基于數值試驗的地下交叉隧道施工分析

楊文東，呂顯先，張建國，張連震，井文君

（1. 中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2. 山東正元建設工程有限責任公司，山東 濟南 250101）

數值試驗與虛擬仿真是利用計算機模擬工程結構的變形和破壞規律。由于應用范圍廣、可重復性好、可處理復雜問題，數值試驗越來越成為土木工程物理實驗教學的重要補充[1-2]。本文通過數值仿真分析了某地下交叉地鐵隧道開挖與支護施工案例。

隨著城市地下空間的不斷開發利用，地鐵隧道接近既有建筑物、城市道路、鐵路、地下管線、隧道及樁基礎等施工已逐漸成為常態，多線隧道交叉施工工況也日益增多[3]。復雜的周邊環境對地鐵隧道施工變形的要求更加嚴格，尤其機場、高鐵等環境對變形的控制要求近乎苛刻，要求實現變形0～10 mm、控制精度1 mm 的mm 級控制[4]。嚴格的變形控制要求給地鐵隧道的設計及施工帶來新的挑戰。其中，精確預測隧道施工引起的地表及深層土體沉降是實現隧道施工精細化控制的前提，故而顯得尤為重要。張治國等[5]以上海地鐵為背景，運用三維數值模擬與現場監測相結合的方法，分別對有無遮攔效應時地鐵盾構施工造成的地表沉降規律進行分析，得出新建地鐵隧道復雜穿越既有隧道時既有隧道的變形規律；謝雄耀等[6]以上海軌道交通十三號線為背景，采用相似模擬試驗，針對不同施工條件，分析了近距離施工時既有隧道結構的變形及附加內力；陳衛忠等[7]以某隧道穿越既有隧道為背景，分析了相交處圍巖、支護系統的受力特性，提出保障既有隧洞安全的施工方法；張曉清等[8]通過有限元軟件建立三維有限元模型，模擬盾構垂直上穿、垂直下穿、上下夾穿3 種施工形式，得出盾構施工和開挖卸荷引起的地層損失對地表沉降和既有隧道縱向變形的影響。

由于巖土工程地質條件的復雜性，盾構隧道往往穿越多種土體重疊交叉的土層，盾構穿越均質土層所引起的擾動相對容易控制，當穿越復雜界面環境，如上軟下硬地層、土巖結合面和不良地質條件下的地層時，施工難度增大，施工風險也隨著增大[9-10]。為此，本文針對某地鐵R1、R2 號線雙線上下行盾構下穿京滬高鐵案例，采用數值分析軟件FLAC3D進行數值模擬，對多期地鐵隧道R1、R2 線交叉施工進行數值試驗，分析地下交叉地鐵隧道開挖對地表沉降、開挖面周圍土體的影響以及隔離樁對減小地表沉降的作用，為類似工程分析和教學提供參考。

1 工程背景

某地鐵R1、R2 號線從王府莊站始發沿劉長山路向東，盾構下穿京滬高鐵，交叉角度為61°。左、右線區間分別位于26.0‰、21.0‰的下坡段，均由104 號與105號橋墩間64 m 橋跨斜交穿過，區間左線覆土厚度為28.35 m、區間右線覆土厚度19.22 m，隧道外徑6.4 m、內徑5.8 m，襯砌結構厚0.3 m。下穿段左線主要處于粉質黏土層和卵石層，右線主要處于粉質黏土層和細砂層。其盾構區間左、右線均斜穿京滬高鐵104 號與105號高架橋樁，右線距離105號橋墩樁基最小凈距為10.84 m，左線距離104 號橋墩樁基最小凈距為10.45 m。為減小盾構施工對已有橋墩樁基的影響，在盾構下穿前施做隔離樁。區間隧道、隔離樁與橋墩的相對位置如圖1 所示，地鐵隧道下穿段平面圖如圖2 所示。

圖1 區間隧道、隔離樁與橋墩的相對位置（mm）

圖2 地鐵隧道下穿段平面圖

該區間盾構下穿京滬高鐵連續橋梁段，區間左、右線主要穿越地層為粉質黏土層，上部覆土為粉質黏土、黃土、雜填土。

2 數值模型

模型的基本假定如下：

（1）初始地應力只考慮土體自重應力，忽略巖土體構造應力以及地下水的影響；

（2）土體的變形與時間無關，不考慮土體的固結和蠕變作用。

在數值模擬過程中，土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，隔離樁、橋墩樁基、襯砌均采用彈性模型，隧道采用null 模型。為方便建立模型，對土層分布進行優化處理，將物理力學參數相近土層進行合并，并取盾構穿越區段平均厚度作為模型土層厚度。隧道管片襯砌結構采用 C50 鋼筋混凝土材料，彈性模量34.5 GPa。考慮到管片襯砌接頭對結構剛度的影響，將結構剛度折減為0.85。隔離樁采用鉆孔灌注樁。具體材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

R1、R2 線地鐵、隔離樁、橋墩樁基等模型均采用現場實際尺寸。為忽略模型邊界效應的影響，自橋墩邊界向四周延伸5 倍隧道直徑，埋深自橋墩樁基向下延伸5 倍隧道直徑，計算模型X向190 m、Y向240 m、Z向80 m，模型尺寸為190 m×240 m×80 m，模型單元數為403 544 個，節點數為209 580 個。橋墩樁基、隔離樁、隧道相對位置如圖3 所示，模型橫斷面如圖4 所示，模型平面圖如圖5 所示。

圖3 橋墩樁基、隔離樁、地鐵隧道相對位置

圖4 模型橫斷面

圖5 模型平面圖

FLAC3D模擬過程如下所示：

（1）將整個模型的本構模型設為Mohr-Coulomb模型，對各土層參數進行賦值，平衡地應力，得到模型的初始地應力。

（2）將模型塑性區、位移等清零，將橋墩樁基本構模型改為彈性模型并賦值，進行橋墩樁基施工模擬。

（3）將模型塑性區、位移等清零，將隔離樁結構改為彈性模型并賦值，進行隔離樁施工模擬。

（4）對R1 線進行分段盾構開挖及支護施工模擬，將隧道部分賦null，襯砌結構改為彈性模型。

（5）對R2 線進行分段盾構開挖及支護施工模擬。

3 模擬結果分析

圖6 所示為地鐵R1 線開挖引起的周圍土體沉降云圖。由圖6 可以看出，R1 線開挖后，周圍土體受到擾動發生變形，影響范圍大概在5 倍隧道直徑以內，超出這個范圍的土體幾乎不受隧道開挖的影響。隧道頂部土體表現為沉降，最大沉降值出現在R1 右線頂部，最大值為3.45 mm，底部表現為向上隆起，最大隆起值出現在R1 左線底部，最大值為3.42 mm。這說明R1 線開挖后，開挖面頂部土體由于開挖卸荷而產生沉降，而底部土體向上隆起。

圖7顯示了R1線開挖后地表沉降曲線的模擬值和實際監測值。由圖7 可以看出，R1 線開挖后地表沉降模擬值曲線和監測值曲線基本吻合，地表沉降曲線大體上呈“V” 型，但由于數值模擬過程對土層進行均質簡化以及未考慮地下水的影響，模擬值與監測值在某幾個監測點處相差較大。邱明明等[11]通過改變平行雙隧道之間的間距與埋深，發現地表沉降槽曲線形狀受間距和埋深的影響較大，間距較小或埋深較大時，地表沉降槽曲線呈“V”型，而間距較大或埋深較淺時，地表沉降槽曲線呈“W”型。本文模擬由于兩條隧道相距較近且埋深較大，其相互之間的擾動作用增強，在共同的擾動區內沉降值增大，故沉降曲線呈“V”型，最大沉降值為1.31 mm。

圖6 地鐵R1 線開挖引起周圍土體沉降云圖

圖7 地鐵R1 線開挖地表橫向沉降曲線

圖8 所示為地鐵R2 線開挖后周圍土體沉降云圖。由圖6、8 可以看出，R2 線開挖使得周圍土體再一次發生擾動，產生變形。與R1 線開挖后周圍土體的變形云圖相比，R2 線開挖后，R1 線周圍土體變形值發生較大變化。其中：R1 左線出現最大隆起值3.96 mm，較R1 線單獨開挖增加了0.51 mm，R1 右線沉降值減小；R2 線由于R1 線先期施工的影響，底部隆起值比R1 線小很多，但其頂部沉降值較大，最大值為6.97 mm。

圖9 為兩種工況下地表沉降曲線模擬值。R2 線開挖后，隔離樁內側地表沉降值明顯增大，最大值為5.1 mm，比R1 線單獨開挖增大3.79 mm，說明交叉隧道施工會進一步增大地表沉降值，這是由于R1 線開挖后，土體發生初始擾動，而R2 線開挖對土體擾動進一步加強，導致土體變形增大且向開挖面處位移，地表沉降值隨之增大；由于R2 雙線間距較小，施工產生的擾動在隧道交叉處進一步累加，使得地表橫向沉降槽曲線依舊呈 “V” 型。

在隧道施工過程中，當其附近存在既有設施時，往往要采取加固、隔離等措施減小隧道開挖引起的地層擾動對既有設施的影響，以保證既有設施的安全。隔離樁作為一種良好的隔離體系，能夠有效地將承受的摩擦力縱向傳遞，阻擋隔離樁兩側土體的變形傳遞，從而減小隧道開挖對既有設施的影響。

圖8 地鐵R2 線開挖后周圍土體沉降云圖

圖9 地鐵R1 線開挖與R2 線開挖后地表橫向沉降曲線

圖10 所示為隔離樁對地表沉降的影響。從圖10 可以看出，隔離樁的存在對地表沉降槽曲線的發展趨勢的影響不大，地表沉降槽曲線呈“V” 型，但隔離樁對減小地表沉降值與土體水平向變形有顯著影響。對隔離樁內側土體來說，在施做隔離樁之后，R1 線地表的最大沉降值由1.68 mm 減小到1.44 mm，R2 線最大沉降值由5.6 mm 減小到5.1 mm；對隔離樁外側土體來說，施做隔離樁后，地表沉降值在隔離樁處發生突變，隔離樁外側土體地表沉降值接近于0 mm，隔離樁隔離效果顯著。

圖10 隔離樁對地表沉降影響

圖11 、12 分別是有無隔離樁時R1、R2 雙線開挖后土體水平向變形值。從圖11、12 可以看出，在施做隔離樁之后，土體的水平向變形值在隔離樁處發生突變，隔離樁內側土體的最大變形值略有增加，左側增加0.1 mm，右側增加0.3 mm；隔離樁外側土體的變形值明顯減小，左右兩側均減小到1.0 mm 以內。

圖11 有隔離樁時R1、R2 雙線開挖地層水平向變形值

圖12 無隔離樁時R1、R2 雙線開挖地層水平向變形值

從上述分析可以得出，隔離樁能有效減小隔離樁外側地表沉降以及水平向變形。由于隧道開挖后，開挖面土體卸荷，周圍土體受到擾動而向隧道開挖面方向不斷移動，導致土體產生水平向和豎向位移，而在施做隔離樁之后，隔離樁隔離了樁兩側土體的直接接觸，由于隔離樁本身剛度較大，其變形較小，且有效隔離了樁內土體的擾動，樁外側土體擾動較小，故隔離樁外側土體變形較小。

4 結語

數值仿真教學具有形象直觀、可重復性的優點，有利于提高學生的學習興趣，并且可進行拓展訓練。本文基于某地鐵R1、R2 號線雙線上下行盾構隧道下穿京滬高鐵案例，對多期地鐵隧道R1、R2 線交叉施工進行數值試驗，分析地下交叉地鐵隧道開挖對地表沉降以及開挖面周圍土體的影響，以期對同類工程的分析與教學提供借鑒。主要得到以下結論：

（1）R1 線開挖后地表沉降曲線大體上呈“V”型，由于兩條隧道相距較近且埋深較大，相互之間的擾動作用增強，在共同的擾動區內沉降值增大。

（2）R2 線開挖引起周圍土體發生擾動和變形，地表沉降值明顯增大，雙線開挖增加了共同擾動區的沉降值，并產生 “V” 型沉降槽。

（3）隔離樁能有效減小隔離樁外側地表沉降以及水平向變形。