重叠盾构隧道施工地面变形及控制技术研究

张 磊 李建伟 李永福 曾佳亮

(铁道第三勘测设计院集团有限公司，300251，天津∥第一作者，助理工程师)

随着城市隧道与地铁建设的兴起，相应的环境问题也引起了越来越多的关注。由于隧道施工将不可避免地会对上覆地层产生挠动，地表产生的位移和变形较大时，往往又会引起地上临近建筑物、构筑物的开裂、沉降、倾斜等问题。由于各种条件的限制，在地铁区间局部或全部采用上下重叠隧道的情况将越来越多。但由于施工引起的地层移动并进而影响周围房屋、道路、管线的事故仍时有发生。如何控制重叠盾构隧道推进过程中对已有建筑物的影响，以确保周边建筑物的安全和新建隧道盾构的顺利推进，这是个必须进行深入细致研究的重要课题。

1 国内外对隧道开挖引起地层变形的研究现状

国内外对隧道开挖引起地层变形的研究方法有很多，如以Peck公式为代表的经验公式、工程类比法和数值计算法等。

经验公式法一般均假定隧道横向沉降曲线服从高斯分布，纵向服从累积概率曲线，然后用几个可量测的参数来确定其形状。比较具代表性的有Peck经验公式。1969年Peck在观测了大量地表沉降实例并查阅大量工程资料后，利用统计学原理对大量实测数据进行推算，提出了地层损失的概念和估计盾构法施工引起地面沉降的经验公式。1987年，候学渊等人结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，采用修正剑桥模型和比奥固结分析，以及现场的监测研究，提出了考虑时效沉降的Peck修正公式。

数值解析的方法大都建立在线弹性土体的基础上，此法以1987年sagaseta所提出的源－汇法(镜像法)为代表。“源－汇法”对地面以下某深度处由土体损失引起不可压缩土体的应变场进行分析，采用绝对位移作为变量来求解地面以下土体的位移场和应力场。2003年，王明年结合深圳地铁1号线单洞双层和重叠段隧道采用摩尔库伦模型，用FLAC3D数值模拟软件模拟埋深为10 m的隧道矿山法施工，划分出强、弱、无影响三个分区。

本文结合数值模拟计算手段对小净距上下重叠隧道施工引起的地表沉降变形进行分析，对各种加固保护措施进行数值模拟，并提出相应的保护措施和施工建议。

2 数值模拟

2.1 建模概况

深圳市城市轨道交通7号线工程的农林站至车公庙站盾构区间在经香蜜湖路后左右线逐渐上下重叠，于DK12+740～DK12+760下穿福田区卫生疾病监控大楼，并于DK13+280～DK13+310处下穿香蜜湖立交。盾构隧道距周边建筑物较近，若处理不当可能对建(构)筑物造成一定影响或破坏。

以该区段实际情况为依据建立三维数值计算模型(见图1)，选择上下隧道完全重叠段作为分析对象。横向、竖向各取50 m(约8倍盾构隧道直径)，上下重叠隧道的隧道外轮廓最小净距为12 m。围岩采用实体单元，管片采用壳单元，同步注浆和二次注浆通过随开挖进尺逐渐改变围岩参数值来实现。上下重叠隧道所处围岩地层的参数见表1。

图1 上下重叠盾构隧道计算模型图

表1 上下重叠隧道围岩物理力学参数

2.2 施工过程模拟

结合盾构施工阶段的主要特点及施工过程土层的受力，将盾构施工过程分为开挖过程、管片拼装、注浆层凝固及固结沉降等几个阶段。开挖采用全断面形式，开挖进尺为管片宽度1.5 m。上下重叠盾构隧道的施工过程模拟见图2所示。

图2 盾构施工模拟示意图

2.2.1 开挖阶段

1)由于盾构开挖管片拼装前的荷载由盾壳承担，因此考虑开挖时地层竖向压力由大刚度的临时壳单元承担。模型中设置一环的大刚度壳单元，拼装管片时再删除此壳单元，并换上具有管片刚度的支护壳单元。

2)掌子面土层所受推力F2，以面荷载形式施加，主要平衡掌子面上的土压力。

3)盾构机环向土层施加侧向摩阻力F1，模拟盾构推进过程中土层受到的摩擦力，仍以面荷载形式施加。

4)在开挖掌子面上施加驱动机构扭矩T1～T3，算其合力矩，并以面荷载形式施加到掌子面上。

5)按照荷载释放率30%来释放掌子面上的荷载。

2.2.2 管片支护阶段

1)删除临时支护shell单元，并换上具有管片刚度的支护shell单元。

2)删除作用在掌子面和盾壳周围的各种荷载。

2.2.3 注浆及凝固阶段

1)在所加管片周围的土层上施加注浆压力，模拟同步注浆。

2)将盾构空隙的注浆层材料属性值取为较低值，并随着开挖推进，逐渐增加其材料属性值，模拟注浆硬化过程。

2.2.4 固结沉降阶段

1)停止注浆，删除注浆压力。

2)待注浆土层达到规定的强度值时，释放掌子面上所有荷载，模拟固结沉降。

3 重叠段地表沉降数值模拟结果与分析

3.1 横向地表位移分析

地表沉降最大值出现在有房屋荷载的中心区域。施工过程中，地表主要沉降区域为离隧道中心线对应地表点左右15 m范围内的区域，与无房屋荷载时相比，沉降槽中间部分扩大，而再往外面的区域略有隆起现象(见图3)。

图3 数值模拟地面沉降等值线图

从先上洞后下洞施工时的隧道横向地表位移看(见图4)，施工过程中地表主要沉降区域为离隧道中心线对应地表点左右15 m范围内的区域，再往外面的区域略有隆起现象。当采用先上洞后下洞施工顺序时，上洞施工引起的地表沉降值占其总沉降值的66%、而下洞施工引起的地表沉降值占其总沉降值的34%。对于下洞引起的沉降量，当施工到正下方时下沉占40%左右，穿过后的施工沉降占60%。地表的最大沉降值为26.2 mm。

图4 先上洞后下洞施工时地表横向沉降模拟图

当采用先下洞后上洞施工顺序时，下洞施工引起的地表沉降值占总沉降值的53%，而上洞施工引起的地表沉降值占总沉降值的47%。在此种工况下，由其沉降曲线可知(见图5)，目标面的最大沉降是在盾构通过其约15 m后出现的，盾构到达前其沉降量反而减少，到达时沉降量开始增加，到盾构通过后，沉降量明显增加。在本工程的地质条件下，采用先下洞后上洞施工顺序，地表的最大沉降值为25.1 mm。

图5 先下洞后上洞施工时地表横向沉降模拟图

3.2 纵向地表位移分析

由纵向沉降模拟曲线可知(见图6～图8)，上下两洞施工过程中，地面几乎没有隆起值。这说明在房屋荷载作用下，使盾构隆起量减少或者不发生。但从整个沉降模拟曲线看，盾构到达前其底层仍然有隆起趋势，到盾构通过后，沉降量就明显增加。因此，盾构施工引起的地表沉降可由三部分组成:盾构到达前由于顶推力作用导致地表隆起;盾构到达时的地表部分下沉;盾构通过后的地表主要沉降量。其中第三部分沉降量占总沉降量的60%左右。目标地面的最大沉降是发生在盾构通过约20 m后出现的，房屋荷载下的沉降值比没有房屋荷载时的沉降值有明显的增加。

图6 数值模拟地层纵向沉降等值线图

图7 先上洞后下洞施工时地表纵向沉降模拟图

图8 先下洞后上洞施工时地表纵向沉降模拟图

若经过预测，建筑物受到的影响比较严重，则要采取相应的处理措施，以保证建筑物的正常安全使用。处理措施一般可分为积极保护措施和工程措施两种。

4 施工顺序选择与保护加固措施

4.1 施工顺序的选择

由上述可知，从总沉降量上看，先下洞后上洞施工要小于先上洞后下洞施工，而且前者二次扰动的影响也小。因此，从地表沉降看，先下洞后上洞施工优于先上洞后下洞施工。

从结构内力来看，采用先上洞后下洞施工工序时，最大弯矩发生在下洞拱顶处，为76.1 kN·m，最大轴力发生在下洞拱腰处，为－1 072.7 kN(见图9);采用先下洞后上洞施工工序时，最大弯矩发生在下洞拱顶处，为58.6 kN·m，最大轴力发生在下洞拱腰处，为－992.7 kN(见图10)。由此可见，结构内力方面，先下洞施工优于先上洞施工。

图9 先上洞后下洞施工时断面内力模拟图

图10 先下洞后上洞施工时断面内力模拟图

4.2 保护与加固措施

4.2.1 沉降控制标准

在城市地铁隧道施工中，一般规定的允许地面沉降值为30 mm，隆起值为10 mm，地面附加倾斜不得超过1/300。国外(如波兰、英国、前苏联等国)则根据实际工程和试验将房屋损坏评定标准分为3类①视觉损坏，当结构物出现大于1/250的偏移时，视觉上就可以察觉到，该损坏评定标准中的破坏等级为0～2，属于视觉损坏范围。②功能损坏，在该损坏评定标准中的破坏等级为3～4，属于功能破坏。该类破坏往往都是由于土体位移引起的。③稳定性损坏，破坏等级为5。

参照国内外地表变形房屋破坏等级标准，根据重叠地铁隧道段房屋的等级，确定其损坏等级的极限变形值，见表2所示。砖混结构可由局部倾斜控制，即砌体承重结构沿纵墙6～10 m内基础两点的沉降差Δ与其距离L的比值;框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降差Δ控制;多层、高层建筑或高耸结构应有倾斜值控制。

根据数值模拟计算结果可知，当建筑物的桩柱基础埋深9.0 m，相邻桩基中心距为9 m时，其最大计算沉降差值为25.1 mm。而重叠段正上方建筑物基础的最大沉降差25.1 mm ＞0.002 mm ×9=18 mm。故以此作为房屋的加固标准。由图3可知，在隧道中心线横向约12 m(2倍洞径)范围内有房屋基础的均应采取加固措施。因此，重叠段施工，必须合理优化施工掘进参数，同时选用合理的加固措施。

表2 房屋沉降控制标准

4.2.2 加固措施的数值模拟

针对两种主要的加固措施，即对二次注浆和房屋基底注浆采用数值模拟计算，其计算工况见表3。二次注浆可通过改变注浆层材料的强度值来模拟，基底注浆可直接采用提高注浆范围内土层的参数值来模拟。

表3 计算工况表

通过模拟计算可知，三种工况下的地表位移和趋势几乎相同，都是先隆后沉，房屋荷载处中心沉降槽的沉降值最大。但是，三种工况下的地表最大沉降量却不同。由表4可见，通过加固措施后，地表沉隆值明显减少，盾构施工对线路纵向的影响范围也缩小了。

表4 采取加固措施后的模拟计算结果表

通过对加固措施的数值模拟计算可知，整个施工过程中，加固措施使地表沉降值和影响范围明显减少，尤其在有房屋荷载处，其纵向下沉数据不再有突变。这表明房屋基底注浆对控制地表沉降效果明显，而二次注浆对控制纵向影响范围的效果较为显著。通过采用加固措施后，可保证重叠段隧道范围内的房屋在加固后，其最大沉降差值可减少到6.7 mm＜0.002 L=18 mm，满足安全要求。

5 结语

通过三维数值模拟的计算分析，并结合深圳轨道交通7号线工程实例，对上下重叠盾构隧道的地面变形和控制技术进行了研究，可得到以下结论供参考:

1)从隧道横向地表位移看，施工过程中地表的主要沉降区域为离隧道中心线对应地表点左右15 m范围的区域，再外面的区域地表略有隆起现象。

2)从隧道纵向地表的位移看，在盾构到达前由于顶推力作用会导致地表隆起，在盾构到达时地表会发生部分下沉。目标地面的最大沉降是在盾构通过约20 m后才出现。

3)从地表沉降量及隧道结构受力上看，先下洞后上洞施工的施工顺序均优于先上洞后下洞施工顺序。

4)房屋基底注浆对控制地表沉降的效果明显，而二次注浆对控制纵向影响范围的效果较为显著。

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