代仲海， 胡再強

(1. 西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048； 2.深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司， 廣東 深圳 518023)

1 研究背景

隨著我國城市經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，城市地下空間受到越來越廣泛的關(guān)注和開發(fā)，城市軌道交通、地下快速公路、越江隧道的建設(shè)迅速發(fā)展[1]，因此新建盾構(gòu)穿越多條鄰近運營隧道的情況不斷發(fā)生，對于盾構(gòu)施工水平提出了更高的要求，稍有不慎將引起運營隧道的開裂破壞，嚴重時甚至導(dǎo)致隧道坍塌等環(huán)境災(zāi)害。因此，針對盾構(gòu)近距離穿越多線既有隧道的復(fù)雜情況，預(yù)測并控制施工期間擾動變形，使其對環(huán)境的影響減小到最低限度，就顯得越來越重要。

目前，已有眾多學(xué)者對盾構(gòu)施工誘發(fā)的環(huán)境擾動問題進行了豐富研究[3-9]，但對于近距離穿越施工的擾動分區(qū)以及對地層應(yīng)力和超孔壓變化等施工擾動機理還缺乏充分和深入的研究，特別是在多條盾構(gòu)法施工隧道相互影響作用等方面的研究極為匱乏。本文分別對盾構(gòu)垂直上穿與垂直下穿兩種典型穿越方式，構(gòu)建了三維彈塑性有限元模型，計算分析了盾構(gòu)掘進引起的地表沉降以及對既有隧道的擾動變形影響，對多線盾構(gòu)隧道的合理設(shè)計及指導(dǎo)施工采取相應(yīng)的防護措施具有重大現(xiàn)實意義。

2 土體擾動影響因素

盾構(gòu)法隧道是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，盾構(gòu)的挖掘?qū)⒉豢杀苊獾財_動周圍的土體并引起地層的隆起沉降。由于土體損失、超孔隙水壓變化以及管片承壓變形等因素的影響，原有的土體平衡狀態(tài)遭到破壞，初始地應(yīng)力將重新分布，產(chǎn)生地表不均勻沉降、臨近的既有隧道發(fā)生較大縱向變形等現(xiàn)象。

盾構(gòu)隧道施工過程中，諸多因素會導(dǎo)致土體的變形。在文獻[10]中，深入研究了盾構(gòu)前推力、盾構(gòu)與土體摩擦力和土體損失這3種主要因素，并分別給出相對應(yīng)的計算公式。當(dāng)然，土質(zhì)條件、盾構(gòu)推進速度、注漿壓力、注漿速度、注漿量、超挖施工以及既有隧道列車荷載等因素同樣不可忽略[11]。因此在使用三維彈塑性有限元法模擬盾構(gòu)掘進開挖的過程中，為了盡可能地減小數(shù)值模擬與實際施工的誤差，必須綜合考慮上述諸多因素的相互影響。

3 典型軟弱地層盾構(gòu)施工有限元模擬

3.1 掘進過程模擬

本文采用有限元數(shù)值模擬中生死單元以及改變材料參數(shù)的技術(shù)手段，進而實現(xiàn)對與盾構(gòu)掘進以及同步注漿的有效模擬。采用設(shè)置等代層的思路可以將不易量化的注漿過程進行必要簡化，達到準確模擬施工過程的目的，等代層示意圖如圖1所示。

圖1 等代層示意圖

3.2 三維有限元模型

本文構(gòu)建的數(shù)值計算模型如圖2和3所示，其中，X方向為50 m，Y方向為24環(huán)管片寬度24×1.2 m(環(huán)寬)=28.8 m，Z方向為60 m，新建隧道與既有隧道管片均是通用環(huán)楔形管片，其混凝土強度為C60級，混凝土抗?jié)B等級為S12。隧道的內(nèi)部直徑為5.5 m，外部直徑為6.2 m，厚度為350 mm，管片的環(huán)寬為1.2 m，等代層厚度為 10 cm。假設(shè)現(xiàn)有隧道之間凈間距為5 m，覆土厚度為22 m，兩條新建隧道的凈間距為5 m，其與兩條既有隧道的凈距為4 m。模型共有35 196個實體單元。

圖2盾構(gòu)上穿有限元模型圖3盾構(gòu)下穿有限元模型

3.3 材料參數(shù)

本次建模過程中，采用鄧肯-帕克彈塑性模型模擬土體介質(zhì)，為了模擬出盾構(gòu)管片螺栓連接時產(chǎn)生的剛度折減，將管片縱向剛度乘以0.9的折減系數(shù)[12]。此外，模型中通過采用設(shè)置時間步長來模擬盾構(gòu)施工中的時間效應(yīng)以及土體固結(jié)作用的影響。材料參數(shù)詳見表1和2。

表1 土和襯砌物理參數(shù)

表2 等代層參數(shù)

注：表1和2中，μ為泊松比，E為彈性模量，γ′為浮容重，c為黏聚力，φ為摩擦角，K為滲透系數(shù)。

3.4 盾構(gòu)穿越分區(qū)

為了更加清晰地描述盾構(gòu)穿越開挖全過程，結(jié)合參考文獻[13]以及前期對此類參數(shù)下單線隧道盾構(gòu)開挖土體擾動范圍研究可知：對既有隧道中心間距小于2D(D為隧道外部直徑，下同)，新建隧道距離既有隧道最小凈距小于1.8D的近接工況，穿越既有隧道區(qū)段可劃分為如圖4所示的5個區(qū)域，即Ⅰ區(qū)——穿越接近區(qū)域，Ⅱ(1)區(qū)——穿越區(qū)域1，Ⅱ(2)區(qū)——穿越區(qū)域2，Ⅲ區(qū)——穿越既有隧道過渡區(qū)域，Ⅳ區(qū)——穿越遠離區(qū)域。

圖4 盾構(gòu)穿越分區(qū)示意圖

在模擬盾構(gòu)上、下垂直穿越過程中，均以2.4 m(2環(huán)管片寬度)作為一個推進長度，首先進行1#線路的開挖，再進行2#線路的開挖。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文主要對盾構(gòu)掘進時地表的沉降以及對既有隧道擾動變形進行深入分析，以期總結(jié)出類似工況條件下普遍性的施工擾動規(guī)律。

4.1 地表沉降分析

在盾構(gòu)掘進模擬過程中，始終以改變穿越分區(qū)時的開挖面正上方橫向地表沉降為分析對象。研究了新建盾構(gòu)隧道在不同階段和不同區(qū)域間穿越從而引起的橫向地表沉降規(guī)律。1#和2#線上、下穿中各區(qū)上方橫向地表沉降如圖5和6所示。

圖5 1#和2#線上穿過程中各區(qū)上方橫向地表沉降圖6 1#和2#線下穿過程中各區(qū)上方橫向地表沉降

圖5為1#和2#線上穿過程中各區(qū)上方橫向地表沉降圖。由圖5可見，在1#線上穿Ⅰ區(qū)時，其相應(yīng)地表沉降最小，其值約為8 mm，穿越Ⅱ(1)區(qū)、Ⅱ(2)區(qū)時由于既有隧道上方土壓力較小，地表沉降相應(yīng)也比穿越Ⅰ區(qū)時大，1#線穿越Ⅳ區(qū)后，其地表沉降最大，其值為13.5 mm，2#線穿越過程中，地表沉降與1#線穿越過程相似，但由于各隧道之間的相互影響作用，其地表沉降均大于1#線穿越過程中的地表沉降，其穿越完成后地表沉降最大為27.5 mm左右。同時可以發(fā)現(xiàn)，2#線穿越完成后，地表最大沉降并不是發(fā)生在2#線正上方，也不呈對稱分布，與施工結(jié)果趨勢相吻合。由此可見，各隧道之間的相互影響較為復(fù)雜。

圖6為1#和2#線在下穿過程中各區(qū)上方橫向地表沉降圖，在圖6所示的下穿過程中的地表橫向沉降規(guī)律類似于上穿過程，但總沉降量小于上穿時引起的地表沉降，最大沉降量為14.8 mm。同時，沉降槽的寬度大于上穿過程的地表沉降槽寬度。

4.2 Peck公式驗證與修正

Peck(1969)[14]通過分析地面沉降工程相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗，提出了橫向地面沉降估算公式：

(1)

式中：S(x)為地面沉降量，m；Vloss為盾構(gòu)隧道每單位長度的地層損失量，m3/m；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，m；x為距隧道軸線的水平距離，m。

假設(shè)η為土體損失百分率，則有：

Vloss=ηπR2

(2)

式中：R為隧道的外半徑，m； 根據(jù)文獻[15]中相應(yīng)的土體損失率取值及相關(guān)分布，參考上海地區(qū)相關(guān)工程施工的平均標(biāo)準值，本文中η取值為0.89%[15]。故地層損失量為：

Vloss=0.89%×π ×3.12=0.2687 m3/m

沉降槽寬度系數(shù)在垂直上穿情況下為：

式中：Z為隧道中心與地表的間距，m；φ為土體的內(nèi)摩擦角，(°)。故將上述結(jié)果代入公式(1)，并且簡單假設(shè)各不同開挖過程所產(chǎn)生的影響為它們分別開挖所產(chǎn)生影響的疊加，則：

因此，盾構(gòu)上穿過程引起地表的橫向沉降值可由Peck經(jīng)驗公式計算求得其最大值為28.0 mm。盾構(gòu)下穿時仍可采用同樣的方法求得地表橫向沉降的最大值為11.8 mm。

對比分析發(fā)現(xiàn)，Peck公式計算值在下穿施工時比模擬值小3 mm，這是因為多條盾構(gòu)法隧道開挖誘發(fā)的實際地表面變形并不是簡單累加各條單獨線路開挖時引起的變形，此外，Peck公式也沒有計入各條線路間盾構(gòu)開挖的相互影響。由此可見，施工后最大沉降并不在2#線正上方，而是稍偏于1#線處，正是盾構(gòu)掘進對土體二次擾動的結(jié)果。在多線盾構(gòu)施工過程中，為考慮隧道間的相互影響引起沉降槽的偏移，可以引入一個與施工參數(shù)密切相關(guān)的帶方向經(jīng)驗修正系數(shù) ，對Peck公式做簡單修正，形式如下：

(3)

4.3 既有隧道變形分析

在新建1#、2#線路掘進過程中，以既有3#、4#線路為研究對象，考慮其沿著縱向軸線的擾動變形。既有隧道的縱向變形分別如圖7～10所示。

圖7 1#和2#線上穿過程中3#隧道縱向變形圖8 1#和2#線上穿過程中4#隧道縱向變形

圖9 1#和2#線下穿過程中3#隧道縱向變形圖10 1#和2#線下穿過程中4#隧道縱向變形

由圖7和8可見，在上穿過程中，既有隧道均呈上浮趨勢，且在2#線穿越的過程中，在原來的基礎(chǔ)上地表沉降是繼續(xù)增大的，具有明顯的累積效應(yīng)，這是由于在2#線開挖的過程中，各條線路之間產(chǎn)生了較大影響，對地層有二次擾動所致。同時，在新建隧道的穿越過程中，隨著既有隧道與新建隧道之間距離的縮小，既有隧道的上浮逐步增加，最大的上浮出現(xiàn)在各條線路穿越Ⅳ區(qū)時，且既有隧道的最大上浮值出現(xiàn)在新建隧道的正上方，這和地表沉降所呈現(xiàn)出的規(guī)律并不一致。在整個穿越過程中，最大上浮值均出現(xiàn)在新建線路穿越既有線路完成時，既有3#線的最大上浮值約6.9 mm，既有4#線的最大上浮值約為7.0 mm。

由圖9和10可知，當(dāng)盾構(gòu)下穿施工時，兩條已有隧道呈現(xiàn)明顯的下沉趨勢，此外，隨著盾構(gòu)距已有隧道距離的減小，既有隧道的下沉逐步增加，最大的下沉出現(xiàn)在各條線路穿越Ⅳ區(qū)時，且既有隧道的最大下沉出現(xiàn)在新建隧道的正上方，這同樣與地表沉降呈現(xiàn)出的規(guī)律不一致。與盾構(gòu)上穿過程相比，下穿過程對既有隧道擾動相對較大，既有隧道的最大下沉量可以達到25.0 mm左右。

5 結(jié) 論

本文對盾構(gòu)隧道穿越多條既有隧道開挖過程進行有限元模擬，并與Peck經(jīng)驗公式對比驗證，分析了盾構(gòu)近距離穿越多條既有隧道復(fù)雜工況下施工對地表沉降以及結(jié)構(gòu)本體變形規(guī)律，提出了預(yù)測地表最大沉降值出現(xiàn)位置的Peck修正公式，得出的主要結(jié)論如下：

(1)由于地表變形受盾構(gòu)上穿擾動影響較大，而對已有隧道來說，受上穿擾動影響較??；盾構(gòu)下穿對地表變形擾動較小，而對已有隧道的擾動相對較大，因此應(yīng)根據(jù)實際需求選擇合適的穿越方式。

(2)運用Peck經(jīng)驗公式估算盾構(gòu)施工引起的地表沉降量是可靠的，但對于最大沉降量的位置，更多的還需要依靠施工經(jīng)驗進行判斷。

(3)在近距離穿越施工時，盾構(gòu)的土倉壓力、注漿速度以及注漿壓力等設(shè)定值要在一定程度上低于其他區(qū)域，以最大限度地減小對穿越區(qū)的施工擾動。

(4)若盾構(gòu)掘進中遇到超近距離、超淺覆土穿越等極端惡劣工況，尤其應(yīng)控制施工擾動的影響，可結(jié)合注漿加固、凍土法[18]等成熟施工技術(shù)，以確保工程的順利進行。