軟土地區(qū)隧道盾構(gòu)法施工下穿既有隧道影響數(shù)值模擬

曲 勰

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

隨著我國城市地下交通需求的日益增長，在未來數(shù)年內(nèi)，隧道交通建設(shè)將迅猛發(fā)展。到2020年，我國城市軌道交通運營里程或達到6 000 km。在部分一線及二線城市地鐵隧道交通建設(shè)中，線路交叉施工將會越來越常見。尤其是長三角發(fā)達地區(qū)，隧道穿越施工是不得不面臨的一施工關(guān)鍵節(jié)點，如果隧道穿越施工所在土層為軟土層，尤其是強度低，靈敏度高的淤泥質(zhì)軟土層中時，隧道盾構(gòu)法施工易造成周圍土體的擾動。施工參數(shù)的選取就顯得異常重要，需嚴格控制并通過數(shù)值計算分析來驗證其合理性。

1 盾構(gòu)法施工對地層擾動機理

盾構(gòu)法修建隧道引起地層位移的主要原因是施工過程中的地層損失、地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變、土體的固結(jié)及土體的蠕變效應(yīng)、襯砌結(jié)構(gòu)的變形等，盾構(gòu)施工對周圍土體影響示意圖見圖1。其發(fā)展過程可分為開挖面前隆起、盾構(gòu)通過時沉降、盾尾空隙沉降、后期蠕變沉降4個階段，其產(chǎn)生的原因與機理可見表1。

2 工程概況

杭州某擬建地鐵隧道底埋深約32.7 m，線間距約16.2 m下穿已運營地鐵1/4號線，既有盾構(gòu)隧道由北向南依次為1號線左線(底埋深20.4 m)、4號線右線(底埋深23.7 m)、4號線左線(底埋深17.1 m)和1號線右線(底埋深20.0 m)。既有隧道均錯縫拼裝混凝土管片，外徑6.2 m，厚0.35 m，寬1.2 m。所處地層為③-3粉砂夾砂質(zhì)粉土和⑥-1淤泥質(zhì)粘土。最小凈距約3.1 m，所夾土層為⑥-1淤泥質(zhì)黏土。擬建區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，襯砌采用直線環(huán)加轉(zhuǎn)彎環(huán)進行錯縫拼裝，壁厚350 mm，環(huán)寬1.2 m，C50混凝土，環(huán)向管片間用12個M30螺栓連接，縱向襯砌環(huán)間用16個M30螺栓連接。下穿段管片配筋選用超深埋類，管片增設(shè)預(yù)埋注漿管，管片螺栓等級加強為8.8級。根據(jù)監(jiān)測情況進行二次注漿，注漿應(yīng)遵循“多點、低壓、多次”注漿原則，降低注漿壓力影響。擬建隧道與既有隧道相對關(guān)系見圖2。

表1 盾構(gòu)施工引起變形的原因與機理

沉降類型主要原因應(yīng)力擾動變形機理盾構(gòu)開挖面隆起工作面施加壓隆起圍巖應(yīng)力釋放、擾動負荷土壓力彈塑性變形盾構(gòu)通過時沉降施工擾動,盾構(gòu)與圍巖(土體)間剪切錯動,出渣擾動壓縮盾尾空隙沉降圍巖(土體)失去支撐,管片背后注漿不及時應(yīng)力釋放彈塑性變形后續(xù)沉降結(jié)構(gòu)變形、地層擾動、空隙水壓下降等土體固結(jié)壓縮和蠕變下沉

表2 土體基本參數(shù)表

巖土名稱天然重度γ/kN·m-3凝聚力c/kPa摩擦角φ/(°)Es/MPa①-1雜填土19.510.0010.003.00③-2砂質(zhì)粉土19.46.7028.2011.0③-3粉砂夾砂質(zhì)粉土19.85.1029.1012.7⑥-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土17.814.8010.003.2⑧-1黏土17.921.2010.104.1⑨-1粉質(zhì)黏土19.841.5015.507.0-4圓礫20.03.0035.0025.00-3圓礫20.05.0037.0030.0020d2強風(fēng)化凝灰?guī)r21.0100.0030.0020.0020d3中等風(fēng)化凝灰?guī)r22.0200.0030.0050.00

表3 土體小應(yīng)變硬化模型參數(shù)表

3 有限元數(shù)值分析

3.1 計算模型及參數(shù)

穿越節(jié)點的三維數(shù)值分析模型尺寸：設(shè)置計算模型的X方向(平行于新建軌道交通走向)取150 m，Y方向(垂直于新建軌道交通走向)取55 m，Z方向(厚度方向)取60 m。模型采用標準約束形式，水平方向僅約束其相應(yīng)的水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。即限制模型Y方向左右兩側(cè)面上節(jié)點的X向位移(U1=0)；X方向前后兩側(cè)面上節(jié)點的Y向位移；模型底面上節(jié)點的X,Y,Z向位移。在本計算中巖土體材料采用小應(yīng)變硬化土模型，對于結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型，計算采用的巖土體參數(shù)見表2,表3。

3.2 計算結(jié)果

通過數(shù)值模擬逐環(huán)推進擬建隧道，分析既有1/4號線隧道的影響，如圖3，圖4所示。從圖中可知，盾構(gòu)機穿越既有隧道時對既有隧道的影響在5 mm以內(nèi)，滿足地鐵保護要求。

4 結(jié)語

通過盾構(gòu)法施工對周圍土層影響機理及影響因素的分析，總結(jié)出有限元法計算盾構(gòu)下穿問題需考慮的盾構(gòu)法施工參數(shù)。并通過Plaxis 3D軟件建模分析成功模擬出盾構(gòu)隧道穿越施工過程中上部隧道先由于推進力影響產(chǎn)生的隆起現(xiàn)象及推進后由于地層損失造成的沉降現(xiàn)象，模擬結(jié)果中已建隧道的變形規(guī)律與工程實踐符合較好，對工程實踐中盾構(gòu)機施工參數(shù)選取具有一定的指導(dǎo)意義。