斜向雙線隧道近距離開挖誘發(fā)土體位移研究

張治國， 姜蘊娟

(1. 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院， 上?！?00093；2. 桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室， 廣西 桂林　541004；3. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室， 江蘇 徐州　221116)

0　引言

隨著城市交通需求的飛速增長，地下軌道建設(shè)施工工況日漸復(fù)雜，雙線隧道近距離并行、交疊乃至交叉運行的工況隨之出現(xiàn)，特別是在上海等沿江、沿海地帶，其地下廣泛分布著軟黏土，低承載力、高壓縮性及低滲透性帶來的土體變形問題日益突出。當(dāng)前，對單線隧道周圍環(huán)境影響效應(yīng)的分析已較為成熟，但是針對近距離雙線隧道的研究，從傳統(tǒng)單線隧道開挖的影響機制入手分析很難得到準(zhǔn)確結(jié)果。如何準(zhǔn)確預(yù)測雙隧道近距離施工造成的周圍土工環(huán)境影響，并對近距離施工隧道進行安全性研究，成為亟待深入研究的課題。

很多專家學(xué)者采用理論分析的方法研究了隧道開挖對其周圍土體的影響。王劍晨等[1]將經(jīng)驗參數(shù)修正公式與Peck公式相結(jié)合，為預(yù)測新建隧道下穿施工對既有隧道產(chǎn)生的變形提供了方法。許有俊等[2]推導(dǎo)了既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)隆起變形的計算公式。張穩(wěn)軍等[3]提出了計算雙洞盾構(gòu)隧道非同步開挖引起的地表及深部土體變形的公式。周澤林等[4]考慮地鐵雙線隧道之間的“雙洞效應(yīng)”，得出了明挖卸荷對下臥雙洞隧道縱向變形影響的解析分析方法。王劍晨等[5]基于鏡像法，建立了綜合考慮新建隧道-巖土體-既有隧道3者相互作用的計算模型。

另外，也有很多學(xué)者運用有限元分析軟件進行輔助計算，研究了隧道開挖對其周圍環(huán)境的作用。王忠昶等[6]考慮土體的分層以及隧道施工工序，運用FLAC3D軟件對雙隧道同向先后施工過程進行三維精細數(shù)值模擬。王克忠等[7]以杭州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間的雙線平行隧道為背景，采用三維快速拉格朗日法對不同應(yīng)力釋放率及軸線間距下的隧道施工進行了仿真計算。王東元等[8]對既有大斷面地鐵雙隧道暗挖設(shè)計施工因素對地表變形的影響進行了數(shù)值模擬研究。施有志等[9]針對超大斷面小凈距隧道支護設(shè)計中的圍巖壓力分布和位移變形特征問題，開展了隧道開挖施工力學(xué)形態(tài)數(shù)值模擬分析。劉建偉等[10]采用Unwedge軟件對地下洞室開挖穩(wěn)定性進行定性分析，并采用Midas軟件進行三維施工過程模擬，研究了隧道合理支護參數(shù)和施工步序。

馬少坤等[11]和徐路暢等[12]也結(jié)合相關(guān)試驗針對隧道施工對周圍地層的影響效應(yīng)做了研究。其中，馬少坤等[11]通過離心模型試驗研究了不同埋深雙隧道、不同開挖順序?qū)εR近地埋管線的影響。徐路暢等[12]利用多沉陷門模型試驗裝置和鋼棒相似土構(gòu)建二維試驗條件，通過沉陷門下沉模擬隧道開挖變形，探討了雙線隧道間相互影響以及可靠的地表沉降預(yù)測方法。

文獻[13-15]依據(jù)實際工程的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析計算，得出了隧道開挖對襯砌及周圍環(huán)境的影響。其中，文獻[13]研究了淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道開挖的破壞模式及襯砌荷載分布規(guī)律，獲得了該類型隧道先行洞開挖和雙洞開挖后隧道的破壞模式。文獻[14]從整體變形和單個塊體位移2個角度對既有車站實測位移進行分析，得出淺埋暗挖隧道近接施工分步開挖過程中上覆地鐵結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。文獻[15]以實際單洞大直徑和雙洞小直徑土壓平衡盾構(gòu)工程為背景，針對黏性土地層中盾構(gòu)施工引起的地表變形過程和分布規(guī)律進行了分析。考慮到既有研究成果較少對雙隧道開挖施工造成的土工環(huán)境影響進行分析，尤其是沒有考慮雙隧道之間的相互影響效果，本研究中，重點考慮斜向雙隧道之間的相互影響，以雙隧道的相對位置為變量對施工引起的周邊土層變形進行數(shù)值模擬分析。

本文以上海市軌道交通11號線徐家匯站—上海體育館站區(qū)間的隧道盾構(gòu)開挖工程為背景，采用有限元數(shù)值模擬方法，針對斜向雙線隧道近距離施工對周圍土體環(huán)境的影響進行了分析。

1　工程背景

本文涉及的工程為上海市軌道交通11號線徐家匯站—上海體育館站區(qū)間地鐵隧道。本區(qū)間工程上行線隧道全長為1 612.909 m，長鏈0.626 m，起止里程為SDK34+871.716～SDK36+483.999；下行線隧道全長為1 606.956 m，短鏈5.128 m，起止里程為XDK34+871.716～XDK36+483.800。雙隧道及周圍地層的位置關(guān)系剖面見圖1。

圖1　雙隧道位置關(guān)系剖面圖 (單位： m)

在勘察深度范圍內(nèi)徐家匯站—上海體育館站區(qū)間場地地基土主要由飽和黏性土及粉性土組成。根據(jù)野外鉆探鑒別及室內(nèi)土工試驗成果，結(jié)合靜力觸探及標(biāo)貫試驗成果，土層按其成因類型、結(jié)構(gòu)及其性狀特征可劃分為8層，主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

2　變形數(shù)值模擬方法

2.1　有限元數(shù)值模型

本文有限元數(shù)值模型有以下基本假定：

1) 同一層土體為均質(zhì)、各向同性體，并將土體簡化為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及等向硬化規(guī)律；

2) 計算土體變形時，認為土體在自重作用下已充分固結(jié)；

3) 假定隧道截面形狀為圓形，襯砌為線彈性體；

4) 計算中不考慮隧道襯砌與土體的脫離現(xiàn)象，認為它們始終協(xié)調(diào)變形。

取隧道剖面進行二維有限元數(shù)值分析。圖2為某工況的網(wǎng)絡(luò)離散圖，模型水平長70 m，豎直長50 m。隧道外徑為6.2 m，襯砌厚0.35 m。對水平底邊界施加豎向位移約束，兩側(cè)邊界施加水平向約束，不考慮地下水影響。分別采用15節(jié)點三角形單元進行土的應(yīng)力變形分析，采用板單元模擬隧道襯砌，采用界面單元模擬土和結(jié)構(gòu)的相互作用。

圖2　有限元網(wǎng)格離散圖

2.2　施工工況有限元模擬

本文采用Plaxis有限元計算軟件，通過對隧道襯砌以及土體等結(jié)構(gòu)單元組件的激活和凍結(jié)模擬實際施工情況。通過凍結(jié)土體單元模型模擬土體開挖，激活板單元(隧道襯砌)模擬隧道襯砌施工，具體施工模擬步驟見表2。在研究兩隧道相對位置變化的影響時采用兩隧道同步開挖，即同步挖除土體、安裝襯砌。

表2　施工模擬步驟

為了更方便地表示兩隧道之間的相對位置，引入Sx及Sy2個變量分別表示雙隧道圓心之間的水平距離和豎直距離。本文選取雙線斜向共3種基本工況進行參數(shù)分析，具體模型數(shù)據(jù)如表3所示(其中直徑D=6.2 m)。

表3　隧道位置參數(shù)

3　有限元數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為研究斜向雙線隧道各相對位置開挖引起的影響效應(yīng)，以11號線徐家匯站—上海體育館站區(qū)間隧道盾構(gòu)開挖為基礎(chǔ)建立各工況進行模擬，選取土層總位移、地表豎向位移、深層土體豎向位移以及雙隧道外側(cè)水平位移進行詳細計算分析。

3.1　土層總位移分析

圖3為斜向工況1中7種情況下隧道周邊土體總位移云圖。在該工況下，Sy=3D，Sx分別取為 1.5D、2D、2.5D、3D、4D、5D和6D。由圖3分析可知，土體最大總位移發(fā)生在埋深較淺的隧道附近。在一定范圍內(nèi)，最大總位移值會隨著隧道水平間距的增加而減小，且變化幅度逐漸減小，即隨著雙隧道水平間距的增加，其開挖引起的土體最大總位移值逐漸趨于穩(wěn)定。

(a) Sx=1.5D

(b) Sx=2D

(c) Sx=2.5D

(d) Sx=3D

(e) Sx=4D

(g) Sx=6D

圖4為斜向工況2中6種情況下隧道周邊土體總位移云圖。在該工況下，Sx=2D，Sy分別取為1.5D、 2D、 2.5D、 3D、 4D和5D。由圖4可知，隨著B隧道埋深增加，土體總位移峰值的位置從偏于雙隧道內(nèi)側(cè)逐漸向A隧道正上方移動，且最大總位移值逐漸增大，兩隧道的位移場聯(lián)系更緊密； 另外，B隧道埋深越大，其周圍土體變形越小。

(a) Sy=1.5D

(b) Sy=2D

(c) Sy=2.5D

(d) Sy=3D

(e) Sy=4D

(f) Sy=5D

圖4斜向工況2土層總位移云圖(單位： mm)

Fig. 4Total displacement nephograms of soils in condition 2 (unit: mm)

圖5為斜向工況3中6種情況下隧道周邊土體總位移云圖。在該工況下，Sx=4D，Sy分別取為1.5D、 2D、 2.5D、 3D、 4D和5D。由圖5分析可知，隨著B隧道深度的增加，兩隧道的位移場呈現(xiàn)逐漸融合的趨勢。

(a) Sy=1.5D

(b) Sy=2D

(c) Sy=2.5D

(d) Sy=3D

(e) Sy=4D

(f) Sy=5D

圖5斜向工況3土層總位移云圖(單位： mm)

Fig. 5Total displacement nephograms of soils in condition 3 (unit: mm)

3.2　地表豎向位移分析

為研究以上3種工況下隧道開挖對地表沉降的影響，分別提取3個模型橫坐標(biāo)-35～35 m的地表沉降值繪制曲線。

圖6是Sy=3D時不同水平距離隧道開挖引起的地表沉降對比圖。由圖6可知，地表沉降峰值位置隨較淺隧道移動，可見，埋深較淺的隧道對地表沉降影響較大。隨著隧道水平間距增加，沉降雙峰趨勢逐漸明顯，地表土體最大位移逐漸減小，且變化幅度有所降低，可見，雙隧道水平間距超過一定長度時，開挖引起的土體位移變化趨于穩(wěn)定。隨著兩隧道間距的增加，地表土體沉降量不為零的沉降槽寬度逐漸增大，同時沉降槽“反彎點”的橫坐標(biāo)絕對值隨之減小。

圖6　斜向工況1地表沉降對比

Sx=2D時，不同豎直距離隧道開挖引起的地表沉降對比圖見圖7。由圖7可知，從曲線形狀看，所有圖線都呈現(xiàn)明顯的單峰效果，且兩隧道豎直距離越大，單峰效果越明顯。位移峰值發(fā)生的位置除Sy=1.5D時稍偏向B隧道外，其他幾種工況下峰值位置均在A隧道附近且數(shù)值相差不大。

圖7　斜向工況2地表沉降對比

Sx=4D時，不同豎直距離隧道開挖引起的地表沉降曲線對比圖見圖8。由圖8可知，所有曲線都大致呈雙峰狀態(tài)，且Sy=1.5D時最為突出。土體沉降峰值的位置均在A隧道上方，且隨著隧道間距增加而有所變大； 隨著B隧道埋深增加，其上方的地表沉降值明顯減小，可見增加隧道埋深可有效降低地表沉降值。

圖8　斜向工況3地表沉降對比

3.3　深層土體豎向位移分析

為研究隧道開挖對深層土體豎向位移的影響，分別提取每個模型地下2 m處的土體沉降值。圖9、圖10和圖11分別為3種斜向工況下隧道開挖施工引起的深層土體沉降曲線對比圖。

圖9　斜向工況1深層土體沉降對比

圖10　斜向工況2深層土體沉降對比

圖11　斜向工況3深層土體沉降對比

觀察圖9—11，深層土體的沉降規(guī)律與地表沉降曲線相似，但從沉降值來看，深層土體的沉降值明顯比地表沉降值大，增加比例可達20%，即隧道開挖對深層土體有更大的影響效應(yīng)。因此，在具體工程施工中應(yīng)加強對深層土體的沉降監(jiān)測，以確保土體穩(wěn)定。

3.4　雙隧道外側(cè)水平位移分析

為研究斜向工況1雙隧道相對位置對外側(cè)土體水平位移的影響，取A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移，將所有曲線整合，如圖12所示。

圖12　斜向工況1雙隧道附近土體水平位移曲線對比

Fig. 12Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 1

由圖12可知，所有水平位移工況均在地表及A隧道附近出現(xiàn)較大水平位移。隨著B隧道與A隧道水平距離增大，A隧道附近的位移峰值及土體表面的最大水平位移均大致呈增大趨勢。A隧道中心線以上的土體受擾動較大，而B隧道引起的A隧道左側(cè)土體水平位移極小，可忽略不計。

為研究斜向工況2雙隧道相對位置對外側(cè)土體水平位移的影響，取A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移，如圖13所示。由圖13可知，A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移變化趨勢為A隧道拱底至中心線逐漸增大，隨后至拱頂附近逐漸減小，拱頂至土體表面水平位移又再次增大。隨著B隧道與A隧道豎直距離增大，A隧道附近的水平位移峰值和土體表面最大水平位移大致呈增大趨勢。同時，A隧道中心線以上的土體受擾動較大。

圖13　斜向工況2雙隧道附近土體水平位移曲線對比

Fig. 13Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 2

為研究斜向工況3中雙隧道相對位置對外側(cè)土體水平位移的影響，取A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移，如圖14所示。由圖14可知，水平位移曲線整體趨勢與圖13相似，但位移值變化幅度以及B隧道引起的A隧道拱底以下土體變形效應(yīng)明顯減弱。A、B隧道距離越遠，相互作用越小，因此，增加雙隧道之間的水平距離有利于維持隧道外側(cè)土體穩(wěn)定。

圖14　斜向工況3雙隧道附近土體水平位移曲線對比

Fig. 14Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 3

4　土工環(huán)境影響因素分析

4.1　土體分層影響

為深入分析土體分層對土體變形的影響，先建立一個理想的均質(zhì)土體模型，各項參數(shù)均由實際土層參數(shù)加權(quán)平均求得，見表4。

表4　均質(zhì)土物理力學(xué)參數(shù)

提取斜向工況1中A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移整合，如圖15所示。由圖15可知，曲線整體趨勢與圖12相似，隨兩隧道水平距離變大，A隧道附近的位移峰值先增大后減小，B隧道引起的A隧道左側(cè)水平位移幾乎為零，可見A、B隧道在固定豎直距離的情況下，存在一最不利水平距離，使得地表及A隧道附近的水平位移最大。同時，A隧道中心線以上的土體受擾動程度明顯較大。

圖15　斜向工況1雙隧道附近土體水平位移曲線對比 (均質(zhì)土)

Fig. 15Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 1 (homogeneous soil)

提取斜向工況2中A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移整合，如圖16所示。由圖16可知，隨著兩隧道豎直距離增大，A隧道附近以及地表出現(xiàn)的位移峰值越大，A、B隧道周圍的土體擾動也越明顯。同時隧道中心線以上的土體受擾動程度相對較大。

提取斜向工況3下A隧道最外側(cè)左0.5 m處的水平位移整合，如圖17所示，其曲線趨勢與圖16相似。對比圖16與圖17可知，斜向雙線隧道水平距離越大，引起的隧道外側(cè)水平位移越小，受擾動的土體范圍也變小，因此，增加雙隧道之間的水平距離有利于維持隧道外側(cè)土體穩(wěn)定。

對比圖12與圖15、圖13與圖16、圖14與圖17可知，當(dāng)土體分層時，在分層的界面存在位移突變，而均質(zhì)土工況時曲線更加平滑。同時，土體分層對隧道外側(cè)的水平位移有較大影響。

圖16　斜向工況2雙隧道附近土體水平位移曲線對比 (均質(zhì)土)

Fig. 16Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 2 (homogeneous soil)

圖17　斜向工況3雙隧道附近土體水平位移曲線對比 (均質(zhì)土)

Fig. 17Comparison of horizontal displacement curves of soils close to tunnels in condition 3 (homogeneous soil)

4.2　施工順序影響

為研究雙隧道開挖順序?qū)χ苓呁凉きh(huán)境的影響，選取Sx=4D且Sy=2.5D工況，分別模擬A隧道先行開挖、同時開挖以及B隧道先行開挖3種順序，對比分析施工步驟對作用效應(yīng)的影響。

Sx=4D且Sy=2.5D工況不同施工步驟下的地表沉降曲線對比如圖18所示。同時，整理兩隧道內(nèi)側(cè)(x=-8.8 m和x=8.8 m處)土體水平位移，如圖19所示，其中，x=-8.8 m處位移值表示A隧道右側(cè)土體位移，x=8.8 m處位移值表示B隧道左側(cè)土體位移。

觀察不同施工步驟下的土體變形曲線，可見施工順序?qū)﹄p線隧道土工效應(yīng)存在一定影響，說明該模型不滿足疊加原理，屬于彈塑性分析。

圖18　不同施工步驟的地表沉降曲線對比

Fig. 18Comparison of ground surface settlements in different construction steps (Sx=4DandSy=2.5D)

圖19　不同施工步驟下雙隧道內(nèi)側(cè)土體水平位移曲線對比

Fig. 19Comparison of horizontal displacement curves of soils inside tunnels in different construction steps (Sx=0 andSy=2.5D)

5　結(jié)論與討論

結(jié)合上海市軌道交通11號線徐家匯站—上海體育館站區(qū)間隧道盾構(gòu)開挖工程，采用有限元數(shù)值模擬方法，針對斜向雙線隧道施工對周圍土工環(huán)境的影響效應(yīng)進行了分析，得到如下結(jié)論。

1) 地表沉降曲線在雙線隧道水平距離較小時主要呈單峰狀態(tài)且兩隧道豎直距離越大，單峰效果越明顯； 隨著水平距離增大，逐漸出現(xiàn)雙峰效果，且雙線隧道豎直距離越小，雙峰效果越明顯。埋深較淺的隧道施工對地表沉降的影響較大。深層土體沉降曲線與地表沉降曲線的規(guī)律相似，但沉降值明顯比地表沉降值大。

2) 3種斜向工況均在土體表面及較淺隧道附近出現(xiàn)了較大的水平位移。隨著B隧道與A隧道距離增大，A隧道附近的位移峰值及土體表面的最大水平位移均有所增加。兩隧道水平距離越遠，其相互影響作用越小，因此，增加雙隧道之間的水平距離有利于維持雙隧道外側(cè)土體穩(wěn)定； 同時，隧道中心線以上的土體受擾動較大。

3) 當(dāng)土體分層時，在分層的界面存在位移突變，而均質(zhì)土工況時曲線更加平滑，同時，土體分層對隧道外側(cè)的水平位移有較大影響。施工順序?qū)﹄p線隧道的土工效應(yīng)存在一定影響，說明該模型不滿足疊加原理，屬于彈塑性分析。

4) 由于試驗變量的控制、實際工程的規(guī)模等因素，針對雙隧道相對位置變化對土體位移影響效應(yīng)的試驗或?qū)崪y研究存在較大困難，在未來的研究中可有針對性地進行深入探索。