馬登肅

（甘肅公航旅通定高速公路管理有限公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

在山嶺重丘區(qū)高速公路隧道工程建設(shè)中，會存在明挖公路隧道臨近盾構(gòu)隧道同時(shí)施工的現(xiàn)象。盾構(gòu)隧道施工是在地層中掘進(jìn)隧道的一種施工方法，具有技術(shù)成熟、設(shè)備先進(jìn)、施工方便等特點(diǎn)，但在臨近明挖公路隧道工程實(shí)施盾構(gòu)隧道施工時(shí)，由于開挖面積大、擾動因素多且對周圍環(huán)境影響嚴(yán)重，使明挖公路隧道出現(xiàn)不同程度的變形情況，嚴(yán)重危害工程施工質(zhì)量及安全性[1]。為此，積極探索盾構(gòu)隧道施工對在建明挖公路隧道變形的影響，并提出科學(xué)防范措施，具有非常鮮明的現(xiàn)實(shí)意義[2]。以某山嶺重丘區(qū)在建高速公路隧道工程建設(shè)為背景，應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，研究了盾構(gòu)隧道不同位置施工對在建明挖公路隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形影響，揭示了盾構(gòu)隧道施工引起的在建明挖公路隧道變形的規(guī)律，為同類型工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工，提供了有益參考與指導(dǎo)。

1 工程概況

某山嶺重丘區(qū)2 條在建高速公路隧道設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)施工法和明挖施工法同時(shí)進(jìn)行。明挖公路隧道斷面寬28.5m，高10.1m，主體結(jié)構(gòu)頂板厚1280mm，底板厚1280mm，側(cè)墻厚1200mm。盾構(gòu)隧道外徑6.7m，管片厚360mm。結(jié)合工程斷面土層性質(zhì)分析來看，該區(qū)域所處土層主要以含砂粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、風(fēng)化混合花崗巖為主，增加了盾構(gòu)隧道施工難度及斷面變形風(fēng)險(xiǎn)。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立及參數(shù)選取

為準(zhǔn)確評估盾構(gòu)隧道不同位置施工對明挖公路隧道變形影響的情況，選取明挖公路隧道施作底板后，盾構(gòu)隧道從右方鄰側(cè)施工進(jìn)行數(shù)值分析。并采用FLAC3D 型有限差分軟件，進(jìn)行明挖公路隧道與盾構(gòu)隧道施工過程模擬計(jì)算。為最大限度地消除模型邊界對模擬結(jié)果的影響，土體模型豎向尺寸設(shè)定為80m，橫向取206.7m，建立數(shù)值模型。土層分布簡化情況及土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。在數(shù)值模型中，盾構(gòu)隧道管片、地連墻、明挖隧道主體結(jié)構(gòu)均采用彈性混凝土進(jìn)行模擬，彈性模量選取33GPa，泊松比取0.2。

表1 土體物理學(xué)指標(biāo)

2.2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

綜合分析明挖公路隧道埋深、周邊環(huán)境變化等可能引起工程變形的因素，評估所選斷面風(fēng)險(xiǎn)等級為一級。為有效保證明挖公路隧道及臨近盾構(gòu)隧道施工的安全性，通過對二者不同平面位置關(guān)系控制，共設(shè)計(jì)了24 組工況。H 代表選取斷面明挖公路隧道的開挖深度，取18m。數(shù)值模擬工況如圖1 所示。模型計(jì)算時(shí)，重點(diǎn)考慮明挖公路隧道實(shí)際施工工序，分8 個(gè)計(jì)算步驟，進(jìn)行盾構(gòu)隧道鄰側(cè)施工對在建明挖公路隧道的負(fù)性影響探究，當(dāng)明挖公路隧道施工至底板澆筑完成后，模擬盾構(gòu)隧道在其同斷面右側(cè)通過。

圖1 數(shù)值模擬工況示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對比分析

結(jié)果表明，1—7 段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢基本一致，盾構(gòu)隧道在下穿通過明挖公路隧道右側(cè)斷面時(shí)，圍護(hù)墻向外的水平向最大側(cè)向位移約為1.18mm，向內(nèi)的最大側(cè)向位移約為0.23mm。在盾構(gòu)隧道施工過程中，在建明挖公路隧道將受到影響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二者距離越近，對在建明挖公路隧道變形影響越大。

3.2 土體附加應(yīng)力值對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道施工過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力主要由三部分組成：盾構(gòu)開挖形成的擾動應(yīng)力；土體壓縮變形引起的附加應(yīng)力；圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移引起的附加應(yīng)力。其中，地表沉降變形會引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和圍護(hù)墻側(cè)向位移，地表變形可分為水平和豎直兩個(gè)方向，豎向變形由側(cè)圍壓力導(dǎo)致。在水平方向受施工擾動時(shí)，土體發(fā)生了三向壓縮，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形受開挖面?zhèn)葒鷫毫τ绊憽Ｒ虼?，隧道開挖造成的地表沉降在隧道開挖前就已發(fā)生但難以預(yù)測，這是在盾構(gòu)隧道施工過程中存在一個(gè)較大擾動造成的。而地面沉降主要由地下水引起，與隧道開挖深度、距離土層深淺有關(guān)。因此，盾構(gòu)隧道施工后的地面沉降變化將會影響臨近明挖公路隧道工程。

3.3 圍護(hù)墻沉降預(yù)測

隧道施工引起圍護(hù)墻沉降，將導(dǎo)致周邊土體變形，而周邊土體變形又影響隧道安全運(yùn)營。因此，有必要對圍護(hù)墻進(jìn)行預(yù)測，并合理地控制和預(yù)測其變形。根據(jù)上述模擬算法，可以得到圍護(hù)墻穩(wěn)定狀態(tài)下，各時(shí)刻圍護(hù)墻頂部與底部位移值與相應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，且變化趨勢基本一致。因此，在隧道施工過程中，應(yīng)該隨時(shí)監(jiān)測圍護(hù)墻的沉降情況。若發(fā)現(xiàn)圍護(hù)墻頂部發(fā)生沉降或其他異常情況，需及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

3.4 地表沉降分析

根據(jù)基坑周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析可知，基坑施工過程中周圍地表沉降量較小且在施工過程中一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。在隧道開挖初期，因盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，對周邊地表產(chǎn)生不均勻沉降較小。隨著掘進(jìn)速度加快，圍護(hù)墻側(cè)向位移不斷增大，并最終導(dǎo)致圍護(hù)墻發(fā)生變形。開挖結(jié)束后，地表沉降量均有所減小，并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著施工時(shí)間的延長及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度的加快，地表沉降量均呈緩慢增長趨勢。隨著管棚施工期和開挖后持續(xù)穩(wěn)定期，地面沉降逐漸趨于平緩并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。由上述分析可知：

其一，由于管棚埋設(shè)段和管棚施工期對周邊地面沉降影響較小并且其影響范圍均位于基坑開挖范圍內(nèi)，故該工程中的基坑開挖對周圍地層變形影響甚微。其二，隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行及掘進(jìn)速度加快，圍護(hù)墻側(cè)向位移逐漸增大并最終導(dǎo)致其發(fā)生變形。

3.5 地層沉降變形分析

考慮到盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降變形主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，故將其整體作為一個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。隧道周邊的地表沉降由施工前的12.38mm逐漸增大至開挖結(jié)束后的4.47mm，其主要原因是該區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過程中將基坑開挖區(qū)域土體向隧道方向擠壓，導(dǎo)致了基坑外側(cè)土體擠密程度的增加。在盾構(gòu)掘進(jìn)后期，隨著管棚埋設(shè)段圍護(hù)墻側(cè)向位移逐漸增大，土體發(fā)生液化使得土層受到擠密，進(jìn)一步加大了地表沉降速率[4]。在明挖段，由于土層擠密導(dǎo)致隧道變形受到一定限制，且管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)施工引起的地層沉降量在整個(gè)施工期間變化趨勢一致，其最大沉降值分別為4.45mm 和4.47mm。隨著地層沉降速率不斷減小，地面沉降也不斷減小，其中管棚埋設(shè)段的地表沉降量最大（1.44mm），管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)施工期及盾構(gòu)施工后地面沉降量最?。ǚ謩e為0.28mm、0.02mm），而當(dāng)管棚支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，地表沉降量將會明顯增大。

4 臨近明挖公路隧道盾構(gòu)隧道施工變形控制措施

為控制隧道施工中地面沉降問題，首先做好盾構(gòu)機(jī)選型工作，確保其運(yùn)行參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)等都具備較高的合理性；其次，對地面沉降及盾構(gòu)通過后的沉降問題進(jìn)行控制，確保明挖公路隧道施工不受其影響。

4.1 盾構(gòu)機(jī)選型

結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場地質(zhì)情況、土層分析、已有成果（見表2），發(fā)現(xiàn)可適用于該隧道施工的盾構(gòu)機(jī)只有兩種，即土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。單從地質(zhì)狀況角度而言，在處理有害氣體、承壓水層及砂性土層施工方面，泥水平衡盾構(gòu)優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。綜合考慮項(xiàng)目工況條件、周邊環(huán)境等方面，該項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先考慮土壓平衡盾構(gòu)。

表2 土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)綜合比較

4.2 地面初期沉降控制

在開展盾構(gòu)隧道施工初期，沉降現(xiàn)象不太明顯。大量隧道工程盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，開挖面前10m 處，土層存在附加應(yīng)力，隨著盾構(gòu)隧道施工的推進(jìn)，在開挖面前方5m 處，應(yīng)力值僅為0.02MPa。為有效控制此時(shí)期地面沉降問題，選擇調(diào)整盾構(gòu)隧道施工狀態(tài)，確保盾構(gòu)隧道施工的連續(xù)性與均衡性，盡量縮短中途停機(jī)時(shí)間。

4.3 開挖面沉降控制

為達(dá)到開挖面沉降控制目的，需對土倉壓力進(jìn)行動態(tài)化調(diào)整。設(shè)定值應(yīng)經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)算，確保其滿足土倉平衡土壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，并動態(tài)調(diào)整螺旋機(jī)的出土量、推力、貫入量等，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)土倉壓力穩(wěn)定效果[5]。

4.3.1 土倉壓力的計(jì)算方法

土倉壓力的計(jì)算應(yīng)以現(xiàn)場地質(zhì)條件和埋深情況為基礎(chǔ)，將全覆土重理念引入理論土壓力計(jì)算。如遇黏性地層，計(jì)算時(shí)采取土體濕容重水土合算靜止土壓力的方式，兼顧地面附加應(yīng)力值。計(jì)算公式如下：

式（1）中：P為理論土壓力（kPa）；K為靜止側(cè)壓力系數(shù)；y為濕容重（kg/m3）；h為隧道埋深（m）。

4.3.2 土壓動態(tài)化控制

在盾構(gòu)掘進(jìn)階段，嚴(yán)格控制螺旋輸送機(jī)工作狀態(tài)，確保其均勻出土，降低土壓波動范圍。在拼裝階段，應(yīng)以施工進(jìn)度為準(zhǔn)，在每次停止掘進(jìn)前，都創(chuàng)建相對較高的土壓值。如果因長時(shí)間停機(jī)造成土壓下降，可采取間歇推進(jìn)憋土穩(wěn)壓方式，經(jīng)加壓維持土壓的穩(wěn)定性。

4.3.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

（1）滾動糾偏。為達(dá)到滾動糾偏目的，可使盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)。盾構(gòu)刀盤理論允許滾動偏差≤1.5°，當(dāng)＞1.5°時(shí)，盾構(gòu)機(jī)會發(fā)出警報(bào)，并通過切換刀盤滾動方向?qū)崿F(xiàn)糾偏。

（2）豎向糾偏。豎向糾偏主要通過控制盾構(gòu)機(jī)方向?qū)崿F(xiàn)，施工人員結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用千斤頂施加單側(cè)推力，使盾構(gòu)機(jī)方向得到合理控制。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)下俯現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)加大千斤頂?shù)捻斖屏?；?dāng)盾構(gòu)機(jī)上仰時(shí)，應(yīng)加大千斤頂?shù)南峦屏Γ瑢?shí)現(xiàn)糾偏。

（3）水平糾偏。同豎向糾偏原理一致，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)偏向左側(cè)時(shí)，用千斤頂施加向右推力，反之，則施加向左推力實(shí)現(xiàn)糾偏。

4.4 盾構(gòu)通過后的沉降控制

在盾構(gòu)通過后，地面沉降控制是全流程中最為重要的工作。因?yàn)樵诖穗A段，地面沉降發(fā)生概率最高，沉降量達(dá)到全過程總沉降的40%～45%。盾構(gòu)通過后的沉降控制方式一般選擇同步注漿法，可有效降低盾尾空隙區(qū)域的地層變形概率，進(jìn)而提升隧道的抗?jié)B能力，確保其保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

同步注漿效果與漿液性能密切相關(guān)，考慮到凝結(jié)時(shí)間，選擇惰性漿液最為合適，該漿液可享受到更加充足的同步注漿壓力。在單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)后續(xù)多環(huán)傳壓和補(bǔ)壓，提升注漿效果，進(jìn)一步降低隧道土體所產(chǎn)生的時(shí)效沉降量。結(jié)合施工需求，惰性漿液配比應(yīng)照粉煤灰∶膨潤土∶消石灰∶砂∶水=15∶4∶4∶55∶17 方式進(jìn)行調(diào)配。

5 結(jié)語

受設(shè)計(jì)方案及工期安排限制，高速公路盾構(gòu)隧道、明挖公路隧道同時(shí)施工現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。雖然這一安排方式能有效節(jié)約施工時(shí)間，但同時(shí)施工會因二者彼此影響帶來變形風(fēng)險(xiǎn)。為此，積極探究盾構(gòu)隧道施工對在建明挖公路隧道變形影響因素及規(guī)律，并提出科學(xué)有效的整改方案，對保障工程施工質(zhì)量及施工安全具有非常重要的作用。以某同期施工的盾構(gòu)隧道與明挖高速公路工程為例，應(yīng)用FLAC3D 數(shù)值仿真法分析了盾構(gòu)隧道不同位置施工對明挖公路隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形的影響機(jī)理，提出科學(xué)有效的應(yīng)對措施，為相關(guān)企業(yè)提供了有益參考與指導(dǎo)。