盾构隧道施工对在建明挖公路隧道变形的影响

张 翾，吕竟铭，王礼华，冯春蕾，史豪杰

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530000)

0 引言

城市建设的飞速发展使得中心地带的交通变得日益拥堵，地下轨道交通网络的发展成为解决这一问题的最佳途径[1]。随着大量地铁线路的修建，城市发展进程中不可避免地出现大量邻近在建隧道的工程施工，尤其是近年来新出现的明挖公路隧道与城市地铁隧道同期施工的工程案例，而邻近工程的施工建设必然会引起在建隧道围岩和结构应力状态的改变，尤其是在隧道结构存在如空洞、厚度不足、渗漏水等结构病害情况下，将会直接威胁其安全与正常使用，严重时甚至会造成人员伤亡及财产损失[2-4]。

许多学者对隧道邻近工程施工开展了相关的研究工作。吴兰婷等[5]对“先基坑后盾构、先盾构后基坑”等各种不同的工况进行分析计算，并得出明挖基坑与盾构隧道相互影响作用范围、大小。杜东阁[6]分析了邻近隧道的深基坑开挖过程中支护结构变形、内力及所受土压力的变化等规律。高书通[7]对4线交叠并行盾构隧道进行模拟，分析了上方和侧方隧道动态掘进过程中，下方既有隧道管片变形的规律。姚爱军等[8]研究了隔离桩在基坑开挖卸荷加载作用下对邻域既有地铁隧道的隔离保护效果。郑刚等[9]对基坑施工对坑外既有隧道变形影响规律进行了参数分析，结合不同规范变形控制标准，划分了不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下坑外既有隧道变形影响区。左殿军等[10-12]研究了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。孙庆等[13]分析在基坑底板浇注完成的情况下，盾构施工对基坑底板沉降及内力的影响。姚捷等[14]在刚度迁移原理的基础上，提出求解各施工步影响的沉降差值法，由单步增量求得相邻线路盾构施工对既有隧道影响全量。方勇等[15]考虑了盾构机与管片衬砌相互作用，分析得到了新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。综上所述，现有的研究多集中于邻近工程施工对已建隧道的影响分析,鲜有针对盾构隧道施工对在建明挖公路隧道结构变形影响的研究。明挖公路隧道断面尺寸通常较大，盾构隧道与明挖公路隧道同期施工相互影响显著，尤其是当盾构隧道邻近在建明挖隧道施工时影响机制尚不清楚。因此，开展盾构隧道邻近施工引起的在建明挖公路隧道变形规律研究十分必要。

本研究以深圳市公常路地铁区间隧道为研究背景，运用有限差分数值模拟方法，研究盾构隧道不同位置施工对在建明挖隧道的围护结构及周边土体变形影响，揭示盾构隧道邻近施工引起的在建明挖公路隧道结构变形规律，以期为类似工程的设计与施工提供借鉴和指导。

1 工程背景

深圳市公常路明挖公路隧道邻接深圳市地铁6号线支线，二者在延伸方向近似平行，现均处于在建状态，且公路隧道先于地铁工程施工。公路隧道采用明挖工法，为双向6车道公路隧道，隧道断面宽为29.0 m，高10.1 m，主体结构顶板厚1 300 mm，底板厚1 300 mm，侧墙厚1 200 mm。地铁6号线支线采用盾构法施工，盾构隧道外径为6.7 m，管片厚350 mm。通过综合考虑明挖公路隧道及盾构隧道设计施工等资料，选取图1所示剖面作为关键断面进行研究。为评估该断面不同位置关系明挖隧道与盾构隧道协同施工的影响情况，选取明挖隧道施作底板后，盾构隧道从右方邻侧施工进行数值分析。

图1 工程截面(单位:m)Fig.1 Cross-section of project(unit:m)

2 数值模拟方案

2.1 模型建立及参数选取

为评估盾构隧道施工对在建明挖公路隧道的影响，采用有限差分软件FLAC3D进行明挖隧道与盾构隧道施工过程模拟计算。为尽量消除模型边界效应对模拟结果的影响，土体模型尺寸竖向共取80 m，横向取206.7 m，建立数值模型如图2所示。模型前后左右为水平约束，底面为竖直约束，地表为自由边界。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

郑刚等[16]和赵宇松等[17]通过模型试验得出结论：Plastic-Hardening模型能够更为精确合理地反映实际工程及试验中岩土体状态的真实变化情况，能够更加合理预测基坑开挖或隧道施工所引起的土体变形。因此，本研究模型中土体采用FLAC3D中的Plastic-Hardening模型[18]进行模拟。土层分布简化情况及土体物理力学参数见表1，其中土体物理力学参数为室内土工试验及参照以往研究经验综合选取。模型中盾构隧道管片、地连墙、明挖隧道主体结构均采用线弹性混凝土材料进行模拟，弹性模量取33 GPa，泊松比取0.2。

表1 土体物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

2.2 计算方案设计

综合考虑明挖隧道埋深、周边环境发生变形或破坏的可能性等因素，明挖隧道所选断面其工程风险评估等级为一级。为确保明挖隧道及邻近盾构隧道的施工安全，为同类工程提供一定的参考，本研究通过控制盾构隧道与明挖公路隧道不同的平面位置关系，共设置24组工况。H为选取断面明挖隧道的开挖深度，本研究取18 m。数值模拟工况如图3所示。

图3 数值模拟工况示意图Fig.3 Schematic diagram of numerical simulation conditions

模型计算过程中考虑了明挖公路隧道的实际施工工序，共分为8个计算步骤，为探究盾构隧道邻侧施工对在建明挖公路隧道的最不利影响，当明挖隧道施工至第5步——明挖隧道底板浇注完成后，模拟盾构隧道在其同断面右侧通过。

3 数值模拟结果分析

3.1 计算结果与实测结果对比

为了验证数值模拟的可行性，选择典型部位的围护结构水平位移和地表沉降测点，将计算结果与实测结果进行对比。盾构隧道邻接明挖公路隧道施工前后，某一典型测点围护结构水平位移结果的对比如图4所示。其中阶段1表示明挖隧道底板施工完成，盾构隧道在该断面尚未穿过。阶段2表示明挖隧道底板施工完成，盾构隧道在从该断面右侧通过。图中负值表示地连墙变形方向朝向明挖隧道内侧。

图4 截面尺寸Fig.4 Section dimensions

明挖隧道底板施做完成后，地连墙整体朝向明挖隧道内侧水平移动，呈中间大，从中间向顶部与底部逐渐减小的特点。其中地连墙在隧道邻侧通过前最大实测水平变形值为22.59 mm，盾构隧道邻侧通过后地连墙最大实测水平位移仍出现在地连墙中部位置处，最大值为28.64 mm，增加了6.05 mm。数值模拟计算值与实测值在阶段1与阶段2的变形趋势基本吻合，且数值模拟结果较实测结果偏大，但在地面附近变形值略小于实测值，考虑到现场施工场地工程车辆荷载等扰动作用，可认为模拟结果与实测结果变形规律较为吻合。

盾构隧道从在建公路隧道右侧邻接施工完成后，因其开挖卸荷作用，明挖隧道同侧地表沉降增加。阶段1与阶段2明挖隧道右侧地表沉降值变化如表2所示。SDB31-1，SDB31-2，SDB31-3代表距离右侧围护结构边缘水平距离分别为2，5，10 m的地表沉降监测点。对比分析结果显示，地表沉降计算值与实测值变形趋势较为一致。各测点实测值均稍小于模拟计算值，当测点SDB31-2处于阶段2时，地表沉降数值模拟值与实测值相差最大为5.7 mm，相差幅度为21.5%。

表2 地表沉降计算值与实测值比较Tab.2 Comparison between calculated and measured surface settlement values

实测结果与数值模拟计算结果对比表明，塑性硬化模型能够较好模拟明挖隧道及盾构隧道施工过程的变形情况，文中所选取的参数较为合理。本研究将在此基础上，进一步探究盾构隧道不同位置施工对在建明挖隧道的围护结构及周边土体的变形影响。

3.2 不同间距和埋深条件下的影响规律

3.2.1 不同间距条件下的影响规律

(1)不同间距条件下地表沉降

盾构隧道邻侧通过在建明挖隧道后，各工况下明挖隧道右侧(盾构隧道同侧)地表沉降曲线如图5所示。盾构隧道相同埋深时地表最大沉降值变化曲线如图6所示。为使得叙述更加简便，本小节及后文中，用字母“L”表示盾构隧道中心距离明挖隧道围护结构的水平距离。

图5 不同间距条件下地表沉降曲线Fig.5 Surface settlement curves under different spacing conditions

图6 不同间距条件下地表最大沉降值变化曲线Fig.6 Variation curves of maximum surface settlement under different spacing conditions

当盾构隧道埋深为9 m，18 m时，随着L逐渐增大，最大地表沉降值逐渐减小，且减小速率逐渐降低。当盾构隧道埋深为27 m，36 m时，随着L逐渐增大，最大地表沉降值呈线性逐渐减小。盾构隧道埋深为9 m时，在工况1地表取得最大沉降值，其值为58.59 mm，维护结构右侧地表出现不规则的沉降槽。当L取值在6～12 m，地表沉降槽为单峰，随着L逐渐增大，沉降槽深度减小，宽度增加，且最大峰值向右逐渐偏移；当L取值在18～36 m时，地表沉降槽为双峰，随着L逐渐增大，沉降槽最大峰值向右逐渐偏移，且始终与盾构隧道中心轴线处近似重合。文献[19]通过理论推导和实测数据分析，得到当双线隧道近距离施工时引起的地表沉降呈“U”型，而当双线隧道远距离施工时引起的地表沉降呈“W”型的结论，与本研究结果一致。沉降槽呈现出单峰和双峰的特征与双线盾构隧道的间距密切相关。这是由双线隧道施工叠加效应导致的，当双线隧道近距离施工时两者互相影响严重，一条隧道施工处于另一条影响范围之内，导致较大的叠加地表沉降，最终形成单峰型地表沉降结果；当双线隧道远距离施工时两者互相影响较弱，而造成双峰型地表沉降结果。

盾构隧道埋深为18，27，36 m时，相应埋深工况地表最大沉降值分别为41.30，27.15，24.23 mm。随着L取值不断增大，地表沉降槽峰值位置较为稳定，均位于距离围护结构水平距离7～9 m处。

(2)不同间距条件下围护结构水平位移

各工况下明挖隧道右侧围护结构水平位移曲线如图7所示，盾构隧道相同埋深时围护结构最大水平位值变化曲线如图8所示。负值表示围护结构水平位移方向朝向明挖隧道内侧。

图7 围护结构水平位移曲线Fig.7 Horizontal displacement curves of enclosure structure

图8 围护结构最大水平位移值变化曲线Fig.8 Variation curves of maximum horizontal displacement of enclosure structure

各工况下盾构隧道邻侧通过在建明挖隧道后，围护结构总体朝向明挖隧道内侧偏移，盾构隧道埋深一定时，L越大，围护结构产生的水平位移增量越小，说明随着盾构隧道距离在建明挖隧道距离越远，对其围护结构的扰动作用逐渐减弱。当盾构隧道埋深分别为9，18，27，36 m时，围护结构水平位移的最大峰值均出现在L等于6 m时，分别为38.76，40.08，29.87，26.57 mm。盾构隧道埋深等于36 m时，对应工况下围护结构变形曲线基本重合，围护结构最大水平位移值变化趋于稳定，可以认为盾构隧道埋深超过该深度范围，施工对于在建明挖隧道围护结构水平位移的影响可忽略不计。

3.2.2 不同埋深条件下的影响规律

(1)不同埋深条件下地表沉降

当水平间距L相等时，各工况下明挖隧道右侧地表沉降曲线如图9所示。地表最大沉降值的变化曲线如图10所示。当L在不同工况中分别取固定值时，随着盾构隧道埋深增加，地表最大沉降值逐渐减小，且减小速率不断降低，表明盾构隧道邻侧通过明挖隧道，地表最大附加沉降值随盾构隧道埋深增加不断衰减。

图9 不同埋深条件下地表沉降曲线Fig.9 Surface settlement curves under different burial depth conditions

图10 不同埋深条件下地表最大沉降值变化曲线Fig.10 Variation curves of maximum surface settlement under different burial depth conditions

L取值范围在6～24 m范围内且分别为定值时，随着盾构隧道埋深增加，维护结构右侧地表沉降槽的宽度及深度均呈现不同程度减小，盾构埋深由9 m增加至18 m时减小幅度最为明显，由18 m增加至27 m时次之。当L取值等于36 m时，地表沉降曲线以图9(f)中所示虚线为界分为左右两个部分，分界线左侧各工况地表沉降曲线近似重合，几乎不受盾构隧道埋深的影响；分界线右侧地表沉降曲线对称性较好，与盾构隧道不同埋深单独施工所产生的沉降槽有着较好的拟合性。由此可认为：当L的取值大于2倍明挖隧道开挖深度(36 m)时，盾构隧道侧方施工对在建明挖隧道地表沉降的扰动作用几乎可以忽略；当盾构隧道埋深为36 m时，地表最大沉降值随L变化趋于稳定，L由6 m增加至36 m，最大地表沉降值由24.23 mm减少到21.04 mm。

(2)不同埋深条件下围护结构水平位移

L相等时，各工况明挖隧道右侧围护结构水平位移曲线如图11所示。L取值为6 m时，随着盾构隧道埋深增加，围护结构最大水平位移值先增大后减小，当盾构隧道埋深为18 m时取得最大值40.08 mm。L取值分别为9，12，18，24 m时，随着盾构隧道的埋深增加，围护结构最大水平位移值不断减小，且在不同埋深梯度范围变化速率相差较大，其中当盾构隧道埋深由18 m增加至27 m时，围护结构最大水平位移值减小速率最大。当L增加至36 m时，各埋深工况下围护结构变形曲线基本重合，围护结构所产生的水平位移增量均可忽略不计，可认为当L的取值范围大于2倍明挖隧道的开挖深度时，盾构隧道侧方施工对在建明挖隧道围护结构的扰动作用可以忽略。

4 结论

本研究以深圳市公常路盾构区间隧道近接明挖公路隧道施工为研究背景，利用FLAC3D进行数值模拟分析，研究盾构隧道不同位置施工对在建明挖隧道的围护结构及周边土体变形影响。主要得到如下结论：

(1)盾构隧道埋深一定时，随着水平间距逐渐增加，最大地表沉降值和围护结构最大水平变形值逐渐减小。当水平间距的取值大于2倍明挖隧道开挖深度时，该地层环境下盾构隧道侧方施工对在建明挖隧道地表沉降以及围护结构的扰动作用几乎可以忽略。

图11 围护结构水平位移曲线Fig. 11 Horizontal displacement curves of enclosure structure

(2)水平间距一定时，随着盾构隧道埋深增加，地表最大沉降值逐渐减小。围护结构整体朝向明挖隧道内侧偏移，其最大峰值出现在不同埋深处。当盾构隧道埋深超过36 m时，对应工况下围护结构变形曲线与地表沉降曲线基本重合。

(3)水平间距或盾构隧道埋深值大于2倍明挖隧道开挖深度范围时，盾构隧道邻侧施工对在建明挖隧道的影响微弱，后续研究建议选取适当的变形控制标准，提出盾构隧道邻侧施工对在建明挖隧道变形影响区划分，从而在同类工程施工前对可产生的影响进行评估。