 mm左右。

5 結 論

本文對盾構隧道穿越多條既有隧道開挖過程進行有限元模擬，并與Peck經驗公式對比驗證，分析了盾構近距離穿越多條既有隧道復雜工況下施工對地表沉降以及結構本體變形規律，提出了預測地表最大沉降值出現位置的Peck修正公式，得出的主要結論如下：

(1)由于地表變形受盾構上穿擾動影響較大，而對已有隧道來說，受上穿擾動影響較小；盾構下穿對地表變形擾動較小，而對已有隧道的擾動相對較大，因此應根據實際需求選擇合適的穿越方式。

(2)運用Peck經驗公式估算盾構施工引起的地表沉降量是可靠的，但對于最大沉降量的位置，更多的還需要依靠施工經驗進行判斷。

(3)在近距離穿越施工時，盾構的土倉壓力、注漿速度以及注漿壓力等設定值要在一定程度上低于其他區域，以最大限度地減小對穿越區的施工擾動。

(4)若盾構掘進中遇到超近距離、超淺覆土穿越等極端惡劣工況，尤其應控制施工擾動的影響，可結合注漿加固、凍土法[18]等成熟施工技術，以確保工程的順利進行。