(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司， 河北 涿州 072750)

近年來(lái)，軌道交通在我國(guó)各大城市取得長(zhǎng)足發(fā)展，盾構(gòu)法修建隧道憑借先進(jìn)的施工工藝和施工技術(shù)，在施工過(guò)程中機(jī)械自動(dòng)化程度高、掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，因此在城市地鐵建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

頂推力作為盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)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(dāng)盾構(gòu)機(jī)后方千斤頂推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)刀盤對(duì)開挖面的壓力一般為盾構(gòu)總推力的15%～20%，當(dāng)加壓壓力與開挖面前方的水土壓力相等時(shí)，開挖面可維持平衡狀態(tài)，而加壓壓力過(guò)小則無(wú)法維持開挖面平衡，開挖面前方土體可能會(huì)沿著刀盤方向發(fā)生塌陷，加壓壓力過(guò)大則刀盤會(huì)擠壓未掘削土體，使之產(chǎn)生外擴(kuò)位移。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論解析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，對(duì)頂推力優(yōu)化展開了大量研究。張厚美[4]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，建立頂推力、刀盤轉(zhuǎn)速等主要掘進(jìn)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)速度的線性數(shù)學(xué)模型。徐前衛(wèi)等[5-9]通過(guò)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段，研究盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中包括頂推力在內(nèi)的各施工參數(shù)對(duì)地層和近接隧道的影響。管會(huì)生等[10-11]運(yùn)用力學(xué)原理和數(shù)學(xué)方法，建立并改進(jìn)了盾構(gòu)推進(jìn)力計(jì)算理論模型。何祥凡等[12-13]針對(duì)特殊施工情況下頂推力的影響及優(yōu)化進(jìn)行了研究，使其適用于專有工況。Hasanpour等[14]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)在凍土圍巖環(huán)境中的雙線隧道TBM的開挖周期中推進(jìn)速率問(wèn)題進(jìn)行了分析，考慮了千斤頂頂推力的作用并確定掘進(jìn)所需的頂推力。上述成果對(duì)盾構(gòu)頂推力的數(shù)學(xué)描述和作用機(jī)理已經(jīng)做了相關(guān)研究，但針對(duì)頂推力在盾構(gòu)近接小角度穿越施工過(guò)程中的影響規(guī)律應(yīng)進(jìn)一步詳細(xì)分析和歸納。

本文以軟土地層中某盾構(gòu)隧道上下平行近接穿越既有隧道為背景，通過(guò)有限差分軟件對(duì)穿越過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)化數(shù)值模擬，重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)頂推力對(duì)地表沉降、圍巖附加壓力和既有隧道變形的影響，總結(jié)影響規(guī)律，以期為類似工程盾構(gòu)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(gòu)隧道正線和2條盾構(gòu)隧道出入線并行延伸，由于出入線在區(qū)間中部側(cè)向延伸至正線外側(cè)，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(guān)系如圖1所示。各線盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，幅寬1.2 m，管片采用C55鋼筋混凝土預(yù)制而成。

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

1.2 工程地質(zhì)

此工程場(chǎng)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(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土，除最上層雜填土外，以下三層是盾構(gòu)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(zhì)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(chǎng)地下水按埋藏條件包括上層滯水和承壓水，主要相對(duì)隔水層包括淤泥、黏土和淤泥質(zhì)土夾薄層?？辈鞎r(shí)測(cè)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(shí)測(cè)得承壓含水層(泥質(zhì))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(gòu)掘進(jìn)方向長(zhǎng)60 m，橫向長(zhǎng)60 m，地層厚度30 m，如圖1所示。建模過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)隧道周邊網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，整個(gè)模型實(shí)體單元數(shù)共計(jì)32 900個(gè)。約束條件設(shè)置為，四側(cè)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(gòu)隧道襯砌采用結(jié)構(gòu)單元shell來(lái)模擬，沿著盾構(gòu)掘進(jìn)方向每1.2 m劃分一個(gè)單元網(wǎng)格，與盾構(gòu)環(huán)寬相等。

圖2 盾構(gòu)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(gòu)關(guān)系及參數(shù)選取

考慮到盾構(gòu)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(guò)Mohr-Coulomb本構(gòu)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(shì)函數(shù)與屈服函數(shù)相等的理論為基礎(chǔ)，采用簡(jiǎn)單曲線配合方法得到。

一般情況下，正常固結(jié)粘土和飽和重塑弱固結(jié)粘土存在一個(gè)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(guān)系，且不隨應(yīng)力路徑變化而改變，無(wú)數(shù)條不同應(yīng)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(jié)曲線λ、回彈曲線κ、超固結(jié)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(nèi)摩擦角，Cc、Cs由正常固結(jié)曲線和等壓膨脹曲線得到。

表2 土層修正劍橋參數(shù)

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

表3 盾構(gòu)隧道管片參數(shù)

2.3 模擬過(guò)程

計(jì)算過(guò)程中需模擬盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵步驟，體現(xiàn)開挖擾動(dòng)對(duì)地層及其內(nèi)部既有結(jié)構(gòu)物的影響，具體過(guò)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(yīng)實(shí)體單元，并進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算。

3)在初始地應(yīng)力場(chǎng)中分部開挖既有隧道。

4)既有隧道開挖完成后，準(zhǔn)備按設(shè)定進(jìn)尺進(jìn)行新建隧道開挖。

5)對(duì)開挖面設(shè)置一定的頂推力。

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

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

3 結(jié)果分析

實(shí)際盾構(gòu)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(chǔ)上，數(shù)值模擬過(guò)程中分別對(duì)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(duì)應(yīng)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(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程對(duì)地表位移的影響，在模型地表上設(shè)5個(gè)縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)和5個(gè)橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。C測(cè)點(diǎn)布置在模型中心，沿前、后向每隔5 m各布置兩個(gè)縱向測(cè)點(diǎn)，即A、B、D、E，沿左、右向每隔5 m各布置兩個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)，即J、K、M、N，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

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

開挖面頂推力為0.1 MPa時(shí)的地表位移D與新建隧道開挖面位置S間關(guān)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(cè)點(diǎn)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(gòu)擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)地表沉降大于后開挖部分，其中A測(cè)點(diǎn)的沉降值最大為27.7 mm，C測(cè)點(diǎn)沉降值達(dá)到24.8 mm，E測(cè)點(diǎn)的沉降值最小達(dá)到22.3 mm。

圖4(b)中，J和N、K和M測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線分別重合，即由于盾構(gòu)開挖對(duì)土層的擾動(dòng)由軸線向四周呈環(huán)狀擴(kuò)散，使地表橫向測(cè)點(diǎn)位移分布具有對(duì)稱性，且距離盾構(gòu)隧道中心越近，地表位移受盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程影響越大。其中K和M測(cè)點(diǎn)距盾構(gòu)隧道中心5 m，其地表沉降值為19.1 mm，約為C測(cè)點(diǎn)的77%，J和N測(cè)點(diǎn)距盾構(gòu)隧道中心10 m，其地表沉降值為4.7 mm，約為C測(cè)點(diǎn)沉降值的25%。

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

圖5 不同頂推力下測(cè)點(diǎn)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(shí)，各工況測(cè)點(diǎn)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(gòu)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(duì)應(yīng)地表變形增大了21.8%。這是由于計(jì)算過(guò)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(dòng)產(chǎn)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(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)既有盾構(gòu)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(gè)平面上各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，中測(cè)點(diǎn)位于既有隧道中心處，并向隧道兩側(cè)10 m處各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，即左、中、右測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

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

當(dāng)開挖面頂推力為0.1 MPa時(shí)，中立面測(cè)點(diǎn)及H=1 m處各測(cè)點(diǎn)土壓力變化P與測(cè)點(diǎn)至開挖面距離L的關(guān)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(dāng)開挖面距離觀測(cè)點(diǎn)約-1.0～1.5D時(shí)(D為盾構(gòu)隧道外徑)，各測(cè)點(diǎn)的附加圍巖豎向壓力發(fā)生明顯變化，當(dāng)前方開挖面距離測(cè)點(diǎn)大于1.5D時(shí)，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(gòu)隧道越近的測(cè)點(diǎn)，其附加圍巖豎向壓力越大，即在豎向空間上，盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)土層的擾動(dòng)影響由上往下遞減。沿盾構(gòu)隧道縱向軸線中心兩側(cè)，左、右斷面測(cè)點(diǎn)的附加圍巖豎向壓力曲線相重合，說(shuō)明盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)沿隧道軸線中心橫向的兩側(cè)土層擾動(dòng)作用呈對(duì)稱分布。

同樣以中立面H=1 m測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，在不同開挖面頂推力作用下，新建盾構(gòu)隧道上穿施工引起土層擾動(dòng)規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同頂推力對(duì)應(yīng)中間測(cè)點(diǎn)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(dòng)影響越顯著，對(duì)應(yīng)地層壓力變化越明顯。0.1 MPa頂推力作用下中測(cè)點(diǎn)豎向壓力為-358.7 kPa，0.4 MPa時(shí)為-450.3 kPa，增幅達(dá)到25.5%。

3.3 既有隧道變形

盾構(gòu)開挖的擾動(dòng)作用透過(guò)土層傳遞至既有隧道，必將對(duì)既有隧道產(chǎn)生一定影響。在既有隧道縱向上選取5個(gè)斷面，即A、B、C、D、E斷面，A測(cè)點(diǎn)距初始開挖面20 m，后續(xù)每隔5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)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(kuò)為正，拱頂、拱底隆起為正。

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

由計(jì)算結(jié)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(dòng)影響時(shí)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(guò)程中，當(dāng)開挖面在觀測(cè)點(diǎn)后方約1.0～1.5D處時(shí)，既有隧道拱底、拱頂開始產(chǎn)生隆起，隨著開挖面向前推移，各點(diǎn)拱底、拱頂豎向位移逐漸增加，當(dāng)隧道開挖面在觀測(cè)點(diǎn)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(shí)，0.1 MPa頂推力對(duì)應(yīng)盾構(gòu)掘進(jìn)引起既有隧道拱底、拱頂隆起量與0.2 MPa對(duì)應(yīng)值相差不大，但0.4 MPa頂推力對(duì)應(yīng)拱底、拱頂隆起量較0.1 MPa時(shí)有大幅的提升，這是由于頂推力增加時(shí)，對(duì)地層的擾動(dòng)影響范圍也隨之增大，當(dāng)頂推力超過(guò)0.3 MPa時(shí)，擾動(dòng)影響范圍較為顯著的區(qū)域已擴(kuò)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(shí)，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(gòu)通過(guò)后卸載作用明顯，將導(dǎo)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(chǎn)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(guò)程中，由于刀盤推動(dòng)周邊地層，擠壓作用傳遞到既有隧道處，導(dǎo)致其拱腰徑向位移出現(xiàn)略微側(cè)鼓。當(dāng)隧道開挖面到達(dá)測(cè)點(diǎn)處時(shí)，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(diǎn)拱腰徑向位移逐漸增加。當(dāng)隧道開挖面在觀測(cè)點(diǎn)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(gòu)掘進(jìn)引起既有隧道各測(cè)點(diǎn)的拱腰徑向位移值均在0.7～0.8 mm范圍內(nèi)，增加隧道開挖面的頂推力，對(duì)既有隧道拱腰的徑向位移并無(wú)顯著影響。

結(jié)合既有盾構(gòu)隧道豎向及徑向變形可以發(fā)現(xiàn)，新建盾構(gòu)隧道開挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前，即距離約1.0D時(shí)，既有隧道產(chǎn)生“小橫鴨蛋”的變形效應(yīng)，隨著隧道開挖面的不斷推移前進(jìn)，既有隧道斷面橫向逐漸收斂，豎向拉長(zhǎng)，產(chǎn)生“豎鴨蛋”變形效應(yīng)，當(dāng)隧道開挖面在觀測(cè)點(diǎn)前方約1.5～2.0D時(shí)，既有隧道各測(cè)點(diǎn)變位逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

利用數(shù)值仿真方法實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道上穿既有隧道的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，并對(duì)開挖引起的周邊地層及既有隧道的受力變形規(guī)律進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)在盾構(gòu)隧道上穿施工過(guò)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(nèi)。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(dá)前和通過(guò)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(dòng)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(shí)，地表變形及1.0D范圍內(nèi)地層壓力均增大20%以上。頂推力超過(guò)0.3 MPa后，既有隧道處于開挖擾動(dòng)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(dòng)，以拱底為基準(zhǔn)，頂推力自0.1 MPa增加至0.4 MPa時(shí)，上浮量分別為3.8 mm和5.1 mm，增幅為34.2%。

4)由計(jì)算結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道開挖必將通過(guò)地層擾動(dòng)引起周邊既有建筑物的變形變位。對(duì)于平行上穿既有隧道工況，施工過(guò)程中除重點(diǎn)監(jiān)測(cè)開挖面前后1.5D范圍內(nèi)地表隆沉變形以外，對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)自身的變形狀態(tài)，尤其是豎向拉伸情況應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，必要時(shí)加強(qiáng)隧道拱頂和拱底的管片強(qiáng)度，并結(jié)合盾構(gòu)超挖量和盾尾注漿壓力等施工參數(shù)，對(duì)頂推力進(jìn)行綜合調(diào)整，以降低開挖對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)影響。