雙線地鐵盾構隧道下穿既有河道施工對地層變形的影響分析

周高烽,朱東峰 ,姜懷祖

(1.西南交通大學土木工程學院交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.中鐵二十一局軌道交通工程有限公司,山東濟南 250021)

為緩解目前城市公共交通的擁堵問題，以地鐵為代表的城市軌道交通得到了快速發展。盾構法因其適應性強、機械化程度高和不影響地面交通等優勢在城市地鐵區間隧道建設中得到了大量的應用[1-2]。在城市中使用盾構法修地鐵區間隧道時通常會遇到隧道下穿地面結構物以及地下管線等既有結構物的狀況。由于盾構機在土體中掘進，會引起土體的應力重分布和地層變形，進而會引起地面結構物發生變形。若引起的地層沉降過大則勢必會影響到既有結構物的正常使用。

國內外學者對盾構法施工引起的地表沉降和既有結構物變形問題開展了眾多的研究。但對盾構隧道下穿既有河道施工時對既有河道與隧道不同交叉角度下的相互影響所開展的研究較少。故本文將以成都地鐵六號線某區間盾構下穿既有河道為工程背景，分析了5種不同交叉角度下地層的變形特性，最后結合實際的盾構施工的監測數據進行對比，得出結論。

1 工程概況

本文以成都地鐵6號線某雙線盾構區間隧道斜穿某既有河道為研究對象。該盾構區間隧道的覆土層厚度為13.5 m，左右線兩隧道軸線間的距離為12.4 m。盾構隧道的開挖直徑為6.28 m，隧道管片的外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，其沿隧道軸線方向上的長度為1.5 m。為了減少盾構掘進施工對上覆既有河道的影響，盾構區間采用先掘進左線隧道，然后再掘進右線隧道的施工工序。隧道軸線與河道軸線之間的夾角為56 °。河道河床為混凝土結構，河面寬度為12.0 m，河道深3.5 m，河道內枯期水位0.3～0.5 m，富水期水位1.0～1.2 m。根據地質勘察資料表明，河道內水位與地下水無直接聯系。盾構隧道拱部距離河道底部最小間距為10.0 m，盾構隧道下穿河道影響左右線的長度約30 m。地鐵雙線盾構區間隧道與河道的空間位置關系以及隧道穿越的地層狀況如圖1所示。

圖1 地鐵盾構區間隧道與河道的空間位置關系及地層狀況

2 數值模擬

為了研究不同交叉角度下盾構隧道掘進施工對地層與河道變形的影響，根據對目前國內外盾構隧道下穿河流工程案例的總結[3-6]，現有的盾構隧道與河道之間的夾角即隧道軸線與河道軸線之間的夾角多在25～90 °之間，故本文在數值模擬中將隧道與河道軸線之間的夾角分別取為30 °、45 °、60 °、75 °、90°五種工況，分別為工況1～工況5。同時，為便于對比分析，還增加了一個地表無河道的工況，即盾構機在地表無河道時的掘進工況為工況6。在不同交叉角度的模型中，為使計算具有可對比性，將河道的寬度和深度保持不變，以確保基本變量在不同交叉角度計算模型中的一致性。圖2為本文所建立的地鐵盾構隧道與河道不同交叉角下的工況示意圖。

圖2 盾構隧道與河道之間不同夾角工況的示意

2.1 基本假設

鑒于實際工程中盾構機的掘進是一個連續的過程，因此本文采用FLAC3D中的剛度遷移法[7]來模擬盾構機的連續掘進。由于數值模擬與實際施工狀況之間還存在一定的差異，為便于分析，計算中采用了以下幾點假設。

(1)將地層視為彈塑性材料，其應力應變本構關系遵循Mohr-Coulomb屈服準則，并采用FLAC3D軟件中的實體單元模擬地層。

(2)河道的主體為混凝土結構，整個河道采用八節點的實體單元模擬。

(3)使用FLAC3D軟件的shell平面結構單元來模擬盾殼。

(4)盾構隧道管片的縱向長度為1.5 m，厚度為30 cm。用FLAC3D軟件的八節點的實體單元模擬管片。

(5)因為盾殼直徑稍大于管片的直徑，所以在盾尾脫出后，在管片和地層之間勢必存在一定的間隙，故用等代層[7]來模擬盾殼和管片之間的間隙與盾尾的注漿，等代層厚度取10 cm，采用FLAC3D中的實體單元來模擬。

(6)在模擬盾構掘進的數值計算中不考慮地下水的滲流作用。

2.2 計算模型

根據彈性力學中Saint Venant原理，隧道開挖影響區域為隧道洞徑的3～5倍，因此，所建立的數值計算模型尺寸沿隧道軸線即y軸方向的長度為210 m，模型高即z軸方向的長度為44.5 m，x軸方向的長度為84 m，計算模型和坐標系如圖3所示。數值計算模型的前后左右面各施加法向位移約束，模型的底面施加豎向位移約束，模型頂面為自由面。

圖3 盾構隧道下穿河道的三維數值計算模型

2.3 計算模型的物理與力學參數

結合地鐵盾構雙線隧道斜穿既有河道地段的地質勘探資料，數值計算模型中地層的物理和力學參數見表1。盾構管片由于采用縱向和橫向螺栓進行拼接，因此需要對盾構管片縱向和橫向剛度進行折減，管片橫向剛度的折減系數取0.6～0.7[8]，管片縱向的抗彎、抗剪剛度折減系數取0.01[9]，而縱向抗壓剛度折減系數一般取1.0，即不考慮抗壓系數折減。由于等代層模擬盾尾管片與地層之間的空隙和注漿層，所以等代層的參數應當小于注漿漿液硬化后的參數，注漿壓力取0.2 MPa，等代層和管片參數如表2所示，其中Ex、Ey、Ez分別代表管片單元的彈性模量在整體坐標系x軸、y軸和z軸上的分量。

表1 地層物理力學參數

表2 等代層和管片物理力學參數

2.4 施工過程的模擬

數值模擬采用剛度遷移法來模擬盾構機的連續掘進。對隧道掘進施工過程的模擬是先掘進左線隧道，然后再模擬掘進右線隧道。在盾構機的掘進工程中，取兩環盾構管片的寬度3 m為一個掘進步，即左線掘進69步，右線也掘進69步。盾構的掘進過程是：利用空模型Null殺死土體單元，并且對開挖面施加均布土壓力，激活盾殼Shell單元，盾尾脫出后，再刪除盾殼Shell單元，然后用均勻分布的環向壓力來模擬盾構注漿壓力的施加，然后改變等代層和管片的參數來模擬盾構的掘進。

3 盾構隧道掘進引起的地層沉降槽特性

Peck通過對大量地層沉降數據的研究提出了在不考慮地層排水固結作用時地層沉降的計算方法即Peck公式[10]。國內外的研究表明，隧道開挖后地表沉降滿足正常的高斯函數。Peck公式主要用于分析隧道開挖后引起的地表沉降特性而不能分析沉降對于地面構筑物的影響。本節主要分析在不同的交叉角度下，盾構隧道掘進所引起的地表沉降槽變化規律。

為便于分析，將盾構隧道軸線與河道軸線的交叉點取為C點，見圖2所示。在不同交叉角度的計算工況中，為了研究在不同交叉角度工況下盾構隧道掘進所引起的地層沉降槽的變化特性，取C點所對應的y坐標即y=65m處的斷面作為監測斷面。經過模擬計算，在不同的工況計算結果中，左右線盾構隧道掘進后所引起的地表沉降曲線形狀基本相同。為更直觀的反映地表沉降槽特性，根據Peck公式取沉降槽寬度w和最大沉降量zmax即最小變形的絕對值作為主要特征。其中沉降槽寬度w=2i，i為沉降曲線對稱中心到曲線拐點(反彎點)的距離。

根據所有工況的計算結果，繪制左線和右線掘進后的沉降曲線，然后利用Origin軟件中的高斯擬合功能，得到不同計算工況下的最大沉降量zmax和沉降槽寬度w，其結果見圖4。

(a)地表最大沉降量

(b)沉降槽寬度圖4 地表沉降特性

圖4(a)表明，在夾角為30～90 °的各個工況以及工況6中，右線隧道掘進后的最大沉降量均大于左線隧道掘進后引起的沉降量，增量約為4～5 mm。當夾角為30～90 °時，在左線隧道與右線隧道掘進后，地表最大沉降量均隨夾角的增大而呈緩慢下降趨勢。左線施工引起的最大沉降量從7.4 mm下降到4.6 mm，右線隧道施工引起的最大沉降量從10.5 mm下降到8.8 mm。而工況6時左線隧道施工引起的地表最大沉降量為4.2 mm，右線隧道施工引起的地表最大沉降量為8.2 mm。在工況6下左右線施工引起的地表最大沉降量均小于30～90 °時的最大沉降量。圖4(b)表明，在夾角為30～90 °各個工況以及工況6中，右線隧道掘進后的沉降槽寬度均大于左線掘進后的沉降槽寬度。增量約為5 m。當夾角為30～45 °時左右線掘進后引起的沉降槽寬度隨角度的增加而逐漸下降，左線的沉降槽寬度從25.6 m下降到24.2 m，右線沉降槽寬度從30.5 m下降到29.4 m。此后在夾角為45～90°時，左右線的沉降槽寬度均隨角度的增加而呈上升趨勢。左線的沉降槽寬度從24.2 m上升到40.4 m，右線沉降槽寬度從29.4 m上升到45.8 m。工況6下的左線沉降槽寬度為21.8 m，右線沉降槽寬度為26.9 m，且工況6的最大沉降槽寬度均小于夾角為30～90 °時的沉降槽寬度。

基于上述分析，河道軸線與隧道軸線之間的夾角與地層變形之間存在相互影響。當有河道存在時，地表最大沉降量和沉降槽寬度均大于無河道存在時的數值，說明河道的存在會增加盾構隧道開挖對地表的影響范圍和程度。且隨著隧道軸線與河道軸線交叉角的增大，地表最大沉降量呈逐漸減小的趨勢，而沉降槽寬度總體則呈增大的趨勢。

4 工程實測與分析

4.1 監測點布置

為分析盾構區間隧道掘進期間引起地表和河道的沉降，結合成都地鐵6號線某雙線盾構區間隧道下穿河道的工程實例，對地表和河道的沉降進行監測。根據對隧道區間與河道的地理位置分析，隧道軸線與河道軸線之間的夾角為56 °。該河道是一條人工河道，河面寬度為12 m，故在河道兩側外布置地表沉降監測點和河道岸布置河道沉降監測點，監測點的布置如圖5所示。

圖5 地表和河道沉降監測點平面布置

4.2 監測結果和分析

現場盾構施工時先掘進左線隧道然后再掘進右線隧道。本節將以數值模擬中隧道軸線與河道軸線交叉角為56°工況下的計算數據與監測結果進行對比分析。

根據實際監測斷面D1、D2(圖5)的數據和數值模擬計算得到的地表沉降數據繪制成圖6。

(a)監測斷面D1

(b)監測斷面D2圖6 地表沉降

對于監測斷面D1、D2而言，在左線和右線隧道掘進完成后，監測的沉降曲線大致呈凹槽型分布，且右線隧道的沉降槽寬度大于左線隧道的沉降槽寬度，右線的最大沉降量大于左線的沉降量，這些監測值特征與數值模擬計算結果相吻合。但是在左線隧道和右線隧道掘進完成后，監測值的最大沉降量都要略大于數值模擬的最大沉降量，并且監測的沉降曲線出現較大的拐點。這是因為數值模擬對實際盾構掘進做出了相應的假設，并且未考慮地下水和土層不均勻分布的特性的影響，從而造成計算結果相對偏小。

5 結論

本文研究了地鐵雙線盾構隧道下穿既有河道時隧道軸線與河道軸線之間不同夾角下盾構掘進對地表變形特性，并結合盾構隧道斜穿既有河道的實際監測數據進行了對比與分析，主要得出以下幾點結論：

(1)在地鐵雙線盾構隧道掘進期間，河道的存在會增大地表沉降量和沉降槽寬度，說明河道的存在會增加盾構隧道開挖對地表的影響范圍和程度。因此在實際盾構隧道下穿既有河道時，應控制好盾構掘進參數以減少盾構掘進對地層和河道的影響。

(2)隨著隧道與河道交叉角度的逐漸增大，地表最大沉降量呈緩慢減小的趨勢，而沉降槽寬度總體呈增大的趨勢，尤其是在交叉角度為60～90 °之間時沉降槽寬度增大的趨勢較快。因此為了確保河道最大沉降量不超過河道沉降限值，盾構應大角度下穿既有河道。