复杂地层长距离叠落大盾构隧道设计分析

刘建槟

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着城市地下道路的不断推广，大直径盾构的应用越来越普遍。目前，国内已有不少大直径盾构下穿既有隧道工程，以及轨道交通叠落并行的案例[1-4]。但大直径盾构长距离叠落并行的工程案例，国内未见。本文依据实际工程对叠落并行大直径盾构隧道进行分析研究。

1 工程概况

珠海兴业路（南段）勘察设计工程香宁一街段红线宽度较窄，两侧建筑物密集，管线众多。为保证周边建筑物的安全以及不中断交通，主线和匝道隧道均采用盾构法施工，主线盾构隧道外径15.2m，内径13.9m，管片厚650mm，环宽2m。匝道盾构隧道外径11.36m，内径10.4m，管片厚480mm，环宽1.5m。

主线盾构与匝道盾构由北至南先后叠落掘进，叠落长度604m，两条盾构最终先后在板樟山工作井中接收。匝道盾构隧道覆土为5.8~13.5m，最小曲线半径约600m，最大纵坡为4%。主线盾构隧道叠落段覆土为27.0~36.5m，最小曲线半径约600m，最大纵坡为4%。匝道盾构隧道距离建筑物的平面最小距离为3m。叠落盾构段平面布置图如图1所示，剖面图如图2所示。

2 工程地质及水文情况

图1 叠落盾构段平面布置图

图2 叠落盾构段剖面图（单位：m）

板樟山工作井到柠溪路工作井之间地势总体呈北低南高，地质起伏较大，南侧岩层较厚，往北岩层厚度逐渐减小。匝道盾构主要穿越②2粉质黏土、④砾质黏性土，南侧局部穿越⑤4微风化花岗岩。主线盾构主要穿越⑤2强风化花岗岩、⑤3中风化花岗岩，南侧局部穿越⑤4微风化花岗岩。叠落盾构段地质纵断面图如图3所示。

盾构穿越断面土层性质如下：

图3 叠落盾构段地质纵断面图

②2粉质黏土：褐黄~灰褐色，饱和，可塑，干强度及韧性中等，局部不均匀混约5%~10%的石英砂。④砾质黏性土：灰白~褐红色，饱和，硬塑，为花岗岩风化残积土，矿物组分主要为黏土和少量石英，岩芯浸水易软化、崩解。⑤1全风化花岗岩：饱和，岩芯土柱状，坚硬，原岩风化剧烈，矿物组分主要为黏土和少量石英、长石碎屑、云母，岩芯浸水易软化、崩解。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。⑤2强风化花岗岩：矿物组分主要为黏土、石英、长石碎屑和少量云母，岩石为软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。⑤3中风化花岗岩：节理裂隙发育，岩石为较软～较硬岩，岩体较破碎～较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ类。⑤4微风化花岗岩：偶见少量节理裂隙，岩石为较硬岩，岩体较破碎～较完整，岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅲ类。盾构隧道断面范围内的中、微风化花岗岩石英含量占30%~38%，长石含量占60~67%，岩石单轴抗压强度为25.30～131MPa。盾构进入微风化岩层的长度约80m，隧道在坚硬岩中穿行，刀具加速磨损，掘进速度比较慢。

工程勘察期间稳定水位埋深平均值2.8m，②1粗砂、②4粗砂层属强透水层，②4粗砂层具微承压性，其余各土（岩）层均属微～弱透水层，富水性差。基岩裂隙水主要是花岗岩各风化带裂隙水，且强风化~中风化带是主要储水层段，花岗岩风化层有较好的水力联系。

3 案例调研

目前，国内盾构隧道上下叠落的案例主要集中在城市用地紧张的轨道交通领域，见表1。

叠落隧道都是先掘进下部隧道，后掘进上部隧道，先后掘进间距为100~200m。盾构隧道叠落的竖向净距与控制掘进的地层情况密切相关。软土地层中，叠落隧道的竖向净距在条件允许情况下应尽量拉大。国内上下盾构隧道的最小净距在2~3m左右，且先行盾构掘进时皆对后行隧道区域进行加固，减小后行盾构对已建隧道的影响。

表1 盾构隧道上下叠落案例

4 设计分析

4.1 抗浮分析

大直径盾构隧道管片的局部上浮会造成管片间的错台、纵向连接螺栓受剪、管片裂缝的产生、管片防水结构的破坏等。

匝道盾构掘进时，对主线隧道而言，上部土体卸载，隧道管片存在上浮的可能性。当上下盾构隧道的净距较小时，应对盾构之间的土体进行主动注浆加固，既减小后行盾构对已建隧道的影响，也满足上下盾构整体抗浮的要求。

为减少主动注浆量，以及减小匝道盾构与主线隧道的相互影响，采用局部抗浮计算方法验算主线隧道的抗浮要求。

抗浮分析时，不考虑上覆土体的侧向剪切阻力，仅考虑主线隧道直径范围内、匝道隧道轴线下方土体的自重P以及管片本身的自重G和π型件等的自重Gπ。假设单位长度上管片所受浮力为F浮，隧道间净距为d，土体浮容重为γ'，管片重度为γc，建立力学模型，如图4所示。

式中：G为管片自重，kN/m3；γc为管片重度，kN/m3；P为主线隧道直线范围内、匝道隧道轴线下方土体自重，kN/m3；γ'为土体浮容量，kN/m3；d为遂道间净距，m。

施工期间的管片抗浮分项系数取1.1，则：

计算得d≥7.5m。

图4 主线隧道抗浮计算力学模型

4.2 不同隧道净距影响分析

该工程所处场地地层分布自上而下为：①填筑土、②2粉质黏土、④砾质黏性土、⑤1全风化花岗岩、⑤2强风化花岗岩、⑤3中风化花岗岩、⑤4微风化花岗岩，各土层物理力学参数见表2。土体采用硬化模型进行计算，隧道衬砌采用板弹性模型进行模拟，盾构推进地层损失率采用0.3%。根据“先下后上，先大后小”的原则，采用先实施主线盾构，后实施匝道盾构的施工顺序，以此减小施工风险，保证隧道结构及周边建构筑物的安全。

表2 土层物理力学参数

采用PLAXIS2D研究叠落盾构隧道的净距为1.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m、10.5m、12m时，匝道盾构掘进对主线盾构的影响。图5所示为不同盾构净距的土体总位移云图。

由土体位移云图可知，匝道隧道掘进引起的土体变形范围在水平轴线处最小，往地表呈喇叭形扩大，在主线隧道周边产生突变。隧道净距越小，主线隧道变形影响越大，变形最大值发生在隧道顶，呈隆起状态。

根据主线隧道顶的位移随隧道净距变化情况绘制曲线如图6所示。隧道顶的变形随净距的减小呈指数型增加，假设隧道间净距为x，主线隧道顶的变形为y，曲线函数拟合为：

图5 不同隧道净距的土体总位移云图

图6 主线隧道顶位移随隧道净距变化曲线

当隧道净距为1.5m时，主线隧道顶的位移值达到7.3mm。当隧道净距为7.5m时，位移值减小为1.8mm，隧道净距在7.5m以上时，变形减小较为缓慢。

4.3 三维数值分析

4.3.1 有限元建模计算

为模拟盾构开挖对周边土体以及结构的影响，采用Plaxis3D有限元软件进行模型的建立与计算。本模型长宽高分别为300m、230m、70m。土体采用硬化模型，建筑物采用线弹性模型，隧道衬砌采用板弹性模型进行模拟，先开挖主线隧道，后开匝道隧道，盾构推进地层损失率采用0.3%。土体参数取值见表2，整体模型如图7所示。

4.3.2 计算结果分析

如图8（a）所示，在主线盾构隧道掘进后，土体最大沉降出现在隧道结构上方，最大值为26.9mm。受主线掘进的影响，隧道周围建筑物也出现了不同程度的变形，最大沉降达到了12.2mm，且建筑物的沉降变形随其与隧道的水平净距的增大逐渐减小。由图8（b）可知，匝道盾构隧道的掘进，对主线隧道影响明显，隧道上方土体的沉降相比之前减小了7.8%，为24.8mm。土体整体上仍是沉降变形，周边建筑物的变形由于土体的开挖有所增加，达到了13.4mm。

图7 有限元计算模型

图8 盾构掘进后土体竖向位移云图

如图9所示，主线隧道掘进完成后，主线衬砌顶部发生了沉降变形，最大沉降为26.8mm。主线衬砌底部位于中风化岩层中，最大隆起变形较小，为1.5mm。在匝道隧道掘进完成后，主线衬砌顶部沉降减小至24.9mm，底部隆起更加明显，增加至2.7mm，这是因为上部匝道隧道掘进后，主线隧道上部的压力减小，使主线隧道产生向上的变形。

图9 盾构掘进后主线衬砌竖向位移云图

如图10所示，主线盾构掘进完成后，衬砌结构最大弯矩为780.3kN·m，发生在衬砌顶部位置，而最小弯矩为696.9kN·m，发生在衬砌的腰部；当匝道盾构掘进完成后，由于衬砌上方土体的开挖卸荷，衬砌弯矩出现了明显的减小，衬砌顶部的最大弯矩减小至102.2kN·m，顶部的弯矩为93.29kN·m。管片内力是一个动态的重分布问题，特别是螺栓的受力具有不确定性。

图10 盾构掘进后主线衬砌弯矩云图

5 工程措施

匝道隧道掘进后，主线隧道上部土体卸载，根据理论计算，对主线隧道管片有利。但是，这是一个动态的应力重分布以及附加变形的问题，具有不确定性。匝道盾构施工时会对土体进行扰动，产生附加应力，将对主线隧道结构产生一定影响。

（1）主线隧道管片上增设注浆孔，增加二次注浆的点数。当主线隧道变形较大时，应及时进行二次注浆，并确保注浆效果。

（2）管片上设置剪力销，加强抵抗管片错台的能力，减少管片的变形。

（3）匝道盾构施工时，需密切关注盾构推力、扭矩等施工参数，保证开挖面压力合理、稳定，盾构姿态良好，掘进速度平稳，减少对下方主线盾构的扰动。

（4）设置试验段。根据主线隧道变形监测数据调整盾构推进参数，最大限度的减小盾构施工影响。

（5）在主线盾构内采用临时支撑，如移动台车支护或钢支撑架等对主线隧道结构进行保护。

（6）增加监测频率，通过主线隧道内部设置结构应力、应变及变形监测，确保主线隧道结构处于安全状态。

6 结 论

本文通过对复杂地层长距离叠落大盾构隧道进行设计分析，得出以下结论：

（1）叠落隧道的竖向净距应综合地质情况、抗浮及变形影响等，该工程叠落隧道的净距控制在0.5D（D为下部隧道的直径）是合适的。

（2）上部隧道掘进时，从理论计算分析而言，土体卸载，对主线隧道管片受力有利。匝道盾构隧道对主线隧道的影响应结合实际施工进行进一步的研究。

（3）上部隧道掘进前后管片的内力变化是一个动态的应力重分布以及附加变形的问题，具有不确定性。