軟土地層小凈距疊交盾構隧道施工方案研究

崔蓬勃，朱永全，陶祥令，靳 達，丁 謇

(1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；3.無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214131)

近年來盾構法因具有工藝先進、地層適應性強等優點，成為地鐵隧道施工的主流方法。而在實際地鐵施工中由于線路周圍往往存在既有建(構)筑物，常出現小凈距疊交情況。小凈距疊交隧道施工影響較為復雜，目前國內外學者從理論分析及數值計算2方面對此問題進行了大量研究。文獻[1]根據開挖引起的地層損失提出符合正態分布的地表橫向沉降計算公式。文獻[2-4]對Peck公式進行了深入研究。文獻[5]針對新建隧道近距離下穿既有地鐵進行了施工方案優化研究。文獻[6]對上海地鐵疊交盾構隧道施工過程進行了有限元分析，研究了隧道相對位置及間距對既有結構的影響。文獻[7]采用FLAC 3D軟件對地鐵區間隧道下穿橋群施工進行了計算分析，提出了控制措施。文獻[8]通過對疊交隧道的計算分析，發現最大地表沉降值與盾構機開挖面位置有關。

針對小凈距盾構隧道穿越施工問題，國內外多針對正交形式開展研究，對斜交形式研究不多。本文以無錫地鐵3號線出入段隧道斜交上穿地鐵3號線長江路站—機場站區間隧道及既有電力隧道為工程背景，采用三維有限差分軟件進行數值模擬，分析不同施工順序對地表沉降及隧道結構豎向變形的影響。

1 工程概況

無錫地鐵3號線出入段隧道起訖里程為CDK0+109.600—CDK1+202.444，于CDK0+462.700處上穿3號線長江路站—機場站區間(以下簡稱長機區間)右線隧道，隧道外徑6.2 m，管片設計為厚0.35 m寬1.2 m 鋼筋混凝土結構，疊交段埋深約21.0 m。在這一范圍內同時下穿一既有高壓電力隧道，疊交區域平面位置關系如圖1所示。3號線出入段左、右線隧道與3號線長機區間右線隧道管片的垂直凈距分別為1.68 m 和1.99 m。

圖1 疊交區域平面位置關系

2 數值模擬

2.1 計算模型和計算參數

采用FLAC 3D 5.0有限差分軟件建立計算模型，根據《隧道力學》[9]中關于邊界效應的闡述，模型計算邊界至隧道中線取3倍洞徑以上。模型尺寸取90 m(x方向)×96 m(y方向)×43 m(z方向)，模型頂面為自由邊界，其余5個面均施加法向約束。土體、管片、注漿層、盾構機殼均采用八節點實體單元模擬。計算模型及區間隧道與既有結構位置關系如圖2所示。計算中土層采用摩爾-庫侖本構模型，既有電力隧道結構、管片及盾殼采用彈性模型。根據地勘資料及現行規范[10-11]確定材料的物理力學指標，見表1。

圖2 計算模型及隧道與既有結構位置關系

2.2 計算過程及工況

采用動態變剛度法實現盾構開挖過程，盾構機長7.2 m，每次推進1.2 m，管片拼裝距開挖面6 m，同步注漿層在管片脫出后激活，向前推進直至貫通。首先施工上方電力隧道并作為既有結構。設計2種工況：工況1，先開挖下部長機區間隧道后開挖上部出入段隧道；工況2，先開挖上部出入段隧道后開挖下部長機區間隧道。

表1 土層及隧道結構物理力學性能指標

2.3 土倉壓力設定

對于盾構開挖而言，土倉壓力對地層穩定至關重要。其大小與隧道埋深密切相關。TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[10]中深、淺埋隧道分界的臨界深度H計算公式為

H=(2.0-2.5)ha

(1)

式中：ha為隧道塌方體平均高度，取0.45×2S-1×ω，S為圍巖級別，ω為寬度影響系數，ω=1+i(B-5)，B為隧道寬度，i為B每增減1 m 時圍巖壓力增減率，i取0.1。

計算得臨界埋深為32.26～40.32 m，因此本工程屬淺埋隧道。取土倉壓力為靜止土壓力σx。在深度h處土體豎向自重應力σz與靜止土壓力σx計算公式為

σz=γh

(2)

σx=Kσz=Kγh

(3)

式中：γ為土體重度;K為側向土壓力系數，K=ν/(1-ν)，ν為土體的泊松比。

由式(2)、式(3)計算得長機區間隧道靜止土壓力為0.18 MPa，出入段隧道靜止土壓力為0.15 MPa。管片從盾尾脫出后，需對管片與土層的環狀間隙進行同步注漿，以控制地層沉降。注漿壓力取對應的靜止土壓力。

2.4 計算結果與分析

2.4.1 地表沉降

沿著x方向布置2個地表沉降監測斷面，參見圖2(a)。2種工況不同階段的地表沉降曲線見圖3。由圖3(a)和圖3(b)可知:由于監測斷面1處先開挖，斷面1處地表沉降比斷面2處大，工況1施工過程中3個 階段監測斷面1處最大地表沉降分別為6.12，8.04，9.33 mm，且地表沉降槽中心隨開挖的進行會發生移動，總體上隨隧道中心線變化。由圖3(c)和圖3(d)可知：工況2地表沉降規律與工況1類似，3個 階段監測斷面1最大地表沉降分別為6.5，7.9，13.1 mm，最大地表沉降明顯大于工況1，工況2最大地表沉降比工況1高出40%。

圖3 2種工況不同階段地表沉降曲線

圖4 2種工況隧道結構豎向變形云圖(單位：m)

2.4.2 隧道結構豎向變形

2種工況隧道結構豎向變形云圖見圖4。可知：工況2隧道結構豎向變形比工況1大。工況1隧道結構最大豎向變形為23.0 mm，出現在長機區間右線隧道拱頂處；工況2隧道結構最大豎向變形為33.8 mm，與工況1相比增大47%，出現在長機區間右線隧道拱頂和出入段右線隧道拱頂。2種工況下既有電力隧道變形量均不大，分別為6.8，9.9 mm。規范[12]中隧道結構最大豎向變形允許值為30 mm。工況2隧道結構最大豎向變形已超過允許值12%。

3 現場施工建議措施

根據上述2種工況地表沉降及隧道結構豎向變形計算結果，建議選取工況1作為小凈距疊交隧道的合理施工順序。另外在疊交段施工過程中，應嚴格控制盾構機掘進速度，并保持盾構土倉壓力穩定，嚴格控制同步注漿量及注漿壓力。為避免疊交段隧道結構變形超限，可在疊交段先期施工的長機區間右線隧道內部設置臨時鋼支撐，防止其出現較大的拱頂沉降，同時應做好監控量測工作，加密監測點并提高監測頻率。

4 現場實測數據分析

根據本文建議，隧道采用先下部后上部的施工順序，于2017年11月27日全部貫通。施工期間疊交段共設70個地表沉降監測點，隧道內共布設5個監測斷面。疊交段最大地表沉降7.84 mm，既有電力隧道拱頂最大沉降6.17 mm，長機區間右線隧道拱頂最大沉降16.00 mm，地表沉降與隧道拱頂沉降實測值與工況1數值模擬結果較為吻合，但數值模擬結果偏大，具有一定安全儲備。

5 結論

1)土倉壓力對軟土地層小凈距疊交盾構隧道施工影響顯著，土倉壓力應嚴格控制。應根據鐵路隧道設計規范確定臨界埋深。本工程為淺埋隧道，土倉壓力設定為靜止土壓力。

2)工況1地表最大沉降9.33 mm，隧道最大豎向變形23.0 mm;工況2地表最大沉降13.10 mm，隧道結構最大豎向變形33.8 mm。工況2地表沉降及隧道結構豎向變形較工況1分別提高40%和47%。工況2隧道結構最大豎向變形超過規范允許值12%。從控制地表沉降、隧道結構豎向變形來看，建議采用先下后上施工順序。現場監測結果與模擬計算結果比較吻合。