超小净距盾构隧道施工对既有隧道变形分析★

吕启兵，董亚博，罗明福，金晓军，刘昊轩

(1.中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

0 引言

随着我国城市轨道交通建设蓬勃发展,地铁线网日益密集。截至2022年,中国大陆地区共有55个城市开通城市轨道交通运营线路308条,运营线路总长度10 287.45 km。其中,地铁运营线路8 008.17 km,占比77.84%。受到地下空间的限制,超小净距叠交隧道的情况越来越多[1-3]。超小净距盾构隧道有利于在复杂的地形情况下施工,但其施工过程极易诱发地层变形,当变形量过大时,将造成隧道开裂、地表塌陷等工程灾害,进而影响人民生命和财产安全。因此,开展超小净距盾构隧道施工变形特性研究是非常有必要的。

日本欧美等是隧道建设历史较长的国家,早在20世纪70年代初日本铁道技术学会就对平行隧道净距进行了研究,并发表了《关于平行隧道研究的报告》,指出当隧道净距为开挖洞径2倍时,则可将地层作为完全弹性体进行考虑,并对平行公路隧道及国铁单线隧道净距进行了规定。在国内,较早的朱敬民等提出了模拟岩石流变性的弹塑性模型,研究了双线隧道的相关问题[4]。王景春以某电站引水隧道为例,对深埋地层中小净距隧道合理中心距进行了研究。研究指出对地质条件、断面形状、既有隧道衬砌情况和施工方法等进行综合分析,尽量减小对围岩和隧道结构稳定性的不利影响[5-6]。然而,现有的研究主要集中在盾构施工对已有隧道沉降的预报和监测规律的总结上,而缺乏盾构施工对既有隧道的影响的分析和研究。因此研究后建地铁隧道掘进对邻近先建隧道的变形的影响,具有非常重要的实际意义。本文以超小净距隧道开挖工程为依托,运用数值模拟建立有限元模型,分析超小净距隧道施工对既有盾构隧道的影响,为今后类似的工程施工提供参考[7]。

1 工程概况

本文依托雄安新区至北京大兴国际机场快线工程金融岛站—第五组团站盾构区间,该区间线路长2 364.267 m,位于雄安新区核心区,盾构段从小里程端明挖区间东侧盾构井起,向东北转向下穿规划地块、绿地及规划河道后,在大里程端明挖区间西侧盾构井结束。工程总平面线路图如图1所示,向东沿规划道路下方敷设下穿干线综合管廊及市政道路后进入第五组团站。

该区间在建启动区的城市主干道项目某一段下穿,盾构区间隧道地质纵剖面图如图2所示。区间隧道洞身穿越地层以粉质黏土、黏质粉土、粉细砂为主,局部穿越地层为素填土。本区间段盾构隧道影响范围内的主要土层为粉质黏土层,水的质量分数介于21.8%～24.0%,呈可塑状态,经搅拌后具有一定的流动性和渗透性;粉土中水的质量分数介于20.2%～21.5%,呈密实状态,经搅拌后具有流动性和渗透性;粉细砂中水的质量分数介于17.8%～19.3%,呈密实状态,经搅拌后具有较好的流动性和渗透性。

区间隧道开挖从金融岛站工作井开始掘进,到第五组团站工作井。衬砌采用预制钢筋混凝土管片,管片之间采用弯螺栓连接,其参数为:内径7.9 m,外径8.8 m,厚度0.45 m,环宽1.6 m。本工程盾构始发最小净距2.34 m,为国内已知最小净距始发,始发困难且存在较大安全风险,同时整个盾构区间隧道净距为2.34 m～7.16 m,属于长距离小净距掘进。管底标高为-5.5 m,深度为15.5 m,与盾构净距为8.7 m。在项目施工过程中,解决后行隧道开挖过程中盾构掘进对既有隧道产生的冲击的问题尤为重要。

2 数值建模过程

2.1 有限元模型

采用ABAQUS软件进行超小净距隧道开挖有限元分析,选取模型尺寸为70 m×100 m×80 m(长×宽×高)(见图3),盾构距离地面深度20 m,左右两线盾构净距2.34 m,盾构直径9.08 m,管片外径8.8 m,内径7.9 m,每环管片宽1.6 m。左线先始发,掘进110环后,右线始发。整个模型尺寸网格采用六面体网格,待施工挖掘盾构隧道部分进行了网格加密,由外到里遵循“由疏到密”的规则从而提高数值模拟的计算精度。模型由土体、衬砌、注浆层和盾构四个部分组成,模型的前后左右以及底部五个面分别设定了X,Y,Z方向的约束,并分别给左右盾构线于前后面设定Y方向的约束,在盾构掘进中起到固定的作用。

2.2 材料参数

根据勘察报告,地层由上而下可分为5层,分别是①粉质黏土,②黏质粉土,③粉质黏土,④粉细砂,⑤粉质黏土。各土层的原状土各种物理性质等参数见表1。

表1 各土层物理力学性质

3 盾构开挖对隧道的变形影响

由于篇幅限制,本文选择第15个分析步,即左边隧道开挖完成,右边隧道施工开始阶段。利用ABAQUS软件进行建模模拟,得到盾构开挖过程中,隧道位移的变形云图(见图4)。

3.1 竖直位移

图5为隧道在施工过程中产生的竖向位移云图。由图5可见,隧道上方的土体发生了一定程度的竖向沉降[10]。竖向位移沿隧道均匀分布,隧道产生的位移最大点位于开挖隧道的正上方,最大竖向位移为91.4 mm。由图4,图5可见,隧道位移分布均匀,隧道下部部分区域位移较大,整体呈现对称趋势。

随着右侧隧道开挖,右侧开挖段隧道对既有隧道相应部位产生了较大的竖向位移,开挖后既有隧道竖向位移减弱。同时右侧隧道开挖过程中,对既有隧道产生的影响导致既有隧道尾部产生较大的竖向位移。

3.2 横向位移

图6,图7为地层和注浆层在施工过程中产生的水平方向位移云图。由图6,图7可得,土体发生的横向位移以隧道开挖方向的中心轴呈大致的左右对称趋势,地层产生的最大竖向位移为20.40 mm。由图6可见隧道初始部分横向位移较大,隧道中间及末尾部分位移较小。右侧隧道开挖过程中,开挖部分对应的既有隧道产生相对较大横向位移。

在右侧隧道施工的过程中,两边隧道之间产生更大的横向位移,两边隧道对外侧产生的位移相对较小。右侧隧道的开挖过程中,既有隧道的两侧较正在开挖隧道都产生了更大的横向位移,右侧隧道对相应位置的既有隧道产生最大的位移变形。

3.3 沿开挖方向位移

图8为地层和注浆层在施工过程中产生的沿施工方向位移云图。由图8可知,隧道整体产生的沿开挖方向位移分布相对均匀,主要集中在右侧隧道开挖时对应既有隧道相应位置。

4 施工过程中易产生的问题及应对措施

1)由于开挖隧道对既有隧道的影响,可能导致两个隧道之间发生相对位移和变形,进而影响结构的稳定性和运行安全。应对措施:在开挖前合理选择开挖顺序和施工方法,以减小对既有隧道的影响。并在施工过程中进行实时监测,包括位移监测和结构变形监测,以及根据监测数据及时调整施工参数和支护措施。结合文章分析结果,在新隧道开挖过程中,对应部位的既有隧道受到较大的变形影响,可以在相应的位置设计和施工隧道支护系统,如布置地下连续墙、土钉墙等,以增强既有隧道的稳定性。

2)在超小净距盾构隧道开挖过程中,由于两隧道间距过小后开挖隧道施工会改变周围岩土体的应力分布,导致应力重分布,可能引发岩层破坏、塌陷或者隧道周围地表沉降等问题。应对措施:应力重分布可能导致周围岩土体的破坏、塌陷或者隧道周围地表沉降等问题[8-9]。为了预防和减轻这些影响,可以在开挖前通过进行岩土力学分析和数值模拟,预测应力重分布的情况,为支护设计和施工策略提供依据。同时实施实时监测系统,监测岩体位移、地表沉降和应力变化等数据,及时评估工程情况,根据监测数据调整支护措施和施工参数。在施工过程中为减小岩土体的应力重分布,应合理选择开挖顺序和方法,避免集中开挖,减少应力集中的可能性。针对高风险地质区段,可以采用先行地下连续墙的方式,提前进行支护,减轻后续开挖对岩土体的影响。此外,还可以通过控制开挖速度和采用适当的支护手段,如钢支撑、锚杆支护等,来减小开挖引起的岩土体应力变化。

3)在双线隧道的开挖过程中,后开挖隧道施工可能会对地下水位和既有隧道排水系统产生影响,增加地下水渗流量,导致地下水位上升或隧道渗水问题,可能引发施工现场积水、泥浆涌入等不良后果,进而影响隧道结构的稳定性。应对措施:首先应在施工前进行充分的水文地质调查,了解地下水位和水文特征,为工程设计提供依据。根据调查结果,设计合适的隧道排水系统,包括井点降水和喷射固化剂等技术。通过设置井点降水井筒,将地下水抽出并排放到合适的地点,以降低地下水位。同时,在设计和实施排水系统时,也需要进行环境评估和合规性评估,并采取必要的措施保护环境和水资源。

4)盾构机主体重量极大,在隧道开挖过程中容易导致支撑平台失稳,影响支撑强度,导致隧道施工受影响。应对措施:首先在盾构隧道施工前应进行详尽的地质勘察,了解地层情况和地下水位等信息。基于勘察结果,进行工程设计,合理确定盾构始发位置和支撑平台的布置,确保其能够承受盾构机主体重量并保持稳定。在设计中考虑地质条件、岩土力学参数以及盾构机的负荷特性等因素,以确保始发支撑平台的强度满足要求,并在施工过程中采取适当的支护措施。在盾构始发等支撑平台的设计中,应考虑采用适当的支护措施,如加固钢筋混凝土支撑、土压平衡或液压支架等,以提供足够的支撑和稳定性。这些支护措施可以帮助分散盾构机主体重量,并减少对始发平台的影响。

5)先建隧道开挖使得相邻隧道衬砌在靠近开挖侧、水平轴线以上部分变形最大、应力增量最大,呈现向开挖侧弯曲的现象。应对措施:在开挖侧隧道衬砌附近加强支护措施,如增加钢支撑、设置预应力锚杆、使用加固材料等。这样可以增加支撑刚度,减少衬砌的变形和应力集中,提高结构的整体稳定性。并合理控制开挖进度,避免过快的开挖速度造成过大的变形和应力集中。可以采用分段开挖、适时停挖、调整开挖顺序等方法,使变形和应力的分布更加均匀、渐进,减少对相邻隧道衬砌的影响。此外还应加强地质预报工作,准确评估地下岩土的力学特性和变形特性。根据地质条件和实际情况,制定合理的施工方案,包括合理的爆破参数、支护设计和施工方法等,以减少对相邻隧道衬砌的不利影响。

6)双线盾构始发施工过程中,由于间距过小,端头附近的地层承受较大的应力,导致地层发生变形和位移。这可能引起地层沉降、裂缝扩展以及相邻结构物的影响,对隧道工程的安全和周边环境造成潜在威胁。应对措施:通过合理控制盾构机的推进参数,如推进力等,以减小盾构机对地层的影响,降低地层变形的程度。推进参数的选择应基于地质条件、地层特性和工程要求等因素进行综合评估和调整。在施工过程中,根据实际情况合理设计施工工序,避免过于集中的始发施工,分段进行推进,以减小变形的集中程度,降低地层的变形和应力集中。

5 结语

本文以雄安新区至北京大兴国际机场快线设计施工总承包一标段三分部金融岛站—第五组团站区间工程为例,利用ABAQUS软件建模对隧道开挖过程进行模拟,得到隧道开挖过程中,隧道的横、纵向变形。运用ABAQUS,对盾构机的整个施工过程进行了模拟和分析,清楚地展示了超小净距双盾构始发的施工工艺及开挖过程[11]。最后,针对工程建设中隧道容易出现的问题,分析其产生的原因,并给出相应的防治及应对措施。该成果可为同类工程中的超小净距隧道施工提供参考,并对目前隧道开挖引起的隧道变形预测和加固处理具有参考价值。