深埋小凈距多線平行盾構掘進相互作用分析

付 釗，柯寧靜，盧康明，郭蕭陽，張孟喜

（1.上海大學土木工程系，上海 200072；2.上海隧道工程有限公司盾構工程分公司，上海 200023）

硬X 射線自由電子激光裝置位于上海張江綜合性國家科學中心核心區域，裝置總長約3.1 km，包含超導直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道等結構。該裝置建成后，將成為世界上最高效和最先進的自由電子激光用戶裝置之一。硬X 射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈沖結構和更好的相干性，能提供的X 射線峰值亮度比第三代同步輻射光源高109倍。作為世界頂級的科研基礎設施，硬X 射線自由電子激光裝置將刺激多類學科的發展，為物理、化學、生命科學、材料科學、能源科學等多學科提供高分辨成像、超快過程探索、先進結構解析等尖端研究手段。該裝置的土建部分由多條平行盾構隧道組成。在深埋小凈距的特殊情況下，多線盾構隧道的施工必定會給各條隧道，尤其是首挖隧道帶來重大影響，也會對隨后的科學實驗裝置的使用產生不利影響。因此，對于深埋小凈距多線隧道盾構推進時，各條隧道，尤其是首挖隧道的斷面變形歷時曲線和收斂規律有必要進行深入研究。

目前多線平行隧道的研究主要集中于雙線。針對雙線隧道開挖引起的地表沉降、隧道變形等問題，國內外學者通過理論研究[1-6]、數值模擬[7-14]、模型試驗[15-16]和現場監測[17-19]等不同方面進行了深入的探討。對于三線隧道，王明年等[20]通過模型試驗對軟弱圍巖下三孔小間距淺埋暗挖隧道的地表沉降控制技術進行了研究；陳越峰等[21]針對上海某地鐵近距離三線并行盾構區間隧道的施工進行現場監測分析研究，總結歸納了盾構施工對周圍深層土體水平位移、深層土體沉降、孔隙水壓力的基本影響規律；趙建華[22]采用數值模擬分析方法研究了三孔隧洞不同施工開挖順序工況下的地表沉降、初期支護位移、圍巖塑性區和初期支護受力情況，并進行對比分析。

由于目前對多線平行盾構的研究主要集中在雙線，而對深埋三線及以上平行盾構的研究較少。本文通過結合上海硬X 射線激光裝置土建工程，探究了深埋小凈距多線平行盾構隧道在不同開挖順序條件下，各盾構隧道，尤其是首挖隧道的變形情況，對其斷面的變形收斂規律進行了研究，提出了合適的隧道開挖次序；探究了不同施工參數對首挖隧道管片變形的影響，為后續施工的順利推進提供了保障。

1 工程概況

上海硬X 射線自由電子激光裝置土建工程位于上海市浦東新區張江園區祖沖之路與華夏中路之間，西側為羅山路高架和磁懸浮。項目主要由長約3.2 km的地下隧道、5 個豎井及豎井附近的地面設施組成。地下隧道段整體呈南北走向。擬建工程地下隧道分為加速器段、波蕩器段、光束線段和超長光束線段。加速器段由1 條隧道構成，長度約1 285 m；波蕩器段由3 條隧道構成，長度各約400 m；光束線段由3 條隧道構成，長度各約300 m；超長光束線由3 條隧道構成，長度各約785 m。其對應的平面示意圖如圖1所示，盾構之間的關系如圖2所示。隧道均采用拼裝式混凝土襯砌管片，外徑為6.6 m，內徑為5.9 m，管片厚度為350 mm，環寬1.5 m。管片混凝土強度等級為C55，抗滲等級P12，錯縫拼裝。隧道間距為4 m，盾構機覆土深度30 m，C/D約為4.55。工程采用3 臺土壓式平衡盾構機施工，相隔一段時間漸次出發。本工程自2019年開始施工，現階段已完成超深工作井工程，盾構段還未開始施工。施工方下階段將會按照本文所提供的開挖次序進行工程測試。盾構推進的準備工作正在有條不紊的推進當中。

圖1 硬X 射線平行盾構工程平面圖Fig.1 Layout of the hard X-ray parallel shield engineering

本區間地層由黏性土、粉土、砂性土交互沉積而成，按土層結構、成因及性狀特性將其劃分為7 層，土層分布情況如圖2所示，由地勘報告可得各土層物理力學參數見表1。地下水為潛水，埋深2 m。

圖2 小凈距平行盾構隧道橫剖面圖（單位：m）Fig.2 Cross section of a parallel shield tunnel（unit：m）

表1 土體物理力學參數Table 1 Mechanical parameters of soils

2 多線盾構施工模擬

2.1 多線盾構施工模擬情況

為了更準確地模擬多線平行盾構的開挖情況，根據對稱原則以及實際的盾構開挖情況（以3#-4#、4#-5#區間為例，圖3）采用2 種不同的開挖方式，開挖示意圖如圖4所示。其中5#、6#、7#隧道分別對應左、中、右線隧道。

圖3 實際盾構掘進情況Fig.3 Actual conditions of shield tunneling

圖4 開挖方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of the excavation method

（1）左線-右線-中線

考慮到實際多條隧道開挖間隔以及模型的尺寸大小，以

Δ=120 m 為距離進行盾構隧道開挖。整個多線隧道開挖分為4 步：①首先開挖左線隧道；②左線隧道開挖 Δ距離后，右線開挖；開挖60 m 后，左線隧道開挖完成；③右線隧道開挖 Δ距離之后，中線開挖；開挖60 m 后，右線隧道開挖完成；④中線隧道開挖完成。

（2）中線-右線-左線

與工況1 類似，以 Δ=120 m 為距離進行盾構隧道開挖。整個多線隧道開挖分為4 步：①首先開挖中線隧道；②中線隧道開挖 Δ距離后，右線開挖；開挖60 m 后，中線隧道開挖完成；③右線隧道開挖 Δ距離之后，左線開挖；開挖60 m 后，右線隧道開挖完成；④左線隧道開挖完成。

2.2 三維有限元模型建立

根據隧道間的穿越位置關系，考慮盾構掘進對土體的擾動及其影響范圍，利用有限元軟件ABAQUS 構建三維有限元模型，模擬實際工況。模型的尺寸以及盾構相對位置示意圖見圖5。模型邊界條件：所有側面限制其法向位移；底面設置為3 個方向全約束；上表面取至地表，為自由面，保證模型的豎向變形不受邊界條件約束。盾構隧道的開挖采用生死單元法模擬。

將襯砌管片壁后受擾動土體和注漿情況概化為一均質、等厚的等代層進行計算，根據文獻[13]的方法，將等代層的厚度取為0.14 m。

2.3 模型參數選擇

土體的本構模型采用Mohr-Coulomb 模型，各土層物理力學參數見表1。襯砌管片采用彈性模型。C55混凝土根據規范取彈性模量為35.5 GPa，泊松比0.17。為考慮環與環之間連接對隧道整體剛度的降低，將模型中襯砌彈性模量取為C55 的85%，即折減后襯砌彈性模量E= 30.2 GPa。模擬盾構機施工過程時，開挖面支護壓力采用0.73 倍的土層靜止土壓力，并考慮應力梯度，將開挖面的支護壓力設置為梯形，上小下大；為了簡化施工步驟，將6 環設置為1 個開挖步，共計46 個開挖步。開挖后立即施加支護力，并添加等代層和襯砌管片。

不施加地下水時，土體與混凝土管片單元均采用實體單元C3D8，模型共計75 840 個實體單元。施加地下水時，采用設置孔隙水壓力邊界的方法進行施做。在土層2 m 深處設置孔隙水壓力為0，然后以梯度的方式向下進行設置，梯度值為水的重度。分析步采用Soils 穩態。土體采用C3D8P 單元，管片和等代層依然采用C3D8 單元。

3 盾構施工影響數值模擬結果分析

3.1 開挖過程中首挖隧道管片變形分析

為簡化隧道斷面管片變形的描述，取首挖隧道第10 節管片，即圖5中LC、CC、RC 位置處管片為研究對象。選取內徑頂部處點A、右端點C、底部處點D 和左端點B 的變形進行研究（圖6）。

圖5 盾構開挖有限元模型Fig.5 Finite element model of shield excavation

圖6 管片截面計算測點位置Fig.6 Situation of the segment section

根據各點豎向和水平變形增量數據與隧道開挖歷程的關系，可以得到不同施工階段首挖隧道管片的變形增量曲線。

為了更合理地描述管片各特征點的位移增量隨時間歷程的變化，選取模型的歷程分析步為橫坐標，用以描述整個模型開挖的過程。由于本節探究的是后挖隧道對首挖隧道管片的變形影響，因此時間歷程由第二條隧道開挖起始，直至所有隧道開挖完成。

式中：λ—支護應力比，本次λ取為0.5，0.6，0.7，0.8；

σs—開挖面中心頂推力；

σ0—隧道中心原始地層靜止土壓力。

注漿的彈性模量受材料種類、硬化時間以及周圍土體的影響較大，對管片的變形收斂具有一定的影響，因此也對其進行了參數的敏感性分析，這里取彈性模量4，6，8，10 MPa 進行分析。由表2可以看出有無地下水對管片收斂的影響較小，因此選取無地下水時的情況進行參數分析。

3.1.1 工況1“左-右-中”管片變形分析

選取LC 管片頂部處與底部處的豎直U3 變形增量和左端點與右端點的水平U1 變形增量繪制變形增量圖，進行管片變形分析。

初到廣州的五建迅速瞄準和服務華南市場。但與此同時，五建面臨著依賴傳統工程建設項目、效益增長方式單一、市場投資領域變化、生產方式轉變、資源環境和生產要素制約以及勞動力成本上升等問題。眼見傳統工程建設的路越來越窄，未來如何生存已經成為不得不思考的問題。“我們清醒地認識到，只有加快企業轉型升級步伐，開發新的效益增長領域，企業才能煥發出新的生機和活力。”五建黨委書記蔣德軍說。

（1）地下水的影響

由圖7可知，隨著后2 條隧道的開挖，首挖隧道管片頂部和底部的豎向位移增量呈現一小一大“同向雙峰”的變化形式，且雙峰出現的位置皆位于另外2 條隧道開挖面臨近所選取管片的時間。峰值不同的原因是由于后2 條隧道與首挖隧道的不同間距所導致的。由圖7（a）（b）可知，頂部和底部點的位移增量皆為負值，即首挖隧道在另外2 條隧道開挖的影響下，隧道管片整體不斷下移，這是由于后2 條隧道開挖后應力釋放的結果。在地下水的影響下，由于水壓的作用，導致隧道的豎向變形增量變大，A 點豎向變形最大值由無水時的-0.066 mm 變為-0.121 mm；D 點的豎向變形最大值由無水時的-0.026 mm 變為-0.072 mm。由圖7（c）（d）可知，在地下水的影響下，管片水平變形增量略有增大，尤其是右側隧道開挖導致的LC 管片變形增量顯著增大。B 點水平變形增量由0.111 mm變為0.219 mm，C 點的水平變形增量由0.116 mm 變為0.23 mm。綜上可知，地下水對工程有著一定的影響。

圖7 地下水對管片變形的影響（工況1）（E=10 MPa，λ=0.7）Fig.7 Influence of groundwater on the deformation of pipe segment（case 1）（E=10 MPa,λ=0.7）

（2）注漿彈性模量的影響

由圖8（a）（b）可知，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片頂部和底部的豎向變形增量隨之減小。由圖8（c）（d）可知，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，右側隧道開挖對首挖隧道的水平變形影響隨之減小，而中部隧道開挖對首挖隧道水平變形的影響先增大后略微減小。

圖8 注漿彈性模量對管片變形的影響（工況1）（λ=0.7）Fig.8 Influence of elastic modulus of grouting on the deformation of pipe segment（case 1）（λ=0.7）

（3）頂推力的影響

如圖9所示，在4 種工況下，隨著開挖面支護力的增加，A 點和D 點的豎向位移增量不斷減小，B 點和C 點的水平位移增量不斷增大。但支護力在0.6P（P為隧道中心原始地層靜止土壓力）和0.7P時隧道管片變形增量基本一致，因此將支護力維持在0.6P～0.7P之間時，隧道管片變形比較穩定，更容易控制。

圖9 頂推力對管片變形的影響（工況1）（E=10 MPa）Fig.9 Influence of supporting force of excavation face on the deformation of pipe segment（case 1）（E=10 MPa）

3.1.2 工況2“中-右-左”管片變形分析

選取CC 管片頂部處與底部處的豎直U3 變形增量和左端點與右端點的水平U1 變形增量繪制變形增量圖如圖10所示。

（1）地下水的影響

由圖10（a）（b）可知，在沒有地下水的影響下，由于土體開挖導致的應力釋放使得首挖的中部隧道整體上浮，雙峰的增量都為正值。而在有地下水的影響下，使得首挖的中部隧道整體下沉，雙峰的增量均為負值。由圖10（c）（d）可知，在有地下水的影響下，管片左右兩側的水平變形增量相較于無地下水時顯著增大，左端點最大值由0.295 mm 變為0.427 mm，右端點最大值由0.325 mm 變為0.473 mm。地下水對襯砌的變形有著一定的影響。

圖10 地下水對管片變形的影響（工況2）（E=10 MPa,λ=0.7）Fig.10 Influence of groundwater on the deformation of pipe segment（case 2）（E=10 MPa,λ=0.7）

（2）注漿彈性模量的影響

如圖11（a）（b）所示，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片頂點和底部點的豎向變形增量絕對值不斷減小，直至10 MPa 時變為正值。這是由于注漿彈性模量過低，會使得襯砌管片直接承受來自周圍的圍巖壓力作用，導致襯砌發生過量變形。而在圖11（c）（d）中，管片左右兩側的水平變形會由于等代層的剛度變化而產生先增大后減小的變化趨勢。

圖11 注漿層彈性模量對管片變形的影響（工況2）（λ=0.7）Fig.11 Influence of elastic modulus of grouting layer on the deformation of pipe segment（case 2）（λ=0.7）

（3）頂推力的影響

由圖12（a）（b）可知，在4 種工況下，隨著開挖面支護力的增大，管片頂部和底部的豎向位移增量基本不變。由圖12（c）（d）可知，隨著支護力的增大，管片左右兩側點的水平位移增量不斷增大，但增大幅度很小。當支護力在0.6P～0.7P之間時，隧道管片變形增量基本一致，因此將支護力維持在0.6P～0.7P之間時，隧道管片變形比較穩定，更容易控制。

圖12 頂推力對管片變形的影響（工況2）（E=10 MPa）Fig.12 Influence of supporting force of excavation face on the deformation of pipe segment（case 2）（E=10 MPa）

3.2 隧道橫斷面管片收斂情況分析

由以上分析可知，工況1 與工況2 隧道收斂變形情況有所不同。為了便于管片變形收斂情況的比較，選取首挖隧道第10 環處管片斷面進行分析。分析時分別考慮了有無地下水的影響，2 種工況下管片的收斂變形圖如圖13所示，收斂變形值見表2。

結合圖13與表2中的數據可知，對于工況1，在無地下水情況下，隧道管片整體向右下方偏移，隧道趨于扁平形狀，管片頂、底之間的相對位移量為0.07 mm，兩側拱腰之間管片的相對位移值0.08 mm。對于工況2，隧道管片整體向左上方偏移，表現為隧道趨于扁平，管片頂、底之間的相對位移量為0.1 mm，兩側拱腰之間管片的相對位移值為0.08 mm。當存在地下水時，工況1 的管片收斂情況變化很小，而工況2 的收斂變化較大，豎向收斂值達到0.18 mm。因此，對比這幾種情況，第一種開挖方式，即“左-右-中”的開挖方式對首挖隧道影響最小。

圖13 隧道無地下水時管片收斂變形Fig.13 Convergence deformation of tunnel segment without water

表2 不同工況下管片收斂變形Table 2 Convergence deformation of segments under different conditions /mm

4 結論

（1）首挖隧道為左線隧道時，隨著右線和中線隧道的開挖，首挖隧道管片變形增量呈“一小一大”雙峰分布，這是由于后續兩線隧道距離首挖隧道距離遠近的不同導致；首挖隧道為中部隧道時，隨著右線和左線隧道的開挖，首挖隧道管片豎直方向變形增量呈現“同側相同雙峰”分布，水平方向變形增量呈現“異側相同雙峰”分布，表明該工況下首挖隧道的管片變形不受兩側隧道開挖次序的影響。

（2）隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片豎向變形增量不斷減小，水平變形增量有一個先增大后減小的變化；隨著開挖面支護力的增大，隧道管片的豎向變形增量絕對值不斷減少，水平變形增量不斷增大。當頂推力在0.6P～0.7P之間時，隧道管片變形增量基本一致，因此將頂推力維持在0.6P～0.7P之間時，隧道管片變形比較穩定，更容易控制。

（3）有地下水存在時，管片變形增量的變化規律基本不變，但管片整體位移較無地下水時增大。

（4）在對比2 種工況隧道開挖完成后的隧道管片收斂情況后，工況1 的收斂情況更小，因此開挖時建議采用左線-右線-中線的開挖方式，降低隧道開挖對已建隧道管片的影響。