近距離平行盾構施工數值模擬及影響因素分析*

朱紅桃

(中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通進入網絡化發展，新建隧道與已建隧道間出現復雜工況的幾率也越來越高，其中包含相互平行、重疊、交叉穿越等[1-4]。隨著穿越工程的增多及周邊環境等多方面限制[5-8]，不可避免地縮短了隧道間距，加劇了施工復雜性。

目前，對于新建隧道近距離穿越已建隧道的研究已取得較多成果。文獻[9-10]采用三維有限差分數值分析方法研究盾構隧道施工對既有近距離平行隧道變形和洞周土壓力變化規律。祝思然等[11]結合現場監測數據，對盾構隧道近距離下穿既有隧道的整個施工過程進行調查和研究，提出控制既有隧道沉降的有效技術措施。張曉清等[12]研究盾構隧道近距離多線疊交穿越的施工擾動機制。文獻[13-14]基于有限元軟件FLAC 3D，模擬廈門地鐵施工過程，得到已建隧道開挖完成時土體對襯砌管片的影響及新建隧道開挖過程中對已建隧道襯砌管片和周邊土體的影響。方勇等[15]采用有限元模擬，研究新建盾構隧道動態掘進時已建隧道位移、變形和內力的變化規律。熊志浩[16]通過理論計算研究盾構推進過程中的地層位移。樊磊[17]采用有限元模擬與現場檢查相結合的方法，研究新建隧道與既有隧道相互影響的應力及變形規律。江宇等[18]通過對比分析近距離重疊盾構隧道施工的相關影響，發現先上后下施工順序對地表沉降和管片環向應力和應變影響最小。

1 工程概況

某地鐵項目全長38km，其中，區間的新建隧道與已建地鐵線相互平行。本文主要研究與地鐵出入段并行施工，起訖里程為K1+540.000—K3+478.000的盾構段，如圖1所示。

圖1 區間下隧道縱斷面(單位：m)

該盾構段位于沖擊河岸二級階地，軌面以上埋深約5～16m，洞身地層主要為第四系全新統細砂及中砂，地下水位約7～13m。盾構區間與既有地鐵線出入段并行，道路紅線寬度為60m，受既有地鐵線西側規劃建筑物及東側3根φ200～φ500熱力管線及地上4層住宅的限制，4條盾構隧道線間距為10m，如圖2所示。

圖2 4條盾構隧道線間橫斷面(單位：m)

根據地層物理力學參數，將地層分成3層。管片參數按15%折減，實際為C50鋼筋混凝土，折減后彈性模量為33GPa。灌漿材料按凝結后的彈性模量計算，取值1 000MPa。簡化后取用的地層及其他模型計算參數如表1所示。

表1 地層及其他模型計算參數

2 盾構掘進過程數值模擬

2.1 數值模擬方法

盾構掘進過程可分為掘進工作面、拼裝盾尾襯砌環和填充灌漿盾尾空隙3個步驟，工作面掘進、環片拼裝及灌漿填充交替進行，依此施工至整條隧道掘進完成。

模擬隧道盾構法施工過程中，通過對掘進面施加頂推力，實現盾構機前方掘進面上土體運動的模擬，采用注漿壓力模擬盾構尾部注漿過程。盾構尾部注漿的充填效果是通過改變注漿層材料參數來實現。在計算中，假設盾構挖掘前方土體后，立即對已開挖作業區段進行灌漿。為保證盾構掘進全過程的數值模擬，需連續進行開挖和推進，同時做好盾構掘進的土體注漿、掘進參數調整等作業。盾構隧道掘進過程如圖3所示。

圖3 盾構掘進過程示意

2.2 數值模擬步驟

假設土體為理想彈塑性體，管片襯砌和注漿層應力、應變在彈性范圍內，模擬新建隧道挖掘前，對土體和已建隧道施加重力，計算初始應力。將每個節點初始位移設為0，開挖步驟為環形段，每個開挖步驟分為2個計算步驟：鈍化開挖隧道第1節段、灌漿層和核心土單元，然后在第2步計算中，模擬節段襯砌和灌漿層硬化，取消灌漿壓力，下一段鈍化后，隧道工作面推力被抵消。在模擬計算中，忽略了土層、襯砌和盾構間的摩擦力。對于裝配式襯砌，不考慮塊環螺栓連接的影響，僅將其簡化為均質環，以減小節點剛度。

2.3 網格劃分

采用實體單元solid40模擬土層、襯砌管片和注漿層，為建模方便，定義一種用于劃分平面網絡的輔助單元mesh200。主要研究隧道開挖土體卸載工程，因此，土體采用Drucker-Prager本構模型，單元網絡劃分如圖4所示。模型長90m、高40m，縱向長度為50m。

圖4 模型網格劃分

2.4 邊界條件

左右邊界施加橫向約束，下邊界施加豎向約束，上邊界自由，前后邊界施加z方向約束。

開挖隧道時，由于應力重分布在有限范圍內，地層產生應力和應變的影響范圍出現在距隧道橫斷面或縱斷面中心點3～5倍寬度范圍內，所以計算邊界可確定在3～5倍寬度。

3 數值模擬結果分析

3.1 不同施工順序對地層位移的影響

在地鐵隧道已施工完成情況下，新建隧道盾構掘進過程不僅對周圍地層產生影響，還對既有地鐵隧道產生影響。由類似工程經驗可知，在雙孔隧道封閉施工中，首先完成的洞需加固，以確保新建隧道和既有隧道的安全。因此，隧道施工不能同時進行，本文考慮了“先左孔后右孔”(工序1)和“先右孔后左孔”(工序2)兩種施工工序。

2個鉆孔施工過程中，地層經歷了2次連續沉降，左、右2個鉆孔最大沉降位置均向2個鉆孔中間傾斜。盾構施工過程中，地層豎向位移以拱腰為單位進行劃分。沉降區位于拱頂上方，隆起區位于仰拱下方；最大沉降值出現在拱頂，最大隆起值出現在拱腳。當先施工的孔洞貫通時，工序1中地層出現的最大沉降量為34.5mm，最大隆起量為53mm；工序2中地層出現的最大沉降量為37.2mm，最大隆起量為58.1mm。當雙孔隧道均貫通時，工序1中地層出現的最大沉降量為36.3mm，最大隆起量為61.2mm；工序2中地層出現的最大沉降量為34.5mm，最大隆起量為58.8mm。左、右2個鉆孔相繼貫通后，地層水平位移也出現了明顯變化，工序1出現的最大水平位移為9.1mm，工序2出現的最大水平位移為8.2mm。對比得出，2種工序對地層位移的影響程度相差較小。

3.2 不同施工順序對已建隧道管片的影響

由于近距離施工的特殊工況，新建隧道施工會影響已建地鐵線隧道管片應力及應變，本文只考慮距離新建隧道最近的地鐵線右孔隧道。

在新建隧道施工過程中，右側隧道段始終處于受壓狀態。工序1中已建地鐵線右孔隧道管片產生的最大應力為948kPa，最大應變為0.042mm。工序2中已建地鐵線右孔隧道管片產生的最大應力為984.5kPa，最大應變為0.045 8mm。對比得出，工序1中已建地鐵線右孔隧道管片產生的應力和應變比工序2小，因此，新建隧道近距離平行施工時優先選取工序1。

4 近距離平行盾構隧道施工影響因素分析

為保證近距離平行盾構隧道施工的安全穩定，在工序1中分別對不同地層損失率、盾構頂推力和注漿情況進行有限元模擬。

4.1 地層損失率

盾構掘進過程中土體開挖量與竣工填充量差值即為地層損失，地層損失率以占盾構排土體積理論值的百分比表示。選取2.6%，1.2%，0.1%地層損失率分別進行有限元模擬。考慮盾構頂推力和注漿情況對模擬結果的影響，其中注漿情況的影響程度通過注漿材料彈性模量體現，本文主要分析盾構頂推力為120kPa、注漿材料彈性模量為1 000MPa的工況。整理有限元計算結果，得出近距離平行盾構隧道施工過程中地表沉降與地層損失率的關系，如圖5所示。

圖5 不同地層損失率條件下的地表沉降

由圖5可知，地層損失率越小，地表沉降量越小，產生的地表最大沉降量越小，地表沉降坡度越緩。當地層損失率為2.6%時，地表最大沉降量為12.9mm；當地層損失率為1.2%時，地表最大沉降量為9.8mm；當地層損失率為0.1%時，地表最大沉降量為7.2mm。這是由于地層流失引起周圍土體的位移，導致地面沉降增加。因此，在近距離平行盾構隧道施工過程中，應盡量降低地層損失率。必要時，可通過注漿控制地層損失率，有助于控制地面豎向沉降和周圍結構最大位移。

4.2 盾構頂推力

盾構掘進過程中，根據不同土層土壓力，調節盾構頂推力，維持開挖面穩定。選取120，180，250kPa盾構頂推力分別進行有限元模擬。考慮地層損失率和注漿情況對模擬結果的影響，主要分析地層損失率為0.1%、注漿材料彈性模量為1 000MPa 的工況。整理有限元計算結果，得出近距離平行盾構隧道施工過程中地表沉降與盾構頂推力的關系，如圖6所示。

圖6 不同盾構頂推力時地表沉降值隨掘進深度變化曲線

由圖6可知，當盾構機掘進22m深度時，3種不同頂推力下的地表沉降率逐漸趨于穩定。盾構頂推力為120kPa時，地表最大沉降量為7.4mm；盾構頂推力為180kPa時，地表最大沉降量為9.2mm，最小沉降量值為2.6mm；盾構頂推力為250kPa時，地表最大沉降量為11.1mm，最小沉降量值為1.5mm。盾構頂推力越大，地表沉降越大。隨著掘進深度增加，地表沉降逐漸減小，直至趨于穩定。這是因為盾構頂推力在初始階段大于土體靜土壓力，導致土體擾動破壞較大。隨著掘進深度增加，盾構前方土體產生推力，使拱頂上方土體隆起。盾構通過時，隆起抵消了部分沉降，減少了地表沉降。因此，盾構施工初期應避免頂推力過大，施工過程中應避免頂推力過小，嚴格控制盾構頂推力，避免因頂推力不合理引起地面沉降過大，影響施工地層及周圍建筑環境中的管道。

4.3 注漿情況

為研究注漿條件對短距離平行盾構隧道的影響，模擬不同注漿條件，選取彈性模量為100，1 000MPa 注漿材料分別進行有限元模擬。考慮到地層損失率和盾構頂推力對模擬結果的影響，主要分析地層損失率為0.1%、盾構頂推力為120kPa的工況。整理有限元計算結果，得出近距離平行盾構隧道施工過程中地表沉降與注漿情況的關系，如圖7所示。

圖7 不同注漿情況下的地表沉降

由圖7可知，注漿材料彈性模量為100MPa時，地表最大沉降量為 9.8mm；注漿材料彈性模量為1 000MPa 時，地表最大沉降量為7.4mm。隨著灌漿材料彈性模量增加，表面沉降量逐漸減小。為防止地表過度沉降，影響周圍環境，近距離平行盾構隧道施工時應嚴格控制注漿材料彈性模量，并做好同步注漿、二次注漿和后墻注漿工作。

5 結語

1)盾構法施工過程中，沉降區在拱頂以上，隆起區在洞底以下，以拱腰為分界線。隧道左右兩側地層產生向內位移，引起周圍土體應力釋放。當出現新建隧道與已建隧道近距離平行施工的復雜工況時，優先選取靠近已建隧道的孔洞施工。

2)近距離平行盾構隧道施工影響程度受多因素的影響。由于地層損失導致周圍土體發生位移，地層損失率越小，地表沉降量越小，產生的地表最大沉降量越小，地表沉降坡度越緩。因此，施工過程中，應盡可能地減小地層損失率，必要時可通過補漿來控制地層損失率，有助于控制地表豎直沉降及周邊結構最大位移。

3)在初始階段，盾構頂推力大于土壤靜土壓力，導致土壤擾動，使拱頂上方土體隆起，當盾構通過時，隆起量抵消部分沉降量，使地表沉降量減小。盾構頂推力越大，地表沉降量越大，當掘進深度達到一定值后，地表沉降量逐漸減小，直至趨于穩定。因此，盾構施工初期應避免頂推力過大，盾構施工過程中應避免頂推力過小，嚴格控制盾構頂推力，避免因盾構頂推力不合理引起地面沉降過大，影響施工地層及周圍建筑環境中的管道。

4)注漿材料彈性模量越大，地表沉降越小。為防止地表過度沉降，影響周圍環境，近距離平行盾構隧道施工時應嚴格控制注漿材料彈性模量，并做好同步注漿、二次注漿和后墻注漿工作。