小净距矿山法、盾构隧道施工的数值模拟分析

石祥锋，寇鼎涛

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)

0 引言

地铁区间站前附属线经常采取小净距矿山法、盾构隧道方案，相比常规地铁隧道，这种方案矿山法隧道断面型式较多，跨度较大，且和盾构隧道距离较近，因此隧道施工时相互影响较大，施工风险也较大［1～4］，设计和施工这类工程时都非常慎重。目前，国内外对此类隧道工程及公路、铁路行业小净距隧道工程的研究较多，取得很多成果和经验［5～9］，但对于具体工程，由于工程自身的结构如隧道间距离、断面、衬砌等不同，加之工程所处的工程地质条件、施工采取的方法、施工工序等不同，每个这样的隧道施工过程都具有特殊性。本文应用FLAC3D有限差分程序对某隧道工程的位移及受力状态变化进行了三维有限元计算，分析了其稳定性，得到了一些有益的结论，可为工程施工方案和施工组织提供参考。

1 工程概况

新建矿山法、盾构隧道临近工程为西安地铁3号线科技路站～太白南路站区间。拟在太白南路站前右线设置停车线和渡线，采用矿山法施工，左线隧道采用盾构法施工，隧道埋深约7 m。右线隧道分为三个典型断面:B1、B2和B3断面，其中B1型断面隧道长50m，B2型断面隧道长23m，B3型断面隧道长19.344 m。左线隧道为标准断面，断面支护参数见表1，断面空间位置见图1。由于两隧道间相距较近，盾构隧道与矿山法隧道的三个典型断面的距离分别为4.425 m、3.14 m、0.775 m，矿山法隧道断面较大，跨度均超过10 m，最大断面跨度超过14 m，且隧道埋深较浅，工程施工风险较大。拟建场地的土层主要为:素填土、黄土状土、粉质粘土、粉土、细砂、中砂、粗砂。隧道洞身范围内地层主要粗砂、中砂。

表1 隧道支护参数设计

2 计算模型

2.1 计算模型及边界条件

本计算采用FLAC3D有限差分软件建立计算模型，模型沿隧道轴向取92.344m，深度方向从地面向下取34m，跨度方向取80m，矿山法隧道一侧向外取20m，盾构法隧道一侧向外取38m。模型共划分168482个实体单元，174856个节点，隧道结构网格划分见图1。不同的土层采用不同的材料参数模拟，土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型，隧道结构采用线弹性本构模型。边界条件的选取:模型侧面和底面为位移边界，模型顶面取为自由边界，底面采用固定约束，侧面采用法向约束。

2.2 材料物理力学参数的选取

由于评估范围内地层变化客观存在，对性质相近的土体进行了有效合并。本评估范围内土层主要有素填土、黄土状土、中砂、粗砂和粉质黏土，根据勘察报告中提供的参数做出一定的折减，具体计算参数见表2，表3为隧道结构参数表。

图1 隧道结构三维有限元网格划分

表2 土层参数表

表3 隧道结构参数表

3 施工过程模拟及结果分析

3.1 计算荷载和模拟过程

计算荷载考虑隧道结构自重、土体竖向自重及地表均布超载20kPa等。施工过程模拟时，进行了简化处理。对于大断面矿山法隧道，一般采取分部开挖方案，为简化计算，拟采用全断面法一次开挖成洞，施作初期支护和衬砌。在本模型计算过程中，选取关键工况进行分步开挖，以便对施工过程中矿山法隧道结构变形及应力进行分析。

分为五个施工工况，计算模拟工序为:第一步，右线B3断面矿山法隧道，开挖及施作初期支护一次完成;第二步，右线B2断面矿山法隧道，开挖及施作初期支护一次完成;第三步，右线B1断面矿山法隧道，开挖及施作初期支护;第四步，右线矿山法隧道施作二次衬砌;第五步，盾构隧道施工。

3.2 地表沉降分析

图2 断面地表沉降曲线图

图2为隧道典型断面的地表沉降曲线图，选取右线隧道初支完成、二衬完成以及左线盾构隧道贯通三个关键工序。其中横坐标为地表坐标，单位为米，竖坐标为地表沉降，单位为毫米。

从图中看出，该工程地表沉降范围主要集中在距离两隧道中轴线20 m宽度范围内，在该宽度范围内，地面沉降随着工程施工增大。右线隧道初支贯通后，B3、B2及B1断面地表最大沉降分别为29.61 mm、22.32 mm、16.31 mm，三个断面的最大沉降位置均出现在矿山法隧道拱顶对应的地表处;右线隧道二衬贯通后，三个断面的最大沉降与初衬贯通时相比，最大沉降位置没有发生变化，但地表沉降继续增大，增加到35.54 mm、26.78 mm、19.57 mm，分别增加了20.0%、20.4%和19.9%，可见围岩地层在隧道开挖和施工初支时发生了大部分沉降，在施工二衬时地层还没有完全稳定，继续发生沉降，因此为控制地层沉降，施工二衬时要快速施工，缩短地层沉降时间。

左线盾构隧道施工完成后，由于两线隧道距离较近，B3、B2及B1三个断面的最大沉降与右线隧道二衬贯通时相比，地表沉降继续增大，分别为42.34 mm、33.41 mm、26.37 mm，增加了 21.9%、24.7%和34.7%，且最大沉降位置均从右线隧道的拱顶转移到两线隧道之间对应的地表处。这表明左线隧道施工对右线隧道及围岩地层影响较大，围岩地层继续沉降变形，右线隧道结构将承受更大围压。因此施工该工程前应对整个场地地层特别是两隧道间的土层进行加固，提高场地地层的力学参数，降低隧道间施工的相互影响。

3.3 隧道结构变形分析

隧道结构变形主要考察拱顶、拱腰处位移的变化规律。左线隧道施工完成后，右线隧道二衬没有完全稳定，其变形继续增加。表4为右线隧道二衬拱顶、拱腰的位移变化表，从表4可看出，B3、B2、和B1断面的二衬拱顶沉降值与右线隧道二衬贯通时相比，分别增加了 16.37 mm、11.57 mm、7.54 mm;右线隧道左拱腰向左线方向变形，三个断面的二衬左拱腰水平位移分别增加了10.55 mm、8.56 mm、5.57 mm;右线隧道右拱腰向洞内收敛，与右线隧道二衬贯通时相比，三个断面的二衬右拱腰水平位移分别增加了6.23 mm、5.24 mm、4.34 mm。说明左线隧道开挖和施工衬砌不仅影响到右线隧道围岩地层，还通过围岩地层影响到右线隧道的衬砌，使衬砌发生变形，造成隧道拱顶沉降、水平敛收。

表4 二衬关键点变形值

3.4 隧道结构应力分析

隧道结构应力主要考察最大拉应力和最大压应力的变化。受左线隧道施工的影响，右线隧道结构应力状态不断发生变化，左线隧道施工完成后，右线隧道二衬最大拉应力出现减小现象，但最大压应力继续增大，衬砌结构受力更加不利。右线隧道B3、B2、B1断面的二衬最大应力变化值如表5所示。

表5 二衬应力变化值

从表5可看出，盾构隧道施工完成后，由于对地层的扰动，导致矿山法隧道二衬拉应力减小，B3、B2及B1三个断面的二衬最大拉应力与矿山法隧道二衬贯通时相比，最大拉应力出现位置没有变化，均出现在二衬拱顶，量值分别减小了0.02 MPa、0.03 MPa、0.43 MPa;矿山法隧道二衬压应力也发生变化，三个断面的二衬最大压应力与矿山法隧道二衬贯通时相比，最大压应力出现位置没有变化，均出现在二衬右拱腰处，B3、B2及B1断面最大压应力值分别增大了0.66 MPa、0.65 MPa和0.08 MPa。说明盾构隧道临近施工时，对矿山法隧道二衬受力状态有影响，典型位置右拱腰最大压应力继续增加，受力更加不利，设计和施工时应给予充分考虑。

4 结论

通过对大跨度矿山法隧道和盾构隧道临近施工过程的模拟计算，在矿山法隧道先行施工的条件下，分析了隧道地表沉降变形、隧道结构的应力和变形等，得出如下结论:

1)近距离隧道工程施工条件下，后建隧道对先建隧道影响较大。后建隧道不仅使先建隧道围岩地层继续发生沉降变形，局部沉降变形幅度超过30%，还造成先建隧道的衬砌变形、压应力和拉应力不断变化，说明其安全性和稳定性受到不小影响。

2)为控制隧道施工时的地层沉降以及减小隧道间的施工影响，应对后建隧道周边地层进行系统加固，尤其是两线隧道之间的土体应保证加固效果;建立监测预警系统，在左线隧道施工时，应对地表及右线隧道结构实施监测，及时反馈信息，及时进行跟踪注浆或补充注浆，做到信息化施。

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