小净距隧道后行洞盾构推进中土体竖向位移研究

赵 勋

（河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

1 研究背景

随着我国城市化进程不断加快，道路交通基础设施大量涌现，尤其是隧道工程，一直保持较高的关注度。由于国内的道路交通基础设施建设多在城市浅层地表的软弱土层进行，让隧道施工的难度增加，使得实际工程中如果施工不当，便会导致地下水流失、地面塌陷等严重后果。与连拱隧道、分离隧道、高地应力隧道等其他类型隧道相比，小净距隧道施工工艺更简单，造价更低，尤其在城市软弱土层条件下，小净距隧道施工优势更加明显[1]，更应大力推广小净距隧道。

对此，学者们对小净距隧道施工问题进行了大量研究。王振田[2]通过数值模拟，对小净距隧道开挖时的地表沉降和土体应力进行了分析，分析结果表明：后行隧道施工会加大先行隧道的沉降量；Jin D L等[3]以深圳地铁隧道为背景，开展了三维数值模拟分析和新旧隧道的相互扰动分析，分析认为：采用水平推进分段注浆技术，能有效减少后行隧道的扰动；陈光杨等[4]运用Midas GTS 软件对浅埋暗挖隧道引起的拱顶沉降和地表沉降的规律进行了分析，结果表明：不同加固方法会对沉降产生不同影响；王松等[5]运用Midas GTS 软件，结合实测数据，对不同净距条件下地铁隧道施工引起的地表沉降进行了分析，提出采用“深孔注浆+径向注浆加固”的方法，能有效控制地表沉降；赵乙丁等[6]运用Abaqus软件，对不同净距条件下盾构隧道施工相互影响规律进行了分析，分析认为：净距与地表沉降槽宽度呈正相关；付钊等[7]运用Abaqus 软件，对浅覆软弱土层中小净距盾构隧道施工进行了数值模拟分析，总结了多线隧道开挖的不同顺序对隧道管片变形产生的影响。

以上研究多集中于城市地铁隧道，而对于隧道周边土体位移随时间和空间的变化规律缺少施工全过程的有限元分析和系统总结，难以真实反映施工实际问题。对此，本文选取城市小净距双线盾构过江隧道为研究背景，运用有限元软件进行三维建模和分阶段模拟，力求真实地还原软弱土层盾构施工过程，并结合现场数据，对小净距隧道周边土体沉降的时间和空间分布规律进行了系统总结。

2 工程概况

本文以南京和燕路过江通道为背景，分析区域为北岸盾构隧道掘进始发段。该分析区域周边地势开阔，建筑物均已拆除，以软弱土层为主，具体分为6 个岩土层，岩土层分层及各层的土体力学性质特征见第118 页表1。隧道开挖截面及周边环境见第118 页图1。分左侧隧道、右侧隧道两个隧道，均为圆形截面，直径均为13.90 m，两个隧道的隧道中线间隔平均为21.27 m，隧道中心距地表16.25 m。隧道下穿一条河道，下穿河道段预先以回填黏土、预应力钢筋混凝土管及钢筋网填埋。隧道采取平行盾构开挖方式，为避免对周边岩土层产生过大的扰动，左侧隧道开挖先于右侧隧道，左侧隧道开挖20 m后右侧隧道开挖。两个隧道均采用统一型号的盾构机掘进，盾构机长度为150 m，后续衬砌管片材料为C60 混凝土，衬砌管片每环长度为2 m，采用通用楔形环错缝拼装铺设。

图1 隧道开挖截面及周边环境图

表1 岩土层分层及各层的土体力学性质特征表

3 数值模拟

3.1 模型建立

运用岩土有限元数值模拟软件Midas GTS，选取左侧隧道ZK4 km+635 m～ZK4 km+660 m 段及右侧隧道YK4 km+650 m～YK4 km+675 m 段（长度为24 m）为对象开展研究。图2 为隧道立体模型图。由图2 可知模型尺寸，整体地下水深2.75 m，距隧道开挖截面6 m。盾构机通过后，随即布置锚杆，锚杆长4 m，间隔2 m，每个截面布置14 根。研究区长度超过两侧隧道直径之和的3.5倍，高度超过隧道直径的2倍，通过试算可知，研究模型尺寸可消除边界效应影响，故模型边界划分合理。

图2 隧道立体模型图

3.2 参数设置

土体采用摩尔-库伦准则进行计算分析，并按实际情况分为6层，设置用于数值模拟的结构模型参数，其材料力学属性见第119 页表2。

表2 用于数值模拟的结构模型参数材料力学属性

3.3 测点布置

测量分为地表沉降监测、隧道拱顶沉降监测。地表沉降监测在隧道施工上方地表进行，一共设置9 个测点，见第119 页图3-a；隧道拱顶沉降监测在隧道开挖截面内进行，通过在隧道顶部设置1 个反射片，定期测绘收集数据，按照工程要求，盾构机每开挖10 m 进行1 次测量，见第119 页图3-b。

图3 沉降测点布置示意图

4 模拟结果

4.1 竖向位移结果分析

选取有限元分析结果z 方向的竖向位移进行后处理，隧道开挖竖向位移云图见第119 页图4。

左侧隧道开挖至后行隧道开挖2 环时的累计位移见图4-a，在此期间隆起土体占比由31.3%持续降至28.8%，且位于距隧道7 m 以外位置和左侧隧道拱底，隆起最大值位于左侧隧道底部，隆起高度为30.85 mm；沉降土体占比由69.7%升至71.2%，其中隧道拱顶至正上方地表的土体的沉降值普遍大于其他沉降土体11～14 mm；沉降最大值持续增至35.85 mm，位于左侧隧道拱顶，拱顶沉降和正上方地表沉降数值差值率控制在6%，可认为两者数值接近。

两侧盾构机通过时的位移见图4-b，在后行隧道开挖至两侧盾构机通过期间，由于右侧隧道开挖，造成右侧隧道拱顶至正上方区域，出现类似于左侧隧道的较大沉降，同时底部土体也出现较大隆起；隆起土体比例再次升高，达77.6%，其中46.7%隆起数值不足10 mm，满足工程要求；隆起最大值位于右侧隧道底部，隆起高度为39.50 mm；沉降土体占比为22.4%，位于左侧隧道拱顶的沉降最大值下降至27.27 mm。

图4 隧道开挖竖向位移云图

左侧隧道管片铺设5 环时的位移见图4-c，在左侧隧道管片铺设期间，隆起土体占比下降至63.3%，隆起最大值位于左侧隧道底部，隆起高度为51.97mm；沉降土体占比上升至36.7%，沉降最大值仍位于左侧隧道顶部，数值出现回升，为30.21mm。

全部管片铺设完成时的位移见图4-d，在右侧隧道管片铺设期间，隆起土体占比上升至69.9%，隆起最大值位于右侧隧道底部，隆起高度为80.60 mm；沉降土体占比下降至30.1%，沉降最大值仍位于左侧隧道顶部，数值下降至16.79 mm。

综合数值模拟过程可以得知：距离隧道大于7 m的土体的隆起和沉降，受隧道施工影响较小，而更多地受地下水影响；后行隧道开挖、先行隧道开始管片铺设期间，隧道拱顶沉降的最大值分别为35.85 mm 和30.21 mm，略超过实际施工的允许沉降值30 mm，但持续时间较短，影响可忽略不计；底部隆起高度数值不断增大，至全部管片铺设完成时达到80.60 mm，可能引发管片上浮问题，建议在盾构机掘进同时加大喷混量；后行隧道施工存在对先行隧道的扰动，但因为先行隧道上方地表二次沉降不超过其直径的1.5%，所以可认为地表沉降控制在合理范围内。

4.2 数值对比分析

将施工阶段相应测点位置有限元分析数据与相应日期实测数据进行匹配，对比内容为起始面地表沉降分布，以及地表沉降和隧道拱顶沉降变化的时间序列。土体沉降有限元分析数据和实测数据对比见图5。

盾构机起始截面地表沉降值的时序分布曲线对比见图5-a，有限元分析数据和实测数据的地表沉降最终数值，均呈现从左至右沉降量“先增加后降低”的漏斗状特征，影响范围不超过隧道直径的3倍，有限元分析数据在-14.53～2.20 mm 之间，实测数据则在-19.59～-2.42 mm 之间，两者差值在1.33～8.59 mm之间。造成有限元分析数据整体略小于实测数据的原因，是由于实际施工过程中，隧道上方地表进行了地坪浇筑，导致地表加速下沉所致。

图5 土体沉降有限元分析数据和实测数据对比图

左行隧道起始截面正上方测点数据的时序分布曲线对比见图5-b。由5-b 图可知，两者中间部分的土体沉降分布特征相同，即土体随隧道开挖，呈现“先沉降后回弹”的时序分布特征，有限元分析数据的最大沉降值为23.88 mm，实测最大沉降值为19.24 mm，小于施工警戒值30 mm，均满足施工要求。不同之处在于，实测数据受地表道路硬化施工影响，在后期隧道管片铺设时出现加速沉降的现象。而数值模拟中岩土体完全满足摩尔-库伦模型，而这又与实际工况存在差别。

左行隧道拱顶沉降的时序分布曲线对比见图5-c。由图5-c 可知，有限元分析数据中的拱顶沉降数值分布特征，与地表沉降数值相同；另外，因为未受硬化影响，所以土体在隧道开挖后期未出现加速沉降；实际工程拱顶沉降值不超过12.35 mm，有限元分析数据显示隧道大部分数据沉降值在施工警戒值30 mm 以下；受后行隧道开挖扰动影响，4月1 日至4 月3 日左侧隧道拱顶沉降较大，略超出工程30 mm 警戒值，但最大沉降值不超过警戒值6 mm，且远低于施工不超过1.5%隧道直径的要求，可认为后行隧道施工扰动造成的土体沉降，已控制在合理范围内。

综上，结合有限元分析数据和施工现场实测数据可以推断，影响隧道周边土体沉降的因素有以下3 点：一是隧道施工扰动与结构刚度；二是临近隧道施工引起的侧卸荷偏压、管片自重对土体的挤压；三是盾构机的移动和对土体的挤压。有限元分析数据显示，加装锚杆后，地表沉降和拱顶沉降相比前一阶段均下降超过13.5 mm，证明加装抗浮锚杆和注浆可有效解决上述问题。

5 结论

本文利用岩土有限元数值模拟软件Midas GTS，结合实测数据，对南京和燕路过江通道的北岸盾构隧道掘进始发段周边土体竖向位移规律进行了研究，得出如下结论。一是地下水位高于隧道开挖截面时，隧道起始截面地表沉降分布规律呈漏斗状。受地表硬化和临时加固措施影响，数值模拟有限元分析数据的开挖截面沉降值的总体分布小于实测数据3～6 mm，两者最大沉降量均小于20 mm，符合施工要求。二是至研究区隧道建设完成时，先行隧道的地表沉降和拱顶沉降数值分别为-6.60 mm 和-16.79 mm。数据时序分布曲线对比表明：在软土压力作用下，隧道拱顶至正上方地表土体，呈现“先沉降后回弹”的时序分布特征；后行隧道施工产生的扰动，使得先行隧道拱顶土体沉降超过30 mm，但持续时间不超过2 d，符合工程要求。三是隧道周边土体沉降受施工扰动、结构刚度、侧卸荷偏压、管片自重的挤压作用、盾构机移动等因素影响，应及时加装抗浮锚杆和采取同步注浆等手段。两侧隧道底部土体持续隆起，隆起最大值超过75 mm，易产生盾构管片上浮问题，需及时进行盾尾处注浆。四是本文缺乏施工临时加固模拟的研究，此后将针对上述问题作进一步研究。