吳銀柱 章與非

(長(zhǎng)春工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130000)

21世紀(jì)是地下空間開(kāi)發(fā)利用的世紀(jì)，地下鐵道、地下建（構(gòu)）筑物、公路隧道等地下工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)滿足了人類生活的各種需求。隨著地下工程技術(shù)的逐漸成熟，地下空間的利用率越來(lái)越高，因此地下工程的建設(shè)將面臨地下空間狹小所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，特別是城市地鐵的建設(shè)中，有關(guān)地鐵隧道的長(zhǎng)距離完全重疊的工程也越來(lái)越常見(jiàn)。疊落盾構(gòu)隧道的施工對(duì)土體及臨近建（構(gòu)）筑物影響大，兩條隧道先后施工使得地層及結(jié)構(gòu)的受力變形尤為復(fù)雜。故為保證地鐵隧道的施工安全，降低周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，研究疊落盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊地表及先行隧道的變形影響十分必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)疊落隧道施工的地層及先行隧道變形問(wèn)題進(jìn)行了研究并取得了成果。于立群[1]通過(guò)模糊故障樹(shù)理論，計(jì)算了疊落隧道施工時(shí)既有隧道發(fā)生事故的概率及重要程度，并對(duì)此進(jìn)行分析排序；楊康[2]采用數(shù)值模擬分析的方法，研究了三個(gè)不同疊落區(qū)間上層盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的影響，認(rèn)為完全疊落段隧道施工產(chǎn)生的影響要大于斜向疊落段隧道施工，并且疊落隧道凈距越小產(chǎn)生的疊加效應(yīng)越大；李兆平[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在疊落隧道之間土體進(jìn)行注漿加固及在下層隧道內(nèi)架設(shè)型鋼支撐等措施，能夠有效降低上層隧道開(kāi)挖的影響。

本文以某地鐵疊落盾構(gòu)隧道工程為依托，針對(duì)本工程地質(zhì)條件差、疊落隧道凈距小、隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等工程難點(diǎn)，利用Midas GTS NX建立三維有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究疊落區(qū)間上行盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊地層及下行已成型隧道的變形影響，以期為相關(guān)類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某地鐵出場(chǎng)線盾構(gòu)工程，出場(chǎng)線右線隧道CDK0+461.379～CDK0+585.714 與地鐵正線左線隧道為長(zhǎng)距離完全疊落區(qū)間，疊落區(qū)間長(zhǎng)度約為140m，最小凈距為4.48 m，兩條隧道穿越土層為淤泥質(zhì)土，隧道位置圖如圖1所示。盾構(gòu)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，外徑為6000mm，內(nèi)徑為5400mm，管片襯砌厚度為300mm，環(huán)寬為1500mm。盾構(gòu)施工時(shí)，先掘進(jìn)下行隧道（正線左線隧道），待下行隧道成型后掘進(jìn)上行隧道（出場(chǎng)線右線隧道）。

圖1 隧道位置圖

盾構(gòu)隧道穿越主要土層為淤泥質(zhì)土，因此為保證地鐵盾構(gòu)隧道的施工安全、控制地層及下行隧道的變形，在盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)注意控制盾構(gòu)掘進(jìn)及注漿參數(shù)，及時(shí)盾尾注漿，除此之外還要在盾構(gòu)施工前對(duì)疊落區(qū)間隧道土體采用三軸攪拌樁滿堂加固，加固范圍為隧道平面外3m，隧道拱腰上1m，縱向加固至隧道底穩(wěn)定地層0.5 m，三軸攪拌樁直徑為850mm，咬合布置。如攪拌樁加固位置圖2所示。

圖2 攪拌樁加固位置圖

2 模型計(jì)算及參數(shù)選取

本文利用三維有限元軟件Midas GTS NX建立三維模型，進(jìn)行疊落區(qū)間上行盾構(gòu)隧道的施工階段模擬，分析上行隧道施工引起的地層沉降及下行隧道變形。

由于本工程對(duì)軟弱土層淤泥質(zhì)土進(jìn)行了加固處理，提高了土的強(qiáng)度，改變了原土層的力學(xué)參數(shù)，故在進(jìn)行三維模型創(chuàng)建時(shí)需考慮加固后的土體參數(shù)。針對(duì)三軸攪拌樁加固的土體參數(shù)取值問(wèn)題，筆者查閱大量文獻(xiàn)并結(jié)合本工程的土層特點(diǎn)，最終采用劉慶茶[4]在《關(guān)于水泥攪拌樁對(duì)淤泥質(zhì)土體土工參數(shù)的影響》中的公式進(jìn)行土體參數(shù)換算。但因現(xiàn)場(chǎng)人工、溫度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間等條件的影響，無(wú)法完全達(dá)到公式換算所得到的理論數(shù)值，故此地層應(yīng)符合動(dòng)態(tài)化施工設(shè)計(jì)的原則，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工的設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證施工安全。因此，在建立有限元模型時(shí)，加固區(qū)域土層采用的土體參數(shù)是在公式換算的基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)取值。結(jié)合地勘報(bào)告和工程實(shí)際情況，將本工程地層進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，隧道施工影響范圍地層共分為5層，各土層參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

為控制邊界效應(yīng)帶來(lái)的影響，模型尺寸為142m（X）×142m（Y）×56m（Z），共劃分194211個(gè)網(wǎng)格單元，106606個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型土層采用修正摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則為地層屈服準(zhǔn)則，盾構(gòu)機(jī)盾殼、管片及同步注漿層采用彈性模型。模擬時(shí)考慮到管片接頭所帶來(lái)的影響，將管片襯砌的剛度折減20%[5]，管片彈性模量取34.8 GPa。注漿層厚度為0.15 m，在進(jìn)行三維有限元模擬時(shí)，先將注漿層物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置為地層力學(xué)參數(shù)，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)深度增加，將注漿范圍內(nèi)地層改變?yōu)樽{力學(xué)屬性。盾構(gòu)機(jī)每步掘進(jìn)尺寸為管片寬度（1.5 m），計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 疊落區(qū)間隧道盾構(gòu)施工地層變形研究

地鐵隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表沉降是由于隧道土體開(kāi)挖卸載導(dǎo)致原始地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生破壞，掌子面處應(yīng)力發(fā)生變化，地應(yīng)力場(chǎng)重分布所引起的[6]。本文以模型中間斷面（Y=45m）處為研究斷面，研究下行隧道先掘進(jìn)開(kāi)挖，上行隧道后掘進(jìn)開(kāi)挖的該斷面地表沉降變化情況，并繪制地表沉降曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，后行隧道開(kāi)挖與先行隧道開(kāi)挖發(fā)生擾動(dòng)疊加效應(yīng)，地表沉降量呈疊加狀態(tài)，兩條隧道的沉降槽寬度變化值極小，沉降曲線呈拋物線形狀，最大沉降點(diǎn)位于隧道中心處，先行隧道最大沉降量為6.8 mm，后行隧道最大沉降量為11.9 mm。

圖4 地表沉降曲線圖

3.2 下行隧道結(jié)構(gòu)變形研究

因隧道疊落區(qū)間凈距較小，上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖致使周邊地層發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致下行隧道管片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生改變，故選取模型下行隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。上行隧道疊落區(qū)間盾構(gòu)施工結(jié)束時(shí)，下行隧道管片結(jié)構(gòu)豎向受力變形云圖如圖5所示。

圖5 下行隧道管片豎向變形云圖

在模型中間斷面處（Y=45m），取下行隧道拱頂及拱底處兩點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究上行隧道盾構(gòu)施工過(guò)程時(shí)，下行隧道拱頂及拱底管片結(jié)構(gòu)豎向位移變化，并繪制豎向位移變化曲線圖如圖6所示。

圖6 下層隧道管片豎向位移變化曲線圖

由圖5，圖6可知：

（1）上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖卸載導(dǎo)致下行隧道最終豎向變形為正方向變形，即下行隧道發(fā)生不同程度的隆起。本工程疊落區(qū)間為完全疊落區(qū)間，故下行隧道豎向變形最大值位于兩隧道最初重疊處（Y=0m）拱頂，最大豎向變形值為3.84 mm。

（2）因盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖使掌子面土體發(fā)生擠壓，進(jìn)而向下行隧道傳遞壓力，在盾構(gòu)推進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)前20m～30m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處管片拱頂及拱底均發(fā)生不同程度沉降，最大沉降值發(fā)生在上行隧道盾構(gòu)推進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)前23m處，拱頂最大沉降值為0.24 mm。

（3）上行隧道盾構(gòu)施工時(shí)，下行隧道變形曲線呈“勺”型分布，管片拱頂及拱底處均經(jīng)歷了沉降-隆起-穩(wěn)定狀態(tài)的三階段變化。

（4）下行隧道管片拱頂處豎向位移大于拱底處。當(dāng)上行隧道盾構(gòu)施工至監(jiān)測(cè)點(diǎn)前15m時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處管片豎向變形發(fā)生劇烈變化。當(dāng)上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工到達(dá)下行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)處正上方時(shí)，下行隧道豎向變形移值并未達(dá)到最大值。當(dāng)上行隧道盾構(gòu)施工通過(guò)下行隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)約20m處時(shí)，下行隧道管片豎向變形值開(kāi)始趨于平穩(wěn)狀態(tài)。最終監(jiān)測(cè)點(diǎn)處管片最大豎向變形發(fā)生在拱頂處，最大豎向變形值為3.63 mm。

4 結(jié)論

本文采用Midas GTS NX有限元分析軟件對(duì)某地鐵工程出場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間段疊落盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了疊落區(qū)間上行盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊地層及下行已成型隧道的變形影響，得出結(jié)論如下：

4.1 通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離完全疊落區(qū)間盾構(gòu)隧道的施工階段模擬，得出疊落區(qū)間盾構(gòu)隧道分別開(kāi)挖會(huì)造成地表沉降量疊加，且疊加變形相對(duì)較大，但沉降槽寬度變化值極小。

4.2 上行盾構(gòu)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生卸荷作用，導(dǎo)致下行隧道管片發(fā)生隆起，最大隆起點(diǎn)位于兩隧道最初重疊處（Y=0m）下行隧道拱頂，變形值為3.84 mm，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中既有線隧道結(jié)構(gòu)變形控制值5mm[7]，故應(yīng)加強(qiáng)上行盾構(gòu)隧道施工時(shí)監(jiān)測(cè)頻率，在變形值達(dá)到預(yù)警值時(shí)及時(shí)進(jìn)行二次注漿等措施，以保證下行隧道結(jié)構(gòu)安全。

4.3 以下行隧道某點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，下行隧道豎向變形曲線呈“勺型”。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前15m至監(jiān)測(cè)點(diǎn)后20m區(qū)間內(nèi)上行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，對(duì)下行隧道管片結(jié)構(gòu)變形影響最大，故在上行隧道施工時(shí)，應(yīng)在下行隧道相應(yīng)處位置進(jìn)行加固措施，以保證施工安全。