超小凈距盾構隧道施工對既有隧道變形分析★

呂啟兵，董亞博，羅明福，金曉軍，劉昊軒

(1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.東華大學環境科學與工程學院,上海 201620)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設蓬勃發展,地鐵線網日益密集。截至2022年,中國大陸地區共有55個城市開通城市軌道交通運營線路308條,運營線路總長度10 287.45 km。其中,地鐵運營線路8 008.17 km,占比77.84%。受到地下空間的限制,超小凈距疊交隧道的情況越來越多[1-3]。超小凈距盾構隧道有利于在復雜的地形情況下施工,但其施工過程極易誘發地層變形,當變形量過大時,將造成隧道開裂、地表塌陷等工程災害,進而影響人民生命和財產安全。因此,開展超小凈距盾構隧道施工變形特性研究是非常有必要的。

日本歐美等是隧道建設歷史較長的國家,早在20世紀70年代初日本鐵道技術學會就對平行隧道凈距進行了研究,并發表了《關于平行隧道研究的報告》,指出當隧道凈距為開挖洞徑2倍時,則可將地層作為完全彈性體進行考慮,并對平行公路隧道及國鐵單線隧道凈距進行了規定。在國內,較早的朱敬民等提出了模擬巖石流變性的彈塑性模型,研究了雙線隧道的相關問題[4]。王景春以某電站引水隧道為例,對深埋地層中小凈距隧道合理中心距進行了研究。研究指出對地質條件、斷面形狀、既有隧道襯砌情況和施工方法等進行綜合分析,盡量減小對圍巖和隧道結構穩定性的不利影響[5-6]。然而,現有的研究主要集中在盾構施工對已有隧道沉降的預報和監測規律的總結上,而缺乏盾構施工對既有隧道的影響的分析和研究。因此研究后建地鐵隧道掘進對鄰近先建隧道的變形的影響,具有非常重要的實際意義。本文以超小凈距隧道開挖工程為依托,運用數值模擬建立有限元模型,分析超小凈距隧道施工對既有盾構隧道的影響,為今后類似的工程施工提供參考[7]。

1 工程概況

本文依托雄安新區至北京大興國際機場快線工程金融島站—第五組團站盾構區間,該區間線路長2 364.267 m,位于雄安新區核心區,盾構段從小里程端明挖區間東側盾構井起,向東北轉向下穿規劃地塊、綠地及規劃河道后,在大里程端明挖區間西側盾構井結束。工程總平面線路圖如圖1所示,向東沿規劃道路下方敷設下穿干線綜合管廊及市政道路后進入第五組團站。

該區間在建啟動區的城市主干道項目某一段下穿,盾構區間隧道地質縱剖面圖如圖2所示。區間隧道洞身穿越地層以粉質黏土、黏質粉土、粉細砂為主,局部穿越地層為素填土。本區間段盾構隧道影響范圍內的主要土層為粉質黏土層,水的質量分數介于21.8%～24.0%,呈可塑狀態,經攪拌后具有一定的流動性和滲透性;粉土中水的質量分數介于20.2%～21.5%,呈密實狀態,經攪拌后具有流動性和滲透性;粉細砂中水的質量分數介于17.8%～19.3%,呈密實狀態,經攪拌后具有較好的流動性和滲透性。

區間隧道開挖從金融島站工作井開始掘進,到第五組團站工作井。襯砌采用預制鋼筋混凝土管片,管片之間采用彎螺栓連接,其參數為:內徑7.9 m,外徑8.8 m,厚度0.45 m,環寬1.6 m。本工程盾構始發最小凈距2.34 m,為國內已知最小凈距始發,始發困難且存在較大安全風險,同時整個盾構區間隧道凈距為2.34 m～7.16 m,屬于長距離小凈距掘進。管底標高為-5.5 m,深度為15.5 m,與盾構凈距為8.7 m。在項目施工過程中,解決后行隧道開挖過程中盾構掘進對既有隧道產生的沖擊的問題尤為重要。

2 數值建模過程

2.1 有限元模型

采用ABAQUS軟件進行超小凈距隧道開挖有限元分析,選取模型尺寸為70 m×100 m×80 m(長×寬×高)(見圖3),盾構距離地面深度20 m,左右兩線盾構凈距2.34 m,盾構直徑9.08 m,管片外徑8.8 m,內徑7.9 m,每環管片寬1.6 m。左線先始發,掘進110環后,右線始發。整個模型尺寸網格采用六面體網格,待施工挖掘盾構隧道部分進行了網格加密,由外到里遵循“由疏到密”的規則從而提高數值模擬的計算精度。模型由土體、襯砌、注漿層和盾構四個部分組成,模型的前后左右以及底部五個面分別設定了X,Y,Z方向的約束,并分別給左右盾構線于前后面設定Y方向的約束,在盾構掘進中起到固定的作用。

2.2 材料參數

根據勘察報告,地層由上而下可分為5層,分別是①粉質黏土,②黏質粉土,③粉質黏土,④粉細砂,⑤粉質黏土。各土層的原狀土各種物理性質等參數見表1。

表1 各土層物理力學性質

3 盾構開挖對隧道的變形影響

由于篇幅限制,本文選擇第15個分析步,即左邊隧道開挖完成,右邊隧道施工開始階段。利用ABAQUS軟件進行建模模擬,得到盾構開挖過程中,隧道位移的變形云圖(見圖4)。

3.1 豎直位移

圖5為隧道在施工過程中產生的豎向位移云圖。由圖5可見,隧道上方的土體發生了一定程度的豎向沉降[10]。豎向位移沿隧道均勻分布,隧道產生的位移最大點位于開挖隧道的正上方,最大豎向位移為91.4 mm。由圖4,圖5可見,隧道位移分布均勻,隧道下部部分區域位移較大,整體呈現對稱趨勢。

隨著右側隧道開挖,右側開挖段隧道對既有隧道相應部位產生了較大的豎向位移,開挖后既有隧道豎向位移減弱。同時右側隧道開挖過程中,對既有隧道產生的影響導致既有隧道尾部產生較大的豎向位移。

3.2 橫向位移

圖6,圖7為地層和注漿層在施工過程中產生的水平方向位移云圖。由圖6,圖7可得,土體發生的橫向位移以隧道開挖方向的中心軸呈大致的左右對稱趨勢,地層產生的最大豎向位移為20.40 mm。由圖6可見隧道初始部分橫向位移較大,隧道中間及末尾部分位移較小。右側隧道開挖過程中,開挖部分對應的既有隧道產生相對較大橫向位移。

在右側隧道施工的過程中,兩邊隧道之間產生更大的橫向位移,兩邊隧道對外側產生的位移相對較小。右側隧道的開挖過程中,既有隧道的兩側較正在開挖隧道都產生了更大的橫向位移,右側隧道對相應位置的既有隧道產生最大的位移變形。

3.3 沿開挖方向位移

圖8為地層和注漿層在施工過程中產生的沿施工方向位移云圖。由圖8可知,隧道整體產生的沿開挖方向位移分布相對均勻,主要集中在右側隧道開挖時對應既有隧道相應位置。

4 施工過程中易產生的問題及應對措施

1)由于開挖隧道對既有隧道的影響,可能導致兩個隧道之間發生相對位移和變形,進而影響結構的穩定性和運行安全。應對措施:在開挖前合理選擇開挖順序和施工方法,以減小對既有隧道的影響。并在施工過程中進行實時監測,包括位移監測和結構變形監測,以及根據監測數據及時調整施工參數和支護措施。結合文章分析結果,在新隧道開挖過程中,對應部位的既有隧道受到較大的變形影響,可以在相應的位置設計和施工隧道支護系統,如布置地下連續墻、土釘墻等,以增強既有隧道的穩定性。

2)在超小凈距盾構隧道開挖過程中,由于兩隧道間距過小后開挖隧道施工會改變周圍巖土體的應力分布,導致應力重分布,可能引發巖層破壞、塌陷或者隧道周圍地表沉降等問題。應對措施:應力重分布可能導致周圍巖土體的破壞、塌陷或者隧道周圍地表沉降等問題[8-9]。為了預防和減輕這些影響,可以在開挖前通過進行巖土力學分析和數值模擬,預測應力重分布的情況,為支護設計和施工策略提供依據。同時實施實時監測系統,監測巖體位移、地表沉降和應力變化等數據,及時評估工程情況,根據監測數據調整支護措施和施工參數。在施工過程中為減小巖土體的應力重分布,應合理選擇開挖順序和方法,避免集中開挖,減少應力集中的可能性。針對高風險地質區段,可以采用先行地下連續墻的方式,提前進行支護,減輕后續開挖對巖土體的影響。此外,還可以通過控制開挖速度和采用適當的支護手段,如鋼支撐、錨桿支護等,來減小開挖引起的巖土體應力變化。

3)在雙線隧道的開挖過程中,后開挖隧道施工可能會對地下水位和既有隧道排水系統產生影響,增加地下水滲流量,導致地下水位上升或隧道滲水問題,可能引發施工現場積水、泥漿涌入等不良后果,進而影響隧道結構的穩定性。應對措施:首先應在施工前進行充分的水文地質調查,了解地下水位和水文特征,為工程設計提供依據。根據調查結果,設計合適的隧道排水系統,包括井點降水和噴射固化劑等技術。通過設置井點降水井筒,將地下水抽出并排放到合適的地點,以降低地下水位。同時,在設計和實施排水系統時,也需要進行環境評估和合規性評估,并采取必要的措施保護環境和水資源。

4)盾構機主體重量極大,在隧道開挖過程中容易導致支撐平臺失穩,影響支撐強度,導致隧道施工受影響。應對措施:首先在盾構隧道施工前應進行詳盡的地質勘察,了解地層情況和地下水位等信息。基于勘察結果,進行工程設計,合理確定盾構始發位置和支撐平臺的布置,確保其能夠承受盾構機主體重量并保持穩定。在設計中考慮地質條件、巖土力學參數以及盾構機的負荷特性等因素,以確保始發支撐平臺的強度滿足要求,并在施工過程中采取適當的支護措施。在盾構始發等支撐平臺的設計中,應考慮采用適當的支護措施,如加固鋼筋混凝土支撐、土壓平衡或液壓支架等,以提供足夠的支撐和穩定性。這些支護措施可以幫助分散盾構機主體重量,并減少對始發平臺的影響。

5)先建隧道開挖使得相鄰隧道襯砌在靠近開挖側、水平軸線以上部分變形最大、應力增量最大,呈現向開挖側彎曲的現象。應對措施:在開挖側隧道襯砌附近加強支護措施,如增加鋼支撐、設置預應力錨桿、使用加固材料等。這樣可以增加支撐剛度,減少襯砌的變形和應力集中,提高結構的整體穩定性。并合理控制開挖進度,避免過快的開挖速度造成過大的變形和應力集中。可以采用分段開挖、適時停挖、調整開挖順序等方法,使變形和應力的分布更加均勻、漸進,減少對相鄰隧道襯砌的影響。此外還應加強地質預報工作,準確評估地下巖土的力學特性和變形特性。根據地質條件和實際情況,制定合理的施工方案,包括合理的爆破參數、支護設計和施工方法等,以減少對相鄰隧道襯砌的不利影響。

6)雙線盾構始發施工過程中,由于間距過小,端頭附近的地層承受較大的應力,導致地層發生變形和位移。這可能引起地層沉降、裂縫擴展以及相鄰結構物的影響,對隧道工程的安全和周邊環境造成潛在威脅。應對措施:通過合理控制盾構機的推進參數,如推進力等,以減小盾構機對地層的影響,降低地層變形的程度。推進參數的選擇應基于地質條件、地層特性和工程要求等因素進行綜合評估和調整。在施工過程中,根據實際情況合理設計施工工序,避免過于集中的始發施工,分段進行推進,以減小變形的集中程度,降低地層的變形和應力集中。

5 結語

本文以雄安新區至北京大興國際機場快線設計施工總承包一標段三分部金融島站—第五組團站區間工程為例,利用ABAQUS軟件建模對隧道開挖過程進行模擬,得到隧道開挖過程中,隧道的橫、縱向變形。運用ABAQUS,對盾構機的整個施工過程進行了模擬和分析,清楚地展示了超小凈距雙盾構始發的施工工藝及開挖過程[11]。最后,針對工程建設中隧道容易出現的問題,分析其產生的原因,并給出相應的防治及應對措施。該成果可為同類工程中的超小凈距隧道施工提供參考,并對目前隧道開挖引起的隧道變形預測和加固處理具有參考價值。