盾構(gòu)隧道近接淺埋式矩形隧道合理凈距的研究

李巖松，陳壽根，周澤林

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下建筑也在不斷發(fā)展，地鐵建設(shè)過程中不可避免的出現(xiàn)了小凈距重疊隧道的情況。隧道開挖使圍巖受到擾動，繼而波及附近圍巖，當(dāng)隧道之間距離很接近時，附近的圍巖又會對已建成隧道造成影響，這使得土體力學(xué)行為變得極為復(fù)雜。因此，對小凈距隧道的研究變得極為重要。國內(nèi)外已經(jīng)對該類工程進(jìn)行了相關(guān)研究，也取得了很多成果。如王明年等人［1］以紅嶺中路－老街－曬布段區(qū)間重疊隧道為背景，對34種工況進(jìn)行模擬分析后，對小凈距重疊隧道重疊段近接分區(qū)進(jìn)行研究，為重疊段區(qū)間隧道的設(shè)計與施工提供了理論支撐;李朋等人［2］對武漢地鐵2號線1期工程和4號線1期工程中建設(shè)的4孔交疊盾構(gòu)隧道進(jìn)行了三維有限元模擬，分析盾構(gòu)掘進(jìn)對地表沉降的影響，以及后挖隧道對先挖隧道變形與受力的影響。雖然國內(nèi)外已經(jīng)對小凈距隧道進(jìn)行很多研究，但在對上部為淺埋式矩形閉合框架隧道，下部為雙線盾構(gòu)隧道的小凈距重疊隧道工程的研究還是比較少的。因此，極有必要對在該種工程條件下引起的圍巖力學(xué)行為進(jìn)行研究。

1 工程概況

深圳地鐵11號線起于福田站，終至碧頭站，線路全長51.73 km(其中地下線長34.99 km)，最高運(yùn)行速度為120 km/h。深圳地鐵11號線具備快速聯(lián)系城市中心區(qū)與西部片區(qū)的功能，同時兼顧機(jī)場快線功能，串聯(lián)了福田中心區(qū)、南山、前海、機(jī)場、福永、沙井、松崗等片區(qū)。本項研究的工程背景為深圳地鐵11號線南山—前海灣區(qū)間隧道。

深圳地鐵11號線南山—前海灣區(qū)間隧道東起桂廟路路口，在桂廟路下向西穿行，經(jīng)過前海路、月亮灣大道和平南鐵路后，進(jìn)入前海片區(qū)，最后到達(dá)前海灣站，全長約3.627 km。隧道穿越的地層主要為礫質(zhì)黏性土、全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、個別地段為淤泥、砂層、填石層、孤石和基巖凸起等。區(qū)間隧道(并行盾構(gòu)隧道)埋深17.6～29.3 m，線間距13.0～19.2 m，采用盾構(gòu)法施工，與先期建設(shè)的桂廟路下穿隧道(在區(qū)間隧道上方，寬37.1 m，高7.1 m，明挖法施工)重疊(上下重疊隧道)約2.2 km(雙線)，區(qū)間隧道與桂廟路下穿隧道的最小凈距僅為1.0 m。

2 計算模型及參數(shù)的確定

2.1 有關(guān)假定和計算前提

(1)設(shè)各土層為各向同性材料，無節(jié)理、裂隙，且水平分布。(2)在計算中將各向不連續(xù)盾構(gòu)裝配式襯砌視為連續(xù)均質(zhì)圓筒，不考慮襯砌管片橫向和縱向連接。(3)通過分別改變上下重疊隧道、水平并行隧道之間凈距來模擬多種工況下(共60種工況)隧道圍巖力學(xué)行為。如圖1所示，計算時矩形閉合框架隧道埋深A(yù)始終為3 m，雙線盾構(gòu)隧道與矩形閉合框架隧道凈距 B 分別取 1、2、3、4、5、6、7、8、10、12 m。雙線盾構(gòu)隧道凈距 d 分別取 3.3、4.3、5.3、6.3、7.3、13.3 m(凈距為 0.5D、0.65D、0.8D、0.95D、1.1D、2D(D 為隧道外徑，D=6.7 m))。(4)為了在一定程度上反應(yīng)地層注漿對盾構(gòu)隧道的影響，本文設(shè)定注漿材料在計算時強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。并且，假定注漿層厚度為盾尾空隙，即與盾殼厚度相等，為10 cm。(5)對盾構(gòu)通過時盾殼附近的圍巖參數(shù)進(jìn)行一定程度的折減，用來模擬盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生的地層損失。(6)土層、襯砌及注漿層材料均設(shè)定服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。(7)在進(jìn)行地應(yīng)力平衡計算時將土層的抗拉強(qiáng)度取較大值，以保證計算收斂。而在后續(xù)計算中將抗拉強(qiáng)度再改回實(shí)際值。(8)矩形閉合隧道開挖計算，然后進(jìn)行隧道左線開挖計算，后進(jìn)行隧道右線開挖計算［3-5］。

圖1 隧道分布示意

2.2 有限元計算模型建立

鑒于工況較多且模型尺寸大，為簡化并加速計算，本次計算采用FLAC有限差分軟件，在縱向上取1 m厚度進(jìn)行二維模擬計算［6-7］。模型尺寸寬150 m(矩形閉合框架單跨18 m，左右各取3倍跨長)，高80 m(模型底部距離隧道底部最小距離約為50 m，約為矩形閉合框架隧道高的5倍)。根據(jù)計算需要，計算模型如圖2所示。

圖2 隧道計算模型

2.3 計算參數(shù)

結(jié)合深圳地鐵11號線南山—前海灣區(qū)間隧道地質(zhì)報告，模型計算采用的地層及材料參數(shù)見表1。

表1 地層及材料參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

在對模擬結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)后，提出矩形隧道的管幕作用(圖3)。上部矩形隧道由于寬度大，整體剛度大，對圍巖有一定的支擋作用，其結(jié)構(gòu)類似于管幕結(jié)構(gòu)［8］。在摩爾-庫倫模型中土體的剪切破壞面與最大主應(yīng)力之間的夾角為(45°+φ/2)，根據(jù)摩爾－庫倫模型土體剪切破壞角，估算出上部矩形隧道管幕作用影響范圍大致為沿剪切破壞面(45°+φ/2)角度，以矩形隧道寬度為底邊的閉合等腰三角形區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)均受管幕效應(yīng)的影響，且距離矩形隧道越近，影響越大。

圖3 管幕作用示意

3.1 地表及拱頂沉降分析

圖4為地表沉降與上下隧道凈距曲線圖，地表沉降隨上下隧道凈距的增大而增大(在凈距達(dá)到12～14 m時盾構(gòu)隧道進(jìn)入全風(fēng)化片麻狀花崗巖地層，這與黏性土層在性質(zhì)上有較大差別，所以導(dǎo)致沉降值突然減小)，但整個曲線呈下凸?fàn)?，說明地表沉降隨埋深增大而增大，但增大的趨勢越來越小，這種情況是多種因素作用的結(jié)果。首先，由于上部矩形隧道跨度大(單跨18 m，總寬度約37 m)且剛度大，當(dāng)盾構(gòu)隧道與淺埋式矩形隧道重疊修建時，上部矩形隧道管幕作用明顯，對圍巖有一定的支擋作用，從而對土層應(yīng)力、地層變形、結(jié)構(gòu)位移有一定的改善作用。其次由于盾構(gòu)隧道埋深較淺土體應(yīng)力小，所以地層沉降、拱頂沉降很小。

圖4 地表沉降與上下隧道凈距曲線

盾構(gòu)隧道與矩形隧道距離較近時，管幕作用(圖4)明顯，但當(dāng)盾構(gòu)隧道與矩形隧道距離越來越大時，管幕作用下降。如圖5所示，凈距從1 m增加到2 m時拱頂沉降增加量最多，再加上上下隧道凈距增大，埋深增大，隧道上部土壓力增大，使得隧道拱頂沉降增大，地表沉降也隨之增大。但隨著盾構(gòu)隧道埋深加深，地表沉降的增加量在減小，最終沉降趨于穩(wěn)定。

圖5 拱頂沉降與上下隧道凈距曲線

從圖4和圖5還可以看到，當(dāng)埋深相同時地表沉降隨盾構(gòu)隧道凈距增大而減小，證明隨著平行隧道凈距的增大，土層應(yīng)力狀態(tài)有明顯的改善。再加上上部矩形隧道的管幕作用，在盾構(gòu)隧道埋深較淺時地表沉降只有幾毫米甚至是零沉降。

3.2 盾構(gòu)隧道中央夾巖豎向應(yīng)力分析

選取盾構(gòu)隧道圓心連線中點(diǎn)處的夾巖豎向應(yīng)力進(jìn)行比較。如圖6所示，在上下重疊隧道凈距不變的情況下，中央夾巖豎向應(yīng)力隨著兩隧道凈距的增大而減小，當(dāng)上下重疊隧道凈距較大時(大于10 m)，圖6與文獻(xiàn)［9］中“中央夾巖核心區(qū)豎向應(yīng)力與凈距的關(guān)系曲線圖”吻合的較好，即:當(dāng)兩隧道凈距減小到一定范圍時，中央夾巖豎向應(yīng)力迅速增大。但當(dāng)上下隧道重疊凈距較小時(小于8 m)，中央夾巖應(yīng)力變化不明顯，甚至可以視為線形變化或無變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與上部矩形隧道的管幕作用是分不開的。

圖6 水平隧道間距與中央夾巖豎向應(yīng)力曲線

3.3 塑性區(qū)分析

在有上部矩形隧道的情況下塑性區(qū)的分布也與往常的重疊隧道不同。在盾構(gòu)隧道近接分區(qū)的分析中［1］橫向近接影響范圍為2.5D，豎向近接影響范圍為3.5D，根據(jù)屈服接近度(yield approach index)的概念［10］，可以知道近接并行盾構(gòu)隧道圍巖力學(xué)效應(yīng)優(yōu)于近接重疊盾構(gòu)隧道。但是在管幕作用的影響下，近接重疊隧道圍巖力學(xué)效應(yīng)優(yōu)于并行盾構(gòu)隧道。

在上下重疊隧道凈距較小時(凈距小于0.5D)，盾構(gòu)隧道上部土層較薄，拱頂土層松動使塑性區(qū)呈拉伸破壞。盾構(gòu)隧道之間夾巖塑性區(qū)隨盾構(gòu)隧道凈距的增大而減小，在兩隧道間凈距為13.3 m時(2D)塑性區(qū)不再連通，圍巖穩(wěn)定性有很大改善。當(dāng)上下重疊隧道凈距逐漸增大時，拱頂受拉區(qū)面積逐漸減小，在凈距為4 m(0.6D)時，拱頂受拉破壞塑性區(qū)消失。

在對塑性區(qū)的分析中發(fā)現(xiàn):豎向塑性區(qū)在凈距0.6D時就已經(jīng)消失，而橫向塑性區(qū)在凈距1.8D時才不再連通，這說明在管幕作用的影響下近接重疊隧道圍巖力學(xué)效應(yīng)是優(yōu)于并行盾構(gòu)隧道的。

在上下重疊隧道凈距4 m、并行盾構(gòu)隧道凈距13.3 m時出現(xiàn)了“W”狀塑性區(qū)，塑性區(qū)沿盾構(gòu)隧道左線、右線分別向左上和右上延伸，這與管幕效應(yīng)影響邊界大致相同。當(dāng)上下重疊隧道凈距6 m、并行盾構(gòu)隧道凈距13.3 m時，“W”狀塑性區(qū)已經(jīng)非常明顯(圖7)。

圖7 工況B=6 m、C=20 m時的塑性區(qū)

當(dāng)并行盾構(gòu)隧道凈距較小時，圍巖受力復(fù)雜，中央夾巖處塑性區(qū)連通，圍巖穩(wěn)定性受到影響，隨著盾構(gòu)隧道凈距的增加，圍巖應(yīng)力得到了很大改善，塑性區(qū)變小，且逐漸不連通。但當(dāng)凈距繼續(xù)增大時，“W”狀塑性區(qū)出現(xiàn)，塑性區(qū)面積反而急劇增大，這對隧道穩(wěn)定性很不利。

在對所有工況的塑性區(qū)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)隧道塑性區(qū)的分布尤其是“W”狀塑性區(qū)的出現(xiàn)位置與管幕效應(yīng)影響區(qū)域密切相關(guān)。即:隨著上下重疊隧道凈距增大，“W”狀塑性區(qū)出現(xiàn)時左右隧道凈距越來越小?！癢”狀塑性區(qū)總是沿著管幕效應(yīng)影響區(qū)域邊界出現(xiàn)。雖然上下重疊隧道凈距增大時隧道間相互影響變小，并行盾構(gòu)隧道拱頂土體不會產(chǎn)生拉伸破壞，但是塑性區(qū)卻呈由“W”或“X”狀延伸。這說明:當(dāng)上下重疊隧道凈距過大或者并行盾構(gòu)隧道之間凈距過大時，土體會沿管幕效應(yīng)影響邊界(與水平面約呈(45°+φ/2)角度)發(fā)生剪切破壞。

分析后還發(fā)現(xiàn)，3條隧道中央夾巖的圍巖穩(wěn)定性必須受到重視。無論是在凈距均最小時還是在凈距均最大時，中央夾巖的塑性區(qū)面積都很大，并且只在上下隧道重疊凈距小于5 m且并行盾構(gòu)隧道凈距很大(2D)時塑性區(qū)不連通，而在其他工況下塑性區(qū)始終連通，甚至在上下重疊隧道凈距12 m、并行盾構(gòu)隧道凈距13.3 m時仍然連通，并且沒有改善跡象。因此，在隧道修建時有必要對三條隧道的中央夾巖進(jìn)行加固，以確保隧道的安全、穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)對深圳地鐵11號線南山—前海灣區(qū)間隧道與桂廟路下穿矩形閉合隧道的數(shù)值模擬分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)通過對矩形閉合隧道、盾構(gòu)隧道相互近接作用的分析，提出大跨度矩形閉合隧道的管幕作用。其影響范圍是沿摩爾—庫倫模型剪切破壞面(45°+φ/2)角度，以矩形隧道寬為底邊的閉合等腰三角形區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)均受到矩形隧道管幕效應(yīng)的影響，且距離矩形隧道越近影響越大。

(2)當(dāng)上下隧道凈距不大于4 m(0.6D)時，雖然在管幕作用下地表沉降很小、中央核心土豎向應(yīng)力平穩(wěn)沒有較大變化且應(yīng)力很小，但近接效應(yīng)占據(jù)主要作用，3條隧道塑性區(qū)均互相連通，圍巖穩(wěn)定性很差。

(3)上下重疊隧道凈距5 m(0.8D)時拱頂塑性區(qū)消失。并行盾構(gòu)隧道中央夾巖豎向應(yīng)力平穩(wěn)、塑性區(qū)不連通。但此時若并行隧道凈距較大則會出現(xiàn)“W”狀塑性區(qū)。

(4)在上下重疊隧道凈距大于7 m時，并行盾構(gòu)隧道中央夾巖豎向應(yīng)力隨凈距大小變化明顯，“W”狀塑性區(qū)在并行盾構(gòu)隧道凈距不大時就已經(jīng)出現(xiàn)。

(5)矩形閉合框架隧道與盾構(gòu)隧道中央夾巖的穩(wěn)定性值得關(guān)注，塑性區(qū)面積很大，在隧道開挖之前，有必要對中央夾巖采取一定的加固措施。

(6)矩形隧道的管幕作用減少了地表沉降，明顯改善了盾構(gòu)隧道之間夾巖豎向應(yīng)力。在管幕作用影響區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)明顯減少，圍巖穩(wěn)定性得到較大提升。但是矩形隧道管幕作用對結(jié)構(gòu)不利作用也很明顯，盾構(gòu)隧道在穿越管幕作用影響區(qū)邊界時會出現(xiàn)較大面積“W”狀塑性區(qū)，這對圍巖穩(wěn)定性造成較大影響。

(7)在矩形隧道管幕作用的影響下，并行盾構(gòu)隧道與矩形框架閉合隧道凈距應(yīng)盡量保持在5(0.8D)～7 m(1.1D)，而并行盾構(gòu)隧道之間凈距應(yīng)盡量保持在7(1.1D)～12m(1.8D)。并且當(dāng)上下重疊隧道凈距增大時，并行盾構(gòu)隧道之間凈距應(yīng)在允許的條件下盡量減小。

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