吳銀柱 章與非

(長春工程學(xué)院,吉林 長春130000)

21世紀(jì)是地下空間開發(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越高，因此地下工程的建設(shè)將面臨地下空間狹小所帶來的挑戰(zhàn)，特別是城市地鐵的建設(shè)中，有關(guān)地鐵隧道的長距離完全重疊的工程也越來越常見。疊落盾構(gòu)隧道的施工對土體及臨近建（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)險等級，研究疊落盾構(gòu)隧道施工對周邊地表及先行隧道的變形影響十分必要。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對疊落隧道施工的地層及先行隧道變形問題進行了研究并取得了成果。于立群[1]通過模糊故障樹理論，計算了疊落隧道施工時既有隧道發(fā)生事故的概率及重要程度，并對此進行分析排序；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]通過研究發(fā)現(xiàn)，在疊落隧道之間土體進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挖的影響。

本文以某地鐵疊落盾構(gòu)隧道工程為依托，針對本工程地質(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，利用Midas GTS NX建立三維有限元模型，進行數(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。

1 工程概況

某地鐵出場線盾構(gòu)工程，出場線右線隧道CDK0+461.379～CDK0+585.714 與地鐵正線左線隧道為長距離完全疊落區(qū)間，疊落區(qū)間長度約為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，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，先掘進下行隧道（正線左線隧道），待下行隧道成型后掘進上行隧道（出場線右線隧道）。

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)施工時應(yīng)注意控制盾構(gòu)掘進及注漿參數(shù)，及時盾尾注漿，除此之外還要在盾構(gòu)施工前對疊落區(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。

由于本工程對軟弱土層淤泥質(zhì)土進行了加固處理，提高了土的強度，改變了原土層的力學(xué)參數(shù)，故在進行三維模型創(chuàng)建時需考慮加固后的土體參數(shù)。針對三軸攪拌樁加固的土體參數(shù)取值問題，筆者查閱大量文獻并結(jié)合本工程的土層特點，最終采用劉慶茶[4]在《關(guān)于水泥攪拌樁對淤泥質(zhì)土體土工參數(shù)的影響》中的公式進行土體參數(shù)換算。但因現(xiàn)場人工、溫度及養(yǎng)護時間等條件的影響，無法完全達(dá)到公式換算所得到的理論數(shù)值，故此地層應(yīng)符合動態(tài)化施工設(shè)計的原則，根據(jù)現(xiàn)場取樣隨時調(diào)整盾構(gòu)施工的設(shè)計參數(shù)，以保證施工安全。因此，在建立有限元模型時，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)驗取值。結(jié)合地勘報告和工程實際情況，將本工程地層進行簡化分析，隧道施工影響范圍地層共分為5層，各土層參數(shù)取值見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

為控制邊界效應(yīng)帶來的影響，模型尺寸為142m（X）×142m（Y）×56m（Z），共劃分194211個網(wǎng)格單元，106606個節(jié)點。模型土層采用修正摩爾庫倫準(zhǔn)則為地層屈服準(zhǔn)則，盾構(gòu)機盾殼、管片及同步注漿層采用彈性模型。模擬時考慮到管片接頭所帶來的影響，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，在進行三維有限元模擬時，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)機掘進深度增加，將注漿范圍內(nèi)地層改變?yōu)樽{力學(xué)屬性。盾構(gòu)機每步掘進尺寸為管片寬度（1.5 m），計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型圖

3 計算結(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挖卸載導(dǎo)致原始地應(yīng)力場發(fā)生破壞，掌子面處應(yīng)力發(fā)生變化，地應(yīng)力場重分布所引起的[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開挖，上行隧道后掘進開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，后行隧道開挖與先行隧道開挖發(fā)生擾動疊加效應(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)掘進開挖致使周邊地層發(fā)生擾動，進而導(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)進行受力分析。上行隧道疊落區(qū)間盾構(gòu)施工結(jié)束時，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為監(jiān)測點，研究上行隧道盾構(gòu)施工過程時，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)掘進開挖卸載導(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)掘進開挖使掌子面土體發(fā)生擠壓，進而向下行隧道傳遞壓力，在盾構(gòu)推進至監(jiān)測點前20m～30m時，監(jiān)測點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)推進至監(jiān)測點前23m處，拱頂最大沉降值為0.24 mm。

（3）上行隧道盾構(gòu)施工時，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)測點前15m時，監(jiān)測點處管片豎向變形發(fā)生劇烈變化。當(dāng)上行隧道盾構(gòu)掘進施工到達(dá)下行隧道監(jiān)測點處正上方時，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)施工通過下行隧道監(jiān)測點約20m處時，下行隧道管片豎向變形值開始趨于平穩(wěn)狀態(tài)。最終監(jiān)測點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有限元分析軟件對某地鐵工程出場線盾構(gòu)區(qū)間段疊落盾構(gòu)隧道施工進行三維數(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 通過對長距離完全疊落區(qū)間盾構(gòu)隧道的施工階段模擬，得出疊落區(qū)間盾構(gòu)隧道分別開挖會造成地表沉降量疊加，且疊加變形相對較大，但沉降槽寬度變化值極小。

4.2 上行盾構(gòu)隧道開挖產(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)加強上行盾構(gòu)隧道施工時監(jiān)測頻率，在變形值達(dá)到預(yù)警值時及時進行二次注漿等措施，以保證下行隧道結(jié)構(gòu)安全。

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