盾构机动载作用下小净距渐变重叠隧道稳定性研究

李 栋，张凤舞，周声才，，周东平，郭臣业，夏彬伟

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆400060;2.重庆市能源投资集团，重庆401121;3.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030)

在城市地铁工程中，由于上、下行线公用站台的原因，一般将上、下行隧道设计成水平并行隧道。但由于受城市建(构)筑物的限制和地下空间综合利用开发的需要，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［1-3］。近年来，国内外学者对重叠隧道的施工力学、纵向地层变化及地表沉降等方面开展了大量研究［4-7］。随着盾构机在地铁隧道施工中的广泛使用，出现了“隧道先开挖，盾构机后通过”的施工形式，由于盾构机重量大、隧道间距小，在此过程中容易引起下洞结构变形过大甚至破坏，影响后期使用，但目前对此类问题研究甚少。笔者以重庆地铁六号线花卉园—大龙山区间小净距渐变重叠隧道工程为背景，采用数值模拟和现场监测相结合的手段，对在后通过的盾构机动荷载作用下，小净距渐变重叠隧道的变形、结构附加内力及弯矩的演变规律进行了研究。

1 工程概况

重庆地铁六号线花卉园—大龙山区间隧道采用上下重叠、交错布置的形式，线间距从9.8 m渐变至完全重合(图1)，上洞最小埋深15 m，下洞最大埋深42.5 m，采用“隧道法先开挖，盾构机后通过”施工方式。隧道上覆地层由上而下依次为：第四系全新统填土层(Qml4)、侏罗系中统沙溪庙组(J2S)沉积岩层。围岩级别为Ⅳ级，主要以中等风化砂质泥岩或泥质砂岩夹薄层砂岩为主，围岩整体性较好。局部地下水主要为松散孔隙水和基岩裂隙水。

图1 隧道断面形式Fig.1 Cross-section of tunnel

盾构机通过前，仰拱先回填至盾构机通过底面，并预埋43 kg/m的弧形底面钢轨，钢轨间距为2.6 m，同时预埋D108×6.5钢套管，钢管长度为0.5 m，纵向间距为3 m，横向间距为3.5 m。预埋钢轨部分与仰拱同时浇筑。盾构机依靠支撑靴提供的反作用力步进，步进速度控制在3～5 m/h，护盾沿预埋导向轨滑行，将两侧靴用胶垫包裹以减轻对二衬侧墙的压力(图2)。

图2 盾构机实物Fig.2 Shield machine

2 数值计算及结果分析

2.1 计算模型及材料参数

采用ANSYS软件进行计算，模型长120 m，宽60 m，高度60 m，隧道埋深18 m，见图3。盾构机头长8 m，重约350 t，将其线性分布在上洞上，即在上洞的衬砌上加两个220 kN/m沿轴向分布的线性荷载。底部加水平和竖向约束，左右两侧加水平约束。上、下洞分别采用I 16和I 18工字钢进行临时支护，拱墙和仰拱使用C25喷射混凝土。由于钢架是0.8 m/榀，在计算过程中，将其折算成钢板。材料的物理力学参数见表1。

图3 计算模型网格划分Fig.3 Mesh division of computation model

表1 材料参数Table 1 Material parameters

2.2 计算结果及分析

2.2.1 位移计算

下洞拱顶竖向位移如图4。经计算，断面1和断面2下洞拱顶竖向位移均较小，分别为－1 mm和－0.8 mm。因此，在盾构机后通过上洞的过程中，支护结构起到了良好支撑作用，有效控制了隧道变形。

图4 下洞拱顶竖向位移曲线Fig.4 Curve of vertical displacement of vault

2.2.2 应力计算

图5 下洞衬砌的主应力Fig.5 Main stress of lining structure

由图5可知，断面1和断面2下洞初衬主应力云图变化基本一致，最大第一主应力均出现在仰拱及拱顶区域，分别为2.44 MPa和1.84 MPa，最大第三主应力均出现在右拱脚处，分别为－12.6 MPa和－9.48 MPa。

通过对下洞初衬的主应力场的分析，在盾构机后通过上洞过程中，下洞的仰拱及拱顶局部区域的钢筋混凝土的应力较大，应进行加固。其余部分的主应力都较小，整个隧道结构处于稳定状态。

2.2.3 钢拱架内力计算

下洞钢拱架的轴力、弯矩如图6。

图6 下洞钢拱架附加纵向内力Fig.6 Additional longitudinal internal force of the steel gantry

由图6可知，断面1和断面2下洞钢拱架最大轴力分别为－1 480和－1 220 kN，最大弯矩分别为12.7和9.8 kN·m。可见，作用在钢架上的内力小于其自身承载力，支护结构稳定。在两洞交错段，盾构机后通过上洞使下洞承受的竖向压力因向两侧围岩转移而减小，因此下洞弯矩较小。虽然弯矩值并不大，但弯矩呈明显偏转，靠下洞右墙脚处显著增大，相应的仰拱底处明显减小。

计算发现，在盾构机后通过上洞过程中，斜槽回填部分局部混凝土区域产生了塑性区。故在回填混凝土时，应尽量回填密实，增强结构的稳定性。

3 监控量测

3.1 监测方案

目前对“隧道先开挖，盾构机后通过”的设计和施工尚无相应技术规范和标准，也没有可以借鉴的工程经验。因此，只有加强现场监测，才能掌握盾构机在动荷载作用下小净距渐变重叠隧道的动态反应。

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根据地质条件、隧道埋设条件及上下洞距离的渐变规律，沿隧道纵向共布设了12个监测断面，进行附加纵向变形和附加轴力监测分析，测点布置如图7。

图7 监控监测点布置图Fig.7 Layout of monitoring measuring points

3.2 监测结果分析

3.2.1 附加纵向变形

实测下洞附加纵向变形如图8。可以看出，盾构机后通过上洞过程中，各点附加纵向变形以盾构机支撑靴位置为中心呈前后对称形式，整体上呈拱顶沉降及拱腰侧鼓的变化趋势。在支撑靴前方0.5 D(D为下洞直径)到后方1 D范围产生较大沉降，最大值为－1.93 mm，随着盾构机步进影响的逐渐消散，各点沉降量逐渐减小，在支撑靴前方0.5～1.5 D和后方2.5～1 D范围产生少量隆起，最大值为0.21 mm;最终，在支撑靴前方1.5 D距离后基本不受影响，在支撑靴后方2.5 D距离后产生最大值为0.5 mm永久沉降。拱腰变形最要集中在支撑靴前方1 D和后方1.5 D范围内，最大值为0.69 mm。各特征点的附加纵向变形与上下洞的相对位置密切相关，随着重叠隧道净距的逐渐减小，受盾构机步进影响显著增大，拱顶沉降值和水平收敛值均增大。

图8 下洞附加纵向变形曲线Fig.8 Curve of longitudinal additional deformation

3.2.2 附加纵向轴力

实测下洞附加轴力变化如图9。可以看出，盾构机后通过上洞所引起的下洞纵向附加轴力变化规律分布较为复杂，但各影响因素作用条件下的内力变化趋势一致，随着隧道净距减小，下洞的附加轴力逐渐增大，并以支撑靴位置为中心对称分布，最大附加轴力约为1 510 kN，主要影响范围为后方1.5 D至前方1 D。

图9 下洞附加纵向轴力Fig.9 Additional longitudinal axis force

3.2.3 盾构机步进速度影响

监测还发现，在盾构步进过程中，盾构机一旦停机，就意味着再次步进时所需的支撑靴推力要比前一次启动时所需的推力更大，此时推进力增加的速度也明显高于停机前的增加速度。如果停顿时间过长，在盾构机头停留部位将对重叠隧道中间夹层及结构产生持续压力，使其产生蠕变，导致下洞对应点附加变形和附加应力显著增加。因此，应提前做好盾构机步进准备工作，保证盾构机匀速步进。

结合数值模拟和现场监测可得出，盾构机后通过上洞对下洞的主要影响范围为支撑靴前方1.5 D至后方2.5 D。经对比可知，实测下洞纵向附加变形、附加应力值比数值计算大，原因是数值模拟对地层围岩取均质各向同性体，实际工程中岩体存在软弱结构面，属非均质各向同性体。但就分布规律而言与数值计算结果大体一致。

4 隧道变形的应对措施

提高隧道的设计强度和刚度不失为一种应对上述纵向效应的有效措施，但从前面分析来看，盾构机后通过对隧道产生的纵向影响具有临时性和局域性，采用此类永久性措施是不经济。基于此，笔者对一些实用的临时措施进行了研究，主要从减弱纵向效应影响和增强自身抵抗力(刚度和强度)考虑。

4.1 减弱纵向效应影响措施

从数值模拟和实测分析结果可以看出，盾构机机头通过时所引起的下洞纵向效应最为显著。因此，可以考虑将盾构机步进时不必要的部件进行临时拆卸，等通过危险段后再进行组装;应尽量控制盾构机匀速步进，并在导向轨上预抹黄油，减小步进时摩擦系数，从源头上削减这种附加纵向效应。同时，可根据下洞拱顶、拱腰的纵向变化规律，进行临时梯度压重，以使变形光滑过度，减弱此纵向效应［8］。

4.2 增强自身抵抗力措施

随着盾构机步进预先在下洞设置临时钢支撑，包括纵向和横向支撑加强，并通过液压千斤顶给予一定初始预应力，可有效抵消来自盾构机的附加作用力，提高隧道衬砌结构抵抗变形的能力，但对给予的预应力应与上下洞位置关系相对应，预加应力值不宜过大，预应力施加速度不宜过快。其次，对上洞仰拱进行回填压浆可以加固隧道周边地层，并改善结构域周边地层的接触状态，保证盾构机步进时隧道稳定性。

5 结论

通过采用数值计算和现场监测相结合的研究手段，对盾构机动载作用下近距离渐变重叠隧道的变形、附加内力和弯矩的分布变化影响规律研究可得如下结论：

1)盾构机后通过隧道上洞，将引起下洞整体上呈拱顶下沉及拱腰侧鼓的变化趋势，实测最大沉降值位于支撑靴后方1～2 m处;在支撑靴前方1～1.5 D和后方1.5～2.5 D 范围内发生少量隆起，而后逐渐趋于稳定。

2)不均匀沉降主要集中在支撑靴前方1.5 D到后方3 D范围内，在支撑靴前方1 D到后方1.5 D的范围内梯度最大，这也是下洞附加内力受盾构机步进影响最不利的区域。

3)盾构机后通过将引起下洞在支撑靴后方产生较大的附加力，而前方影响较小。在支撑靴附近形成突变，迅速攀升，最大附加轴力值为1 510 kN，随后略有下降，逐渐趋于稳定。

4)盾构机步进速度不均匀或出现停机现象，将大大增大所停留位置的附加变形和附加应力值，因此应做好准备工作，保证盾构机匀速步进。

5)从减弱纵向效应影响和增强自身抵抗力方面提出了应对措施，能较好地消除盾构机通过上洞对下洞产生的不良影响。

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