(中鐵十八局集團第一工程有限公司， 河北 涿州 072750)

近年來，軌道交通在我國各大城市取得長足發(fā)展，盾構法修建隧道憑借先進的施工工藝和施工技術，在施工過程中機械自動化程度高、掘進速度快等優(yōu)點受到人們的青睞，因此在城市地鐵建設中得到了廣泛的應用[1-3]。

頂推力作為盾構掘進過程中重要的施工參數(shù)，密切影響著地表沉降以及圍巖附加壓力。當盾構機后方千斤頂推進時，盾構刀盤對開挖面的壓力一般為盾構總推力的15%～20%，當加壓壓力與開挖面前方的水土壓力相等時，開挖面可維持平衡狀態(tài)，而加壓壓力過小則無法維持開挖面平衡，開挖面前方土體可能會沿著刀盤方向發(fā)生塌陷，加壓壓力過大則刀盤會擠壓未掘削土體，使之產生外擴位移。國內外學者通過理論解析、數(shù)值模擬和模型試驗方法，對頂推力優(yōu)化展開了大量研究。張厚美[4]通過對現(xiàn)場掘進試驗的統(tǒng)計分析，建立頂推力、刀盤轉速等主要掘進參數(shù)對掘進速度的線性數(shù)學模型。徐前衛(wèi)等[5-9]通過模型試驗及數(shù)值模擬手段，研究盾構推進過程中包括頂推力在內的各施工參數(shù)對地層和近接隧道的影響。管會生等[10-11]運用力學原理和數(shù)學方法，建立并改進了盾構推進力計算理論模型。何祥凡等[12-13]針對特殊施工情況下頂推力的影響及優(yōu)化進行了研究，使其適用于專有工況。Hasanpour等[14]通過數(shù)值模擬對在凍土圍巖環(huán)境中的雙線隧道TBM的開挖周期中推進速率問題進行了分析，考慮了千斤頂頂推力的作用并確定掘進所需的頂推力。上述成果對盾構頂推力的數(shù)學描述和作用機理已經(jīng)做了相關研究，但針對頂推力在盾構近接小角度穿越施工過程中的影響規(guī)律應進一步詳細分析和歸納。

本文以軟土地層中某盾構隧道上下平行近接穿越既有隧道為背景，通過有限差分軟件對穿越過程進行了精細化數(shù)值模擬，重點關注盾構頂推力對地表沉降、圍巖附加壓力和既有隧道變形的影響，總結影響規(guī)律，以期為類似工程盾構參數(shù)的選取提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概述

此線路區(qū)間有2條盾構隧道正線和2條盾構隧道出入線并行延伸，由于出入線在區(qū)間中部側向延伸至正線外側，因此出現(xiàn)了正線與出入線的上下交疊穿越現(xiàn)象。出入線位于正線上方，埋深6.6 m左右，線路采用了先下后上的施工順序，即兩出入線均以接近平行的空間方位上穿正線右線，穿越凈距為7.3 m左右，約一倍洞徑，具體位置關系如圖1所示。各線盾構隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，幅寬1.2 m，管片采用C55鋼筋混凝土預制而成。

圖1 新建隧道與既有隧道詳細位置關系圖 (單位：m)Fig.1 Detailed location relationship between new tunnel and existing tunnel (unit:m)

1.2 工程地質

此工程場地位于福建地區(qū)沿海地層，土層由上至下依次是雜填土、淤泥、粉質黏土和淤泥質土，除最上層雜填土外，以下三層是盾構施工的主要土層，各土層壓縮性較高，屬于典型的濱海軟弱土層，參考工程地質勘察資料，具體參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)表

現(xiàn)場地下水按埋藏條件包括上層滯水和承壓水，主要相對隔水層包括淤泥、黏土和淤泥質土夾薄層?？辈鞎r測得鉆孔中初見水位埋深為0.5～3.6 m，混合穩(wěn)定水位埋深為0.8～3.7 m?？辈鞎r測得承壓含水層(泥質)中砂、卵石層的穩(wěn)定水位埋深為2.2 m。

2 數(shù)值模型

2.1 有限元模型建立

采用數(shù)值分析軟件[15]建立有限元模型，模型沿盾構掘進方向長60 m，橫向長60 m，地層厚度30 m，如圖1所示。建模過程中，對盾構隧道周邊網(wǎng)格進行了局部加密，整個模型實體單元數(shù)共計32 900個。約束條件設置為，四側面限制其法向位移，底部限制三方向位移，頂面為自由面。

盾構隧道襯砌采用結構單元shell來模擬，沿著盾構掘進方向每1.2 m劃分一個單元網(wǎng)格，與盾構環(huán)寬相等。

圖2 盾構隧道上下平行穿越有限元模型Fig.2 Finite element model of parallel shield tunnels

2.2 本構關系及參數(shù)選取

考慮到盾構施工地層為軟弱土層，高壓縮性富水土體的變形特性不能通過Mohr-Coulomb本構模型得到較好的體現(xiàn)，而修正劍橋模型[16]則能較好的反映土體的非線性彈性、硬化軟化以及屈服等特性。該模型以塑性勢函數(shù)與屈服函數(shù)相等的理論為基礎，采用簡單曲線配合方法得到。

一般情況下，正常固結粘土和飽和重塑弱固結粘土存在一個邊界狀態(tài)面，該狀態(tài)面的具體表述為：孔隙比e與外力p和q之間僅存一種關系，且不隨應力路徑變化而改變，無數(shù)條不同應力比(p/q)的正常壓縮曲線組成邊界狀態(tài)面[17]。

修正劍橋模型參數(shù)由摩擦常量M、正常固結曲線λ、回彈曲線κ、超固結比OCR組成，其值由下列公式1～3求出，土層修正劍橋參數(shù)見表2。

M=6sinφ′/3-sinφ′

(1)

λ=Cc/ln10

(2)

κ=Cs/ln10

(3)

其中φ′為土體內摩擦角，Cc、Cs由正常固結曲線和等壓膨脹曲線得到。

表2 土層修正劍橋參數(shù)

盾構隧道襯砌管片用線彈性本構模型模擬隧道的力學性能，具體數(shù)值見表3。

表3 盾構隧道管片參數(shù)

2.3 模擬過程

計算過程中需模擬盾構隧道施工的關鍵步驟，體現(xiàn)開挖擾動對地層及其內部既有結構物的影響，具體過程如下：

1)建立幾何模型并約束邊界法向位移。

2)將確定的土層參數(shù)賦予相應實體單元，并進行初始地應力計算。

3)在初始地應力場中分部開挖既有隧道。

4)既有隧道開挖完成后，準備按設定進尺進行新建隧道開挖。

5)對開挖面設置一定的頂推力。

6)采用model null命令進行新建隧道開挖，采用sel shell命令進行襯砌支護。

7)每環(huán)開挖后撤銷所設置的頂推力，循環(huán)開挖，直至整條隧道完成。

3 結果分析

實際盾構施工中，總推力約為8 000～16 000 kN，作用在開挖面的頂推力約為0.1～0.2 MPa。在此基礎上，數(shù)值模擬過程中分別對新建隧道開挖面施加0.1、0.2、0.3、0.4 MPa的頂推力，探尋對應地層和既有隧道的受力變形規(guī)律。

3.1 地表位移

為分析新建盾構隧道掘進過程對地表位移的影響，在模型地表上設5個縱向監(jiān)測點和5個橫向監(jiān)測點，如圖3所示。C測點布置在模型中心，沿前、后向每隔5 m各布置兩個縱向測點，即A、B、D、E，沿左、右向每隔5 m各布置兩個橫向測點，即J、K、M、N，共9個測點。

圖3 地表位移測點 (單位：m)Fig.3 Surface displacement’s measuring point (unit:m)

開挖面頂推力為0.1 MPa時的地表位移D與新建隧道開挖面位置S間關系如圖4所示。

圖4 0.1 MPa下地表沉降位移曲線Fig.4 Surface settlement’s displacement at 0.1 MPa

由圖4(a)可知，各縱向測點地表沉降值隨新建隧道開挖不斷增大。隨著開挖面的前移，先開挖部分受盾構擾動持續(xù)時間長，對應地表沉降大于后開挖部分，其中A測點的沉降值最大為27.7 mm，C測點沉降值達到24.8 mm，E測點的沉降值最小達到22.3 mm。

圖4(b)中，J和N、K和M測點的位移時程曲線分別重合，即由于盾構開挖對土層的擾動由軸線向四周呈環(huán)狀擴散，使地表橫向測點位移分布具有對稱性，且距離盾構隧道中心越近，地表位移受盾構掘進施工過程影響越大。其中K和M測點距盾構隧道中心5 m，其地表沉降值為19.1 mm，約為C測點的77%，J和N測點距盾構隧道中心10 m，其地表沉降值為4.7 mm，約為C測點沉降值的25%。

由于地表位移各測點變化規(guī)律相似，C點受盾構隧道開挖影響較為明顯，不同頂推力下地表位移D與測點至開挖面距離L的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同頂推力下測點C的地表位移曲線Fig.5 Surface displacement of measuring point C with different jacking forces

由圖5可知，在不同頂推力作用下，地表位移變化曲線規(guī)律相似。頂推力從0.1 MPa增加至0.4 MPa時，各工況測點的地表沉降分別為24.8、26.3、28.2、30.2 mm，相鄰工況間地表沉降差值近似，即隨盾構開挖頂推力的增加，地表沉降量呈線性增大，其中，0.1 MPa至0.4 MPa頂推力對應地表變形增大了21.8%。這是由于計算過程以頂推為主，不考慮盾尾壓漿，從而使較大的頂推力引起的地層擾動產生了明顯的卸載現(xiàn)象。

3.2 地層附加壓力

為分析新建隧道盾構掘進過程中對既有盾構隧道周圍土層壓力的影響，取既有隧道中間斷面，在距隧道拱頂1、2、4、5 m的4個平面上各布置3個測點，中測點位于既有隧道中心處，并向隧道兩側10 m處各布置一個測點，即左、中、右測點，如圖6所示。

圖6 土壓力測點布置圖 (單位：m)Fig.6 Layout of earth pressure’s measuring points (unit:m)

當開挖面頂推力為0.1 MPa時，中立面測點及H=1 m處各測點土壓力變化P與測點至開挖面距離L的關系如圖7所示。

圖7 0.1 MPa下土層豎向壓力變化曲線Fig.7 Change of vertical pressure of soil layer at 0.1 MPa

圖7表明，當開挖面距離觀測點約-1.0～1.5D時(D為盾構隧道外徑)，各測點的附加圍巖豎向壓力發(fā)生明顯變化，當前方開挖面距離測點大于1.5D時，附加圍巖豎向壓力曲線逐漸趨于穩(wěn)定。在隧道中心立面，離新建盾構隧道越近的測點，其附加圍巖豎向壓力越大，即在豎向空間上，盾構掘進施工對土層的擾動影響由上往下遞減。沿盾構隧道縱向軸線中心兩側，左、右斷面測點的附加圍巖豎向壓力曲線相重合，說明盾構掘進對沿隧道軸線中心橫向的兩側土層擾動作用呈對稱分布。

同樣以中立面H=1 m測點為研究對象，在不同開挖面頂推力作用下，新建盾構隧道上穿施工引起土層擾動規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同頂推力對應中間測點土壓力變化曲線Fig.8 Change of earth pressure at intermediate measuring point with different jacking forces

由圖8可知，在不同頂推力作用下，土壓力變化曲線規(guī)律相似，且頂推力越大，擾動影響越顯著，對應地層壓力變化越明顯。0.1 MPa頂推力作用下中測點豎向壓力為-358.7 kPa，0.4 MPa時為-450.3 kPa，增幅達到25.5%。

3.3 既有隧道變形

盾構開挖的擾動作用透過土層傳遞至既有隧道，必將對既有隧道產生一定影響。在既有隧道縱向上選取5個斷面，即A、B、C、D、E斷面，A測點距初始開挖面20 m，后續(xù)每隔5 m布置一個測點，測點位置平面圖如圖9所示。分別讀取各斷面拱腰徑向位移、拱頂和拱底的豎向位移變化，拱腰外擴為正，拱頂、拱底隆起為正。

圖9 既有隧道襯砌變形測點布置圖(單位:mm)Fig.9 Layout of measuring points of the deformation of existing tunnel lining(unit:mm)

由計算結果可知，單一頂推力工況下，既有隧道各斷面變形規(guī)律及量值差別不明顯，僅由于受新建隧道開挖擾動影響時刻不同而出現(xiàn)了依次變化。因此，此處以C斷面為例，得到既有隧道拱頂、拱底變形Dv隨頂推力的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 不同頂推力下既有隧道C斷面豎向變位Fig.10 Vertical displacement of the C section of the existing tunnel with different jacking forces

新建隧道上穿開挖過程中，當開挖面在觀測點后方約1.0～1.5D處時，既有隧道拱底、拱頂開始產生隆起，隨著開挖面向前推移，各點拱底、拱頂豎向位移逐漸增加，當隧道開挖面在觀測點前方約2.0D以后，拱底、拱頂?shù)呢Q向位移逐漸趨于穩(wěn)定。就變位量值而言，拱頂隆起量大于拱底隆起量。新建隧道施工完成時，0.1 MPa頂推力對應盾構掘進引起既有隧道拱底、拱頂隆起量與0.2 MPa對應值相差不大，但0.4 MPa頂推力對應拱底、拱頂隆起量較0.1 MPa時有大幅的提升，這是由于頂推力增加時，對地層的擾動影響范圍也隨之增大，當頂推力超過0.3 MPa時，擾動影響范圍較為顯著的區(qū)域已擴大至既有隧道所在空間，從而使其變形量隨頂推力的增加呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律。頂推力為0.4 MPa時，拱底、拱頂分別隆起5.1、8.9 mm，0.1 MPa為3.8、7.3 mm，增幅為34.2%、21.9%。因此，增加隧道開挖面的頂推力，盾構通過后卸載作用明顯，將導致既有隧道拱底、拱頂?shù)穆∑鹆吭龃蟆?/p>

同樣以C斷面為例，既有隧道拱腰隨新建隧道開挖產生的徑向收斂變形Dr如圖11所示。

圖11 不同頂推力下既有隧道C斷面徑向收斂Fig.11 Radial convergence of the C section of the existing tunnel with different jacking forces

圖11表明，新建隧道上穿過程中，由于刀盤推動周邊地層，擠壓作用傳遞到既有隧道處，導致其拱腰徑向位移出現(xiàn)略微側鼓。當隧道開挖面到達測點處時，注漿作用及超挖現(xiàn)象致使地層卸載，既有隧道拱腰開始徑向收斂，隨著開挖面向前推移，各點拱腰徑向位移逐漸增加。當隧道開挖面在觀測點前方約2.0D以后，拱腰徑向位移逐漸趨于穩(wěn)定。新建隧道施工完成后，各頂推力作用下盾構掘進引起既有隧道各測點的拱腰徑向位移值均在0.7～0.8 mm范圍內，增加隧道開挖面的頂推力，對既有隧道拱腰的徑向位移并無顯著影響。

結合既有盾構隧道豎向及徑向變形可以發(fā)現(xiàn)，新建盾構隧道開挖面到達監(jiān)測斷面之前，即距離約1.0D時，既有隧道產生“小橫鴨蛋”的變形效應，隨著隧道開挖面的不斷推移前進，既有隧道斷面橫向逐漸收斂，豎向拉長，產生“豎鴨蛋”變形效應，當隧道開挖面在觀測點前方約1.5～2.0D時，既有隧道各測點變位逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結論與建議

利用數(shù)值仿真方法實現(xiàn)了盾構隧道上穿既有隧道的動態(tài)施工過程，并對開挖引起的周邊地層及既有隧道的受力變形規(guī)律進行了分析，得到如下結論：

1)在盾構隧道上穿施工過程中，地表沉降、地層土壓力和下部既有隧道受力變形主要發(fā)生在距離新建隧道開挖面前后-1.0～1.5D范圍內。距離新建隧道軸線越近的地層所受影響越大。

2)在新建隧道開挖面到達前和通過后，既有隧道分別受土層擠壓和卸載回彈作用，斷面變形狀態(tài)由橫向鼓曲變?yōu)樨Q向拉伸，且豎向變形明顯。

3)由于開挖擾動后卸載作用隨頂推力增加而變大，頂推力從0.1 MPa增至0.4 MPa時，地表變形及1.0D范圍內地層壓力均增大20%以上。頂推力超過0.3 MPa后，既有隧道處于開挖擾動影響主要區(qū)域，變形量呈非線性增加，且拱底和拱頂均出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，整體呈現(xiàn)上浮移動，以拱底為基準，頂推力自0.1 MPa增加至0.4 MPa時，上浮量分別為3.8 mm和5.1 mm，增幅為34.2%。

4)由計算結果可知，盾構隧道開挖必將通過地層擾動引起周邊既有建筑物的變形變位。對于平行上穿既有隧道工況，施工過程中除重點監(jiān)測開挖面前后1.5D范圍內地表隆沉變形以外，對既有隧道結構自身的變形狀態(tài)，尤其是豎向拉伸情況應進行重點監(jiān)控，必要時加強隧道拱頂和拱底的管片強度，并結合盾構超挖量和盾尾注漿壓力等施工參數(shù)，對頂推力進行綜合調整，以降低開挖對周邊環(huán)境的擾動影響。