徐子川， 李建高， 王長虹

(1. 同濟大學地下建筑與工程系， 上?！?00092； 2. 中鐵隧道集團三處有限公司， 廣東 深圳　518052；

3. 上海應用技術學院軌道交通學院， 上?！?01418)

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天津地鐵盾構隧道四線交匯掘進數(shù)值分析

徐子川1， 李建高2， 王長虹3,*

(1. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 中鐵隧道集團三處有限公司， 廣東 深圳518052；

3. 上海應用技術學院軌道交通學院， 上海201418)

摘要：為解決多條近接隧道施工時后行隧道開挖對先行隧道結構造成的不利影響，以天津地鐵5、6號線四線交匯隧道為研究對象，選取典型復雜斷面，采用數(shù)值軟件FLAC3D，模擬富水地層中四線交匯隧道開挖時隧道結構之間的相互影響規(guī)律。結果表明： 該復雜斷面處，后行隧道施工使先行隧道整體位移具有偏向開挖隧道移動的牽引趨勢，且先行下部隧道豎向整體位移較橫向整體位移變化更為顯著。在滲流作用下，先行下部隧道施工產(chǎn)生的地表沉降量及沉降范圍相比后行上部隧道較大，驗證了富水地層中滲流作用對土體變形影響程度及范圍均遠大于開挖應力釋放的影響。

關鍵詞：盾構隧道； 四線交匯； FLAC3D； 滲流作用； 地表沉降

0引言

修建地鐵不可避免地需要穿越城市的地下空間。城市的中心地段地下管線錯綜復雜，工程和水文地質多變，工程建設難度大，尤其是交叉重疊隧道。文獻[1]采用三維彈塑性有限元法模擬了交疊盾構隧道土層位移及地表沉降曲面在盾構推進中的發(fā)展變化; 文獻[2]對盾構隧道掘進全過程三維模擬方法及重疊段近接分區(qū)進行了研究； 文獻[3]研究表明盾構隧道施工對周圍環(huán)境的影響與地層情況、巖土性質、地下水及隧道埋深等客觀因素有關； 文獻[4-5]采用數(shù)值方法研究了開挖應力釋放和滲流作用在富水重疊隧道施工中的影響，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析滲流和開挖應力釋放是地層變形的主要原因； 文獻[6-7]通過對比重疊隧道拱頂及地表沉降明確了地下水滲流是造成地表沉降現(xiàn)象的主要原因。

上述研究多針對在上下2條重疊盾構隧道[8-10]，而對于盾構隧道四線交匯的復雜情況，相關研究并不多見。針對天津地鐵環(huán)湖西路站四線交匯區(qū)間復雜斷面，將盾尾空隙的大小和注漿填充程度等概化為均質、等厚的等代層[11-12]，采用FLAC3D軟件，模擬典型斷面開挖過程中地層和隧道結構的相互影響，研究開挖過程中管片內(nèi)力變化情況、隧道整體位移發(fā)展趨勢以及周圍地表沉降的規(guī)律。

1工程概況

天津地鐵5、6號線環(huán)湖西路站四線交匯區(qū)間位于天津市南開區(qū)與河西區(qū)交界處。如圖1所示，6號線水上東路站—環(huán)湖西路站區(qū)間(簡稱水—環(huán)區(qū)間)隧道起止里程為K27+877.000～K28+556.950，全長679.950 m。5號線環(huán)湖西路站—體育中心站區(qū)間(簡稱環(huán)—體區(qū)間)隧道起止里程為K27+732.343～K28+842.100，全長1 109.757 m。該區(qū)間5、6號線并行，共計4條隧道，成“麻花狀”交匯，最淺埋深僅為7.82 m。

圖1　隧道區(qū)間范圍示意圖

工程所在場地主要為海河沖積平原，地勢較平坦。區(qū)間沿線場地地層分布主要為天然沉積土，區(qū)間隧道洞身主要穿越粉質黏土層，場地內(nèi)無滑坡、泥石流等不良地質災害作用，場地穩(wěn)定，適合進行工程建設。區(qū)域地下水類型主要為松散巖類孔隙水，施工深度范圍內(nèi)主要為潛水及承壓水。潛水水位埋深1.1～2.8 m，水位標高0.28～2.09 m，水位變幅在0.5～2.0 m；第1層承壓水水頭標高約為0 m，第2層承壓水水頭標高約為-0.5 m。

2三維數(shù)值模擬

2.1計算模型及參數(shù)

近環(huán)湖西路站區(qū)間內(nèi)，因5、6號線4條隧道逐漸接近，線路分布較為復雜，因此有必要對此區(qū)段的施工情況進行模擬分析。以6號線里程為基準，通過比較線路的平縱面，考慮隧道重疊交叉凈距、空間位置以及與地表建筑相對位置，選取DK28+400～+436段為典型斷面區(qū)間，總長度為36 m。隧道斷面相對位置關系如圖2所示(因實際工程中5、6號線方向定義相反，因此圖中5號線左線位于右線的右側)。

圖2　隧道斷面相對位置圖(單位： m)

根據(jù)核心交匯區(qū)域建立交匯隧道三維模型(土體、承壓水層、注漿層、擾動層和隧道管片等)。如圖3所示，模型長100 m，寬36 m，高70 m。4條隧道的開挖直徑均為6.2 m，環(huán)向超挖空隙層和擾動層均為0.2 m，管片后注漿加固層為2.5 m。管片厚為0.35 m，使用薄殼單元模擬。采用ANSYS 的SOLID45 單元建立實體模型，模型共31 620個單元，31 933個節(jié)點，然后導入數(shù)值軟件FLAC3D進行流固耦合計算。

圖3　四線交匯隧道的三維模型圖

在計算模型中，土體采用摩爾-庫侖模型，混凝土材料及鋼材使用線彈性材料模型。依據(jù)地勘報告，區(qū)間土層豎向分為13層，各土層的物理力學參數(shù)如表1所示。計算過程中假設所有土層為飽和狀態(tài)，各向同性流體的體積模量E為2 000 MPa，流體密度ρ為1 000 kg/m3, 孔隙率n為0.5，滲透系數(shù)k為2×10-7cm/s，隧道開挖后為不滲水邊界。

2.2邊界條件及初始應力場

對三維模型的四周及底面施加法向約束。在初始應力計算達到平衡的過程中，模型在自重和孔隙水壓力作用下，應力傳遞到內(nèi)部單元并生成初始應力場。清除節(jié)點變形后，模擬盾構隧道的施工過程。

2.3開挖模擬方法

為模擬盾構隧道的施工過程，開挖過程遵照施工組織確定的施工順序及開挖方向進行模擬。工況1和工況2為先行下部隧道，工況3和工況4為后行上部隧道。如圖4所示，模擬施工順序依次為： 1)6號線左線施工(工況1)； 2)5號線右線施工(工況2)； 3)6號線右線施工(工況3)； 4)5號線左線施工(工況4)。

表1　各土層的物理力學參數(shù)

圖4　區(qū)間隧道施工順序圖

為了模擬盾構在地層中的推進，借用開挖面與盾尾之間的擾動層單元模擬盾構的盾殼結構。其中擾動層單元厚0.2 m，包括0.07 m的空隙層。模擬中充分考慮卸荷效應[13]，盾構每一步推進一個管片環(huán)寬的長度為1.5 m，總共推進36 m。每環(huán)具體實現(xiàn)方法如下：

1)開挖一個管片長度的隧道土體,模擬過程中當拱頂土體變形達到超挖空隙20 mm時停止步數(shù)迭代；

2)將擾動層單元中的空隙層賦以盾殼的力學參數(shù)，單元采用彈性本構，以近似模擬盾構本身對周圍土體的支撐作用；

3)給開挖面施加土艙壓力，以保持開挖面的穩(wěn)定平衡；給空隙層單元賦以遠小于周圍土體的力學參數(shù)，以模擬超挖造成的盾構四周的空隙；

4)先進行靜力平衡計算；

5)然后進行流固耦合再平衡計算。

模擬過程中，考慮隧道的透水性，以0孔壓為邊界，開挖時孔壓保持不變。依此過程，實施盾構的下一步推進，直到整個盾體全部進入隧道。當盾構全部進入土體后，每一步的開挖計算除了繼續(xù)進行上述盾殼的模擬外，還要在盾構尾部實施管片安裝以及管片背后注漿的模擬。為了體現(xiàn)注漿材料的硬化過程，給注漿層設置2種屬性。

1)凝固前的低剛度注漿材料的彈性模量等于注漿壓力。

2)凝固后的注漿材料。這一階段施工的具體模擬方法為： ①將新開挖的一段擾動層設為盾殼； ②將盾殼最后一段單元的材料屬性改為凝固前的注漿材料的屬性，同時將緊貼這一段擾動層內(nèi)部的薄層單元設為盾構管片； ③繼續(xù)步驟①、②，直到設置了3個管環(huán)寬度的凝固前注漿材料，將第1環(huán)的低剛度注漿材料設為凝固后的注漿材料，即假定注漿材料的硬化過程滯后3個管環(huán)。

考慮到襯砌結構的不連續(xù)性，對隧道管片剛度進行一定折減[14]，折減系數(shù)取0.7。隧道管片、盾殼和注漿層材料屬性如表2所示。

表2　隧道管片、盾殼和注漿層材料屬性

注： 擾動層厚0.2 m，包括0.07 m的空隙層，硬化后同注漿層性質。

3計算結果及分析

模型縱向長度為36 m，考慮隧道掘進過程中的模型邊界效應，整體位移觀測值取在開挖方向的18 m處，即模型中間斷面。由于后行隧道施工對先行隧道的影響較為復雜，因此，分別記錄先行下部隧道管片內(nèi)力、豎向與橫向整體位移以及地表沉降變化情況。

3.1先行下部隧道管片彎矩和軸力變化情況

由于隧道間相對位置的復雜性，模型最終計算結果顯示： 先行隧道管片結構的危險截面均位于隧道拱頂及右拱肩處附近，如圖5和圖6所示； 6號線左線管片彎矩和軸力變化如圖7所示。由圖7可知，6號線左線隧道在工況3時管片內(nèi)力波動較大，后行隧道施工過程中管片正彎矩最大值為262 kN·m，負彎矩最大值為378 kN·m，軸力為壓力，最大值為1 022 kN； 5號線右線管片彎矩和軸力變化如圖8所示。由圖8可知，5號線右線隧道在工況4時拱肩彎矩顯著增大，后行隧道施工過程中管片正彎矩最大值為270 kN·m，負彎矩最大值為258 kN·m，軸力為壓力，最大值為1 125 kN。

圖5　隧道管片最終彎矩(單位： N·m)

(a) 6號左線　　　　(b) 5號右線

Fig. 6Cross-section showing dangerous scopes of excavated shield tunnels

在四線隧道開挖全過程中，工況2水平隧道施工時，先行隧道結構危險截面內(nèi)力有降低的趨勢； 而后行上部隧道施工使先行隧道結構危險截面內(nèi)力顯著增大，對管片結構受力造成較大的影響。由于隧道間橫向距離的原因，工況3對6號線左線及工況4對5號線右線的影響則更為明顯。

雖然管片內(nèi)力變化范圍均在安全范圍以內(nèi)，但考慮到后行上部隧道盾構開挖的震動效應，實際施工中仍須加強對先行隧道拱頂和拱肩處的管片內(nèi)力監(jiān)測，并建議在盾構前后一定范圍內(nèi)對先行下部隧道添加鋼支撐進行支護[15]，該措施能夠有效提高管片抵抗變形的能力,降低工程風險。

3.2先行下部隧道整體位移變化情況

后行隧道施工對先行下部隧道擾動造成的整體位移見圖9。其中6號線左線隧道在工況2時出現(xiàn)微弱的下沉及左偏，隨后工況3和工況4時出現(xiàn)上浮及右偏趨勢，豎向最大偏移量為6 mm；而5號線右線隧道在工況3和工況4時連續(xù)出現(xiàn)上浮，工況4時上浮達到最大值15 mm；工況3時橫向左偏3 mm，隨后回彈至左偏1 mm，土體變形量較小。

(a) 彎矩變化

(b) 軸力變化

Fig. 7Variation curves of bending moment and axial force of segment of left tunnel tube of Line No. 6

(a) 彎矩變化

(b) 軸力變化

Fig. 8Variation curves of bending moment and axial force of segment of right tunnel tube of Line No. 5

(a) 6號線左線

(b) 5號線右線

圖96號線左線和5號線右線整體位移變化圖(上浮、右偏為正)

Fig. 9Variation curves of displacement of left tunnel tube of Line No. 6 and that of right tunnel tube of Line No. 5

監(jiān)測結果表明： 后行上部隧道施工對先行下部隧道整體移動均具有明顯的牽引趨勢，即下部隧道有向后開挖的上部隧道偏移的趨勢。其牽引趨勢在工況3和工況4時更為明顯，且整體位移變化速率在開挖接近監(jiān)測點時顯著增大，符合重疊隧道施工縱向效應的基本規(guī)律。此外，6號線左線隧道在工況2時出現(xiàn)了一定的下沉，這是因為5號線右線隧道施工時降低了周邊土體孔隙水壓力的結果；而先行下部隧道整體位移變化主要是由上部土體開挖應力釋放造成的，上部應力釋放對先行下部隧道的側向土壓力影響相對較小，加上滲流作用的影響，導致下部隧道豎向整體位移較橫向整體位移變化更為顯著。

上部隧道施工時，先行下部隧道周邊過大的土體變形會極大影響上部隧道的施工質量； 因此，有必要采用壁后注漿的措施對先行下部隧道進行防水加固，在先行下部隧道周邊土體固結和地下水滲流穩(wěn)定前不宜立刻施工上部隧道。

3.3地表橫向沉降變形分析

地表橫向沉降變化情況如圖10所示。由圖10可知，橫向地表沉降槽范圍約50 m，各工況沉降最大值均集中在5號線右線軸線附近。首先6號線左線單獨開挖引起的地表最大沉降量為14 mm，位于該隧道正上方；隨后5號線右線開挖造成地表沉降進一步增大，最大值達到22 mm，沉降槽中心明顯向右偏移；6號線右線開挖使地表沉降達到最大值24 mm，沉降槽中心略向左偏；最后5號線左線開挖，沉降槽再次右偏且寬度隨之擴展，最終沉降量達到26 mm，沉降槽中心位于5號線右線正上方附近。

圖10　地表橫向沉降圖

富水地層中隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降是由地層應力釋放和地下水滲流共同作用的結果。在滲流作用下，先行下部隧道周邊土體由于水頭下降，有效應力上升，產(chǎn)生固結沉降，該作用對土體沉降影響程度及范圍均遠大于開挖應力釋放對土體的影響; 因此，隧道開挖產(chǎn)生的最終地表沉降槽是單峰曲線，而非多峰曲線。此外，由于先行下部隧道開挖中滲流作用較強，滲流引起土體的沉降及空間效應較為顯著；而施工上部隧道時，應力釋放成為地表變形的主要原因，滲流作用則相對較弱，產(chǎn)生的進一步沉降及范圍也相對較小。相比而言，在先行下部隧道施工過程中，對滲流量的控制是控制地表沉降的關鍵。

4結論與討論

1)水平隧道施工時，先行隧道危險截面內(nèi)力有降低的趨勢，而后行上部隧道施工對先行下部隧道管片內(nèi)力造成較大的不利影響?？紤]盾構及開挖震動效應，建議對先行下部隧道添加鋼支撐支護，降低工程風險，并加強對拱頂和拱肩處危險截面內(nèi)力的監(jiān)測。

2)在交匯復雜斷面處，后行隧道施工使先行隧道整體具有偏向開挖隧道移動的牽引趨勢。因上部土體開挖卸載效應及土體滲流影響，先行下部隧道豎向整體位移較橫向整體位移變化更為顯著。待壁后注漿結束，土體固結及地下水滲流趨于穩(wěn)定后，方可施工后行上部隧道。

3)交匯斷面橫向沉降槽影響范圍約為50 m，沉降最大值為26 mm。模擬結果驗證了富水地層中滲流作用對土體變形影響程度及范圍均遠大于開挖應力釋放的影響，施工過程中對先行下部隧道滲流量的控制是控制地表沉降的關鍵。

4)本文僅選取了隧道交匯區(qū)間其中一處典型斷面進行研究。由于四線隧道相對位置變化的復雜性，今后可根據(jù)四線隧道相對位置變化的關系，繼續(xù)對隧道區(qū)間中其他典型斷面進行研究，對比不同斷面結果，對四線交匯隧道掘進時整體區(qū)間結構的變化規(guī)律做進一步探討。

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Numerical Analysis of Interaction of Excavation of Four Adjacent Shield Tunnels: A Case Study on Tianjin Metro

XU Zichuan1, LI Jian’gao2, WANG Changhong3,*

(1．DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092，China;2.ChinaRailwayTunnelGroupSanchuCo.,Ltd.,Shenzhen518052,Guangdong,China;3.SchoolofRailwayTransportation,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai201418,China)

Abstract:The excavating tunnel has an adverse effect upon the excavated tunnels during the construction of multiple adjacent tunnels. In this paper, the typical cross-section of the connection section between Line No. 5 and Line No. 6 of Tianjin Metro is analyzed by means of FLAC3D software; and then the interaction of excavating the four adjacent shield tunnels in water-rich stratum is simulated. The results show that: 1) The excavated tunnels incline to the excavating tunnel. The vertical displacement of lower-laid tunnel is more obvious than the horizontal displacement. 2) The ground surface settlement and the settlement scope induced by lower-laid excavated tunnel are larger than that induced by upper-laid excavating tunnels under seepage action; and it is proved that the influence of seepage action on water-rich ground settlement and settlement scope are larger than those of excavation stress releasing.

Keywords:shield tunnel; four-tunnel converging; FLAC3D; seepage action; ground surface settlement

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0295-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.008

作者簡介：第一 徐子川(1991—)，男，河南洛陽人，同濟大學隧道與地下建筑工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為盾構隧道施工控制。E-mail: 07xuzichuan@gmail.com。*通訊作者： 王長虹，E-mail: changhong_wang@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51208303)

收稿日期：2015-06-29； 修回日期： 2015-12-11