天津软土地区小间距平行隧道盾构施工对地层沉降的影响

涂 川，张建新

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

土木工程

天津软土地区小间距平行隧道盾构施工对地层沉降的影响

涂 川，张建新

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

以天津地铁3号线某区段平行隧道施工为背景，结合地层沉降实测资料分析，采用有限元程序ABAQUS进行数值模拟，研究小间距平行隧道施工对地层沉降的影响．分析结果表明：先行隧道单独开挖引起的地表横向沉降与 Peck公式的地表沉降槽形状类似，先行隧道轴线上方地表沉降最大，远离轴线逐渐减小；后行隧道施工对两平行隧道中间的土体产生二次扰动效应，两隧道中间位置处竖向位移达到最大；不同深度处土层的沉降量及影响范围不同，越靠近隧道轴线位置土体受盾构施工扰动越大；注浆压力越大，沉降槽的深度越小．研究结果对软土地区类似小间距隧道工程施工有一定的借鉴意义．

软土地区；小间距；盾构施工；地层沉降

目前，国内外对盾构施工引起地层沉降的研究集中于采用数值模拟法、基于监测数据分析预测法和半经验半解析法．研究了单线隧道开挖引起地表、衬砌内力以及不同深度处土体变形的规律[1-4]．目前，小间距平行隧道大量出现，近距离盾构施工相互影响的问题，后施工隧道对地层的二次扰动效应问题越来越突出，因此，研究小间距平行隧道盾构施工对地层沉降的影响具有重要意义[5-8]．

本文以天津地铁 3号线某区段平行隧道施工为研究对象，通过数值模拟并结合实测资料的分析，研究了小间距平行隧道盾构施工引起不同深度处土体的变形规律及不同注浆压力情况下地表沉降规律，以期为日后软土条件下小间距平行隧道施工提供借鉴．

1 工程实例及计算模型

天津地铁3号线某区间段位于天津市河北区，区间设计先行隧道全长 1 012.3 m，后行隧道全长943.8 m．盾构外径6.34 m，衬砌采用C50钢筋混凝土预制管片拼装而成．每环管片长度1.2 m．该区间小间距段共计244 m，最小间距2.48 m，小间距段覆土深度为7～13 m，小间距段平面示意如图1所示．盾构施工影响范围内地层主要为填土、黏土、粉质黏土、粉砂．

采用ABAQUS软件进行三维数值模拟分析．模型的几何尺寸定为横向80 m、纵向30 m、竖向50 m；侧面约束与其垂直的水平位移，底面约束竖向位移，顶面自由．隧道上边缘埋深取 10 m，隧道净间距为2.48 m．土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，衬砌、等代层采用弹性模型．模拟时首先施加重力进行地应力平衡，然后开挖左线，分 6步开挖每步开挖5 m，最后开挖右线．为避免尺寸效应和边界带来的误差，取距离掘进面10 m位置处为考察面．为了便于计算分析和提高结果的精细程度，在隧道附近进行网格细化，模型网格划分如图2所示．土层及其他材料参数见表1．

图3为实际监测点的布置示意图，本文参考测点取L490(1，2，3，4)．图4为先行隧道开挖时地表实际监测结果与数值模拟结果，由图4可以看出，实际监测与数值模拟沉降趋势相同，数值基本吻合，说明所建模型及计算参数可行．

图1 小间距段平面示意

图2 网格划分示意

表1 模型计算参数

图3 现场沉降测点布置示意

图4 先行隧道开挖引起考察面各测点沉降模拟值与实测值对比曲线

2 平行隧道盾构施工引起地层变形规律分析

2.1 平行隧道施工对地表横断面土体变形影响

先行隧道拱顶上方考察面横断面经历不同掘进深度时各测点的沉降变化情况如图5所示．表2为土体在横断面上的最大位移变化情况．由图5可知，随着先行隧道的掘进，距掘进面10 m处横断面的地表沉降曲线分布形状均与peck公式所表述的沉降槽相似[9]．隧道的开挖影响范围对于隧道轴线两侧5 D(D为隧道直径)左右影响较大，5 D以外土体基本不受盾构掘进的影响．地表最大沉降均发生在先行隧道轴线位置处；随着先行隧道掘进，隧道轴线处最大沉降量越来越大，曲线槽的宽度变宽；由表2可知，掘进第一个5 m时，沉降量增大12.5 mm，掘进第三个5 m时，沉降量增大 3.3 mm，故随着掘进面远离考察横断面，隧道开挖对考察面的影响逐渐减小，最终考察面上各测点位移趋于稳定．当远离2.5 D左右时，测点沉降量变化很小，表明此时考察面基本不受盾构掘进的影响．

图5 先行隧道开挖引起考察面处地表竖向位移

表2 土体横断面上的最大位移

在先行隧道开挖土体扰动情况下，施工后行隧道引起各测点的沉降情况如图6所示．可以看出，后行隧道施工完成后的沉降曲线槽明显比先行的宽；先行隧道开挖最大沉降处位于先行隧道轴线，而后行隧道开挖最大地表沉降位于左右隧道中线附近，为先行隧道开挖最大值的1.3倍左右．由此可知后行隧道的施工对平行隧道中间的土体产生二次扰动，使两隧道中间地层竖向位移增大，表明平行隧道施工对两隧道中间土层的扰动效应比较显著，因此施工过程中需要重点注意该土层地层变形．

图6 两隧道相继开挖引起考察面处地表竖向位移

2.2 平行隧道施工对地表纵断面土体变形影响

在不同开挖状态下平行隧道施工，先行隧道轴线上方地表土体的隆沉变化规律如图7所示．可以看出，先行隧道开挖5 m时，在盾构位置范围内地表沉降达到最大，掘进面到前方25 m处，地表土体沉降逐渐减小至0，其后远离25 m逐渐发生隆起．由于后行隧道在受先行隧道开挖造成扰动的土体中开挖，在后行隧道掘进面附近处对先行隧道中线地表土体沉降影响较大，对远方土体影响较小．分析认为，由于盾构向前开挖，刀盘超开挖、盾壳厚度所占空间和管片操作空隙暴露出来，土体受重力作用下发生下沉，因此，平行隧道开挖时，不仅需要考虑盾构位置处地表沉降和盾构前方土体隆起，也需要注意后行隧道对周围土体的二次扰动．

图7 先行隧道轴线上方地表土体在不同掘进状态下的变形规律

2.3 平行隧道施工对不同深度处土体变形的影响

图8、9分别为开挖先行隧道和后行隧道时考察面不同深度土层的隆沉曲线．可以看出，开挖先行隧道时，隧道上方土体的最大沉降量随着土体深度的增加随之增大，沉降影响范围随着土体深度的增加而减小；隧道下方土体发生隆起，隆起形状与倒置的peck公式所描述的沉降槽相似，隆起最大值随着深度增加而减小，隆起范围随着深度增加而增大，地层不同深度处土体的最大沉降和隆起均发生在先行隧道轴线位置处；开挖后行隧道时，不同深度处土体变形规律与左线类似，不同深度处土体的最大沉降和隆起均发生在两平行隧道中线附近，但沉降量与隆起量均比先行隧道开挖时引起的大．

图8 先行隧道开挖引起不同深度处土体的竖向位移

图9 两隧道相继开挖引起不同深度处土体的竖向位移

随着平行隧道盾构施工，不同深度、不同位置处土体的隆沉规律不同，靠近隧道位置处土体受施工扰动比较敏感，远离隧道位置处土体扰动相对较小．因此，随着城市地下构筑物日趋增多和地下管线错综复杂，盾构施工时应根据不同位置、不同深度处隆沉规律进行重点监测，避免仅局限于地表沉降的观测，忽略施工对不同深度土层的扰动影响．

2.4 不同注浆压力对地表沉降的影响

图10为平行隧道在不同注浆压力下地表横断面的沉降曲线，可以看出，当注浆压力分别为 0.35，0.40，0.45 MPa时，对应的地表最大沉降量分别为94.7，86.7，79.2 mm．表明随着隧道注浆压力的增大，地表沉降最大值逐渐减小．在实际施工过程中应注意及时注浆并保证注浆量，避免由于掘进过程中盾尾前行土体与衬砌之间间隙暴露时间过长而导致的地表沉降．

图10 平行隧道开挖引起考察面处地表土体的竖向位移

3 结 论

本文针对天津地铁 3号线某区段隧道施工进行了数值模拟，研究了软土地层小间距平行隧道盾构施工过程中不同深度处地层的变形规律，主要得到以下结论．

(1)单线隧道的开挖影响范围对于隧道轴线两侧5 D左右影响较大，5 D以外土体基本不受盾构掘进的影响；当掘进面远离2.5 D左右时，考察面位置土体基本不受盾构掘进的影响；后行隧道的施工对平行隧道中间的土体产生二次扰动效应，使两隧道中间地层竖向位移增大．

(2)随着平行隧道盾构施工，不同深度、不同位置处土体的隆沉规律不同，靠近隧道位置处土体受施工扰动比较敏感，远离隧道位置处土体扰动相对较小；随着土体深度的增加，隧道下方土体的最大隆起量减小，隆起范围增大，隧道上方土体的最大沉降量增大，沉降影响范围减小．

(3)隧道的注浆压力对地表沉降有较大影响，注浆压力越大，地表沉降最大值越小，实际施工时，应选择合适的注浆压力，以控制隧道周边和地表土体变形．

［1］ 刘大刚，陶德敬，王明年. 地铁双隧道施工引起地表沉降及变形的随机预测方法[J]. 岩土力学，2008，29(12)： 3422-3426.

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［3］ 姜忻良，崔 亦，李 园，等. 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟[J]. 岩土力学，2005，26(10)：1612-1616.

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Influence of Small Spacing Parallel Shield Tunneling of Tianjin Soft Soil Area on Ground Settlement

TU Chuan，ZHANG Jian-xin
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

With the observed data analysis of ground settlement and the numerical simulation of ABAQUS the influence of the construction of small spacing parallel tunnels on ground settlement in a certain section construction of Tianjin subway line 3 has been studied. The results are as follows: the transverse ground settlement induced by the separate excavation of preceding tunnel is similar to that by the Peck formula and the ground settlement in the axial line of preceding tunnel shows that it is the largest which is gradually deceasing far from the axial line; the construction of subsequent tunnel produces the secondary disturbance to the soil between the two parallel tunnels and then the vertical displacement amounts to the maximum value; the settlement and influence scope are both various with the different soil depths; the disturbance of shield construction becomes heavier when the soil is closer to the tunnel axial line; the larger the grouting pressure is the smaller the depth of settling tank is. The above-mentioned studies can be used as a reference to the construction of small spacing tunnel engineering.

soft soil area；small spacing；shield construction；ground settlement

U455.43

A

2095-719X(2015)06-0400-04

2014-12-15；

2015-01-19

涂 川（1989—），男，河南信阳人，天津城建大学硕士生.