叠落盾构隧道施工影响下地层及先行隧道变形分析

吴银柱 章与非

(长春工程学院,吉林 长春130000)

21世纪是地下空间开发利用的世纪，地下铁道、地下建（构）筑物、公路隧道等地下工程的开发建设满足了人类生活的各种需求。随着地下工程技术的逐渐成熟，地下空间的利用率越来越高，因此地下工程的建设将面临地下空间狭小所带来的挑战，特别是城市地铁的建设中，有关地铁隧道的长距离完全重叠的工程也越来越常见。叠落盾构隧道的施工对土体及临近建（构）筑物影响大，两条隧道先后施工使得地层及结构的受力变形尤为复杂。故为保证地铁隧道的施工安全，降低周边环境的风险等级，研究叠落盾构隧道施工对周边地表及先行隧道的变形影响十分必要。

近年来，国内学者针对叠落隧道施工的地层及先行隧道变形问题进行了研究并取得了成果。于立群[1]通过模糊故障树理论，计算了叠落隧道施工时既有隧道发生事故的概率及重要程度，并对此进行分析排序；杨康[2]采用数值模拟分析的方法，研究了三个不同叠落区间上层盾构隧道施工产生的影响，认为完全叠落段隧道施工产生的影响要大于斜向叠落段隧道施工，并且叠落隧道净距越小产生的叠加效应越大；李兆平[3]通过研究发现，在叠落隧道之间土体进行注浆加固及在下层隧道内架设型钢支撑等措施，能够有效降低上层隧道开挖的影响。

本文以某地铁叠落盾构隧道工程为依托，针对本工程地质条件差、叠落隧道净距小、隧道结构受力复杂等工程难点，利用Midas GTS NX建立三维有限元模型，进行数值模拟分析，研究叠落区间上行盾构隧道施工对周边地层及下行已成型隧道的变形影响，以期为相关类似工程提供经验。

1 工程概况

某地铁出场线盾构工程，出场线右线隧道CDK0+461.379～CDK0+585.714 与地铁正线左线隧道为长距离完全叠落区间，叠落区间长度约为140m，最小净距为4.48 m，两条隧道穿越土层为淤泥质土，隧道位置图如图1所示。盾构采用土压平衡盾构机，外径为6000mm，内径为5400mm，管片衬砌厚度为300mm，环宽为1500mm。盾构施工时，先掘进下行隧道（正线左线隧道），待下行隧道成型后掘进上行隧道（出场线右线隧道）。

图1 隧道位置图

盾构隧道穿越主要土层为淤泥质土，因此为保证地铁盾构隧道的施工安全、控制地层及下行隧道的变形，在盾构施工时应注意控制盾构掘进及注浆参数，及时盾尾注浆，除此之外还要在盾构施工前对叠落区间隧道土体采用三轴搅拌桩满堂加固，加固范围为隧道平面外3m，隧道拱腰上1m，纵向加固至隧道底稳定地层0.5 m，三轴搅拌桩直径为850mm，咬合布置。如搅拌桩加固位置图2所示。

图2 搅拌桩加固位置图

2 模型计算及参数选取

本文利用三维有限元软件Midas GTS NX建立三维模型，进行叠落区间上行盾构隧道的施工阶段模拟，分析上行隧道施工引起的地层沉降及下行隧道变形。

由于本工程对软弱土层淤泥质土进行了加固处理，提高了土的强度，改变了原土层的力学参数，故在进行三维模型创建时需考虑加固后的土体参数。针对三轴搅拌桩加固的土体参数取值问题，笔者查阅大量文献并结合本工程的土层特点，最终采用刘庆茶[4]在《关于水泥搅拌桩对淤泥质土体土工参数的影响》中的公式进行土体参数换算。但因现场人工、温度及养护时间等条件的影响，无法完全达到公式换算所得到的理论数值，故此地层应符合动态化施工设计的原则，根据现场取样随时调整盾构施工的设计参数，以保证施工安全。因此，在建立有限元模型时，加固区域土层采用的土体参数是在公式换算的基础上的经验取值。结合地勘报告和工程实际情况，将本工程地层进行简化分析，隧道施工影响范围地层共分为5层，各土层参数取值见表1。

表1 土体物理力学参数

为控制边界效应带来的影响，模型尺寸为142m（X）×142m（Y）×56m（Z），共划分194211个网格单元，106606个节点。模型土层采用修正摩尔库伦准则为地层屈服准则，盾构机盾壳、管片及同步注浆层采用弹性模型。模拟时考虑到管片接头所带来的影响，将管片衬砌的刚度折减20%[5]，管片弹性模量取34.8 GPa。注浆层厚度为0.15 m，在进行三维有限元模拟时，先将注浆层物理力学参数设置为地层力学参数，随着盾构机掘进深度增加，将注浆范围内地层改变为注浆力学属性。盾构机每步掘进尺寸为管片宽度（1.5 m），计算模型如图3所示。

图3 计算模型图

3 计算结果分析

3.1 叠落区间隧道盾构施工地层变形研究

地铁隧道盾构施工产生的地表沉降是由于隧道土体开挖卸载导致原始地应力场发生破坏，掌子面处应力发生变化，地应力场重分布所引起的[6]。本文以模型中间断面（Y=45m）处为研究断面，研究下行隧道先掘进开挖，上行隧道后掘进开挖的该断面地表沉降变化情况，并绘制地表沉降曲线图如图4所示。

由图4可知，后行隧道开挖与先行隧道开挖发生扰动叠加效应，地表沉降量呈叠加状态，两条隧道的沉降槽宽度变化值极小，沉降曲线呈抛物线形状，最大沉降点位于隧道中心处，先行隧道最大沉降量为6.8 mm，后行隧道最大沉降量为11.9 mm。

图4 地表沉降曲线图

3.2 下行隧道结构变形研究

因隧道叠落区间净距较小，上行隧道盾构掘进开挖致使周边地层发生扰动，进而导致下行隧道管片结构受力状态发生改变，故选取模型下行隧道管片结构进行受力分析。上行隧道叠落区间盾构施工结束时，下行隧道管片结构竖向受力变形云图如图5所示。

图5 下行隧道管片竖向变形云图

在模型中间断面处（Y=45m），取下行隧道拱顶及拱底处两点为监测点，研究上行隧道盾构施工过程时，下行隧道拱顶及拱底管片结构竖向位移变化，并绘制竖向位移变化曲线图如图6所示。

图6 下层隧道管片竖向位移变化曲线图

由图5，图6可知：

（1）上行隧道盾构掘进开挖卸载导致下行隧道最终竖向变形为正方向变形，即下行隧道发生不同程度的隆起。本工程叠落区间为完全叠落区间，故下行隧道竖向变形最大值位于两隧道最初重叠处（Y=0m）拱顶，最大竖向变形值为3.84 mm。

（2）因盾构掘进开挖使掌子面土体发生挤压，进而向下行隧道传递压力，在盾构推进至监测点前20m～30m时，监测点处管片拱顶及拱底均发生不同程度沉降，最大沉降值发生在上行隧道盾构推进至监测点前23m处，拱顶最大沉降值为0.24 mm。

（3）上行隧道盾构施工时，下行隧道变形曲线呈“勺”型分布，管片拱顶及拱底处均经历了沉降-隆起-稳定状态的三阶段变化。

（4）下行隧道管片拱顶处竖向位移大于拱底处。当上行隧道盾构施工至监测点前15m时，监测点处管片竖向变形发生剧烈变化。当上行隧道盾构掘进施工到达下行隧道监测点处正上方时，下行隧道竖向变形移值并未达到最大值。当上行隧道盾构施工通过下行隧道监测点约20m处时，下行隧道管片竖向变形值开始趋于平稳状态。最终监测点处管片最大竖向变形发生在拱顶处，最大竖向变形值为3.63 mm。

4 结论

本文采用Midas GTS NX有限元分析软件对某地铁工程出场线盾构区间段叠落盾构隧道施工进行三维数值模拟，分析了叠落区间上行盾构隧道施工对周边地层及下行已成型隧道的变形影响，得出结论如下：

4.1 通过对长距离完全叠落区间盾构隧道的施工阶段模拟，得出叠落区间盾构隧道分别开挖会造成地表沉降量叠加，且叠加变形相对较大，但沉降槽宽度变化值极小。

4.2 上行盾构隧道开挖产生卸荷作用，导致下行隧道管片发生隆起，最大隆起点位于两隧道最初重叠处（Y=0m）下行隧道拱顶，变形值为3.84 mm，小于《城市轨道交通工程监测技术规范》中既有线隧道结构变形控制值5mm[7]，故应加强上行盾构隧道施工时监测频率，在变形值达到预警值时及时进行二次注浆等措施，以保证下行隧道结构安全。

4.3 以下行隧道某点为监测点，上行盾构隧道施工时，下行隧道竖向变形曲线呈“勺型”。当监测点前15m至监测点后20m区间内上行盾构隧道施工时，对下行隧道管片结构变形影响最大，故在上行隧道施工时，应在下行隧道相应处位置进行加固措施，以保证施工安全。