软土地区重叠盾构隧道施工空间效应的数值分析

□文/牛俊涛 史鹏

软土地区重叠盾构隧道施工空间效应的数值分析

□文/牛俊涛 史鹏

某地铁区间含有一段重叠盾构隧道，两条隧道最近处约为1.9 m，施工难度极大。文章以此工程为背景，采用有限元数值分析，对重叠隧道不同空间夹角、空间距离等情况下，新建隧道对既有隧道的影响规律进行了全面系统的研究。

软土地区；重叠盾构隧道；数值分析；空间效应；地铁

1　工程概况

本文所涉及的区间约440 m范围设置上下重叠隧道段，其中重叠段最小净距约为1.9 m。重叠隧道从平行段逐步过渡到斜向重叠，再由斜向重叠过渡到平行段。隧道外径约为6.2m。

2　土层物理力学性质

场地位于长江三角洲冲积平原的东南缘，地貌类型单一，属滨海平原相，地势较平坦。隧道所处地层不同土层厚度及力学参数见表1。

表1　模型物理力学参数

3　数值分析

3.1材料模型和基本假定

有限元分析提供了众多的本构模型供选择。适用于岩土工程的材料模型包括Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型（简称D-P模型）、剑桥模型等。尽管人们普遍认为剑桥模型更适合模拟岩土材料，特别是粘土，但是剑桥模型运用的主要问题在于模型参数众多，不易确定参数取值。综合考虑，本文使用D-P模型来模拟土体。

一般地质勘测告中会提供Mohr-Coulomb准则参数，而Mohr-Coulomb准则并不太适用于粘土体的计算，因此，需要在两个准则所用参数之间进行换算。

式中：c、φ分别为M-C准则中的粘聚力和内摩擦角；σc为单轴抗压强度；β、K分别为D-P准则中的内摩擦角和流变应力比，一般情况下0.778≤K≤1。

3.2模型的建立

两隧道间的相对位置关系以左右线净距及左右线中心点连线与竖直方向的夹角β表示，见图1。

图1　隧道相对位置

数值计算中，模型尺寸的边界确定对结果的影响非常大，所选取的计算范围足够大，可能更大程度地消除边界效应的影响。然而，拟定的边界过大会导致计算机配置要求过高以及计算耗时过长，因此，在边界尺寸的确定时，既要考虑在几何形态上要尽可能精确地描述实际工程，又能满足正常的计算资源要求。根据PECK沉降槽理论，沉降半宽B=2.5i，i按照式（4）计算

式中：Z为隧道埋深；φ为土体内摩擦角。

最终计算模型范围确定为宽×高=81 m×62 m。模拟开挖时为避免边界应力突然释放，应使开挖面边界应力逐渐释放。模拟过程中利用施工步骤中的LDF命令在步骤内逐步减少开挖面边界应力从而达到应力逐步释放的效果，选取应力释放率为0.4。

为探讨重叠隧道开挖的空间效应，拟进行16组工况进行分析计算，各工况详情见表2。

表2　工况编号

工况1、5、9、13右线在左线隧道正上方；工况4、8、12、16左右线隧道相互平行；其余各工况右线位于左线隧道右上方。以上各工况右线隧道埋深均为22m，左线隧道埋深随净距增大而增大。模拟施工工序采用“先下后上”，即先开挖下线隧道，待沉降稳定再进行上线隧道的开挖。

4　数值计算结果分析

4.1空间夹角的影响

比较工况1～4，当重叠隧道夹角为0°时，既有隧道拱顶沉降值最大，沉降值达到13.4 mm，随着重叠隧道间夹角的增大，既有隧道拱顶沉降值逐步减小，两隧道平行时，新建隧道造成的既有隧道拱顶沉降值最小；比较重叠隧道夹角变化引起的既有隧道位移矢量发现，当夹角为0°时，既有隧道称“竖鸭蛋”变形，竖向位移占主导因素；当夹角为90°时，既有隧道称“横鸭蛋”变形，水平位移占主导因素；当夹角为22°、45°时，既有隧道的位移明显朝向新建隧道，见图2。

从以上分析可知，重叠隧道间的夹角是新建隧道引起的既有隧道附加位移比较敏感的因素，随着夹角的变化，既有隧道呈现不同的位移变化，当夹角为0°时，新建隧道引起的既有隧道附加位移最大，夹角在0°～45°时变化时，新建隧道所引起的既有隧道附加位移变化量很大，而夹角在45°～90°时变化时，附加位移变化量较小。工况5～8、工况9～12及工况13～16与工况1～4结果相似。

4.2空间距离的影响

由图3可知，随着重叠隧道间距离的增大，新建隧道所引起的既有隧道附加位移量逐步减小，重叠隧道间距从1/3D变化到2D时，附加位移量减小了将近50%，然而考虑新建隧道引起既有隧道附加位移量的衰减时，间距的变化并没有夹角的变化敏感，重叠隧道夹角由0°到45°时，新建隧道引起既有隧道附加位移量减小了约为83.6%；以工况1、5、9、13为例，新建隧道引起既有隧道附加位移，在竖向和水平向上，随着重叠隧道间距增大均呈现递减状况，既有隧道变形均呈现“竖鸭蛋”，只是量级的不同，这也说明，新建隧道引起既有隧道变形的形状与两隧道的夹角密切相关，隧道的间距只是加重或减弱既有隧道变形的程度。

图3　重叠隧道夹角为0°时随间距变化新建隧道引起既有隧道位移

5　结论

1）在重叠隧道施工中，既有隧道受扰动的模式和程度随着重叠隧道间的夹角和间距的变化而有明显的变化。

2）当隧道间距一定时，夹角在0°～45°时既有隧道受影响较大，当夹角0°时，既有隧道受到的影响最大，当夹角90°时，既有隧道受到的影响最小。

3）空间夹角决定了既有隧道受扰动的模式，而两隧道间的间距影响了受扰动的程度。

[1]孙钧，刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟［J］.同济大学学报：自然科学版，2002，30（4）：379-385.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.027

□史鹏/天津市地下铁道集团有限公司。

□U459.3

□C

□1008-3197（2015）02-72-03

□2014-10-29

□牛俊涛/男，1986年出生，助理工程师，硕士，天津市地下铁道集团有限公司，从事地铁工程技术管理工作。