盾構(gòu)隧道近距離下穿暗挖隧道施工研究

侯建林，李鵬，王鼎，陳道政

（1.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

成都地鐵7號(hào)線崔家店站-萬年場站區(qū)間包含兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道：即崔家店站-萬年場站左線和崔家店站-萬年場站右線，線路主要位于2.5環(huán)道路下方。在區(qū)間ZDK9700～ZDK9962.7處，左右盾構(gòu)隧道與出入場線暗挖隧道三道并行，并于ZDK9+931處，左線隧道近距離下穿出入場線暗挖隧道（見圖1）。此次復(fù)合地層近距離穿越暗挖隧道的技術(shù)核心在于控制研究既有暗挖隧道的周邊位移、地面下沉等重要參數(shù)，確保暗挖隧道使用安全。

本文以成都地鐵七號(hào)線為實(shí)際工程背景，采用數(shù)值模擬方法對(duì)下穿出入場線暗挖隧道的盾構(gòu)施工進(jìn)行有限元分析，研究盾構(gòu)下穿暗挖隧道掘進(jìn)過程中對(duì)于暗挖隧道周邊土體的擾動(dòng)，并在不同工況下進(jìn)行對(duì)比研究，提出合理的盾構(gòu)施工方法和暗挖隧道支護(hù)方式，為類似工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程實(shí)例概況

1.1 隧道位置關(guān)系

崔家店站到萬年場站包含兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間里程 ZDK9+475-ZDK9+962，YDK9+475-YDK31+759，左線隧道長499.193m，右線隧道長555.700m。暗挖隧道豎井徑直往萬年場方向長度為182.8m，區(qū)間盾構(gòu)隧道與該段為并行施工，并行段間距為1.8m～4.2m,最小凈距為1.8m。出入場線暗挖隧道采用CRD法開挖施工，初期支護(hù)采用格柵鋼架+掛網(wǎng)噴漿。

由于暗挖隧道工期滯后，經(jīng)專家評(píng)定，決定在暗挖隧道只完成初期支護(hù)和仰拱，而未完成二襯的情況下左線盾構(gòu)于ZDK9+931先行下穿。此計(jì)劃技術(shù)難度大、工序復(fù)雜，施工過程中的措施需要嚴(yán)格控制。圖1為盾構(gòu)與出入場線暗挖隧道平面關(guān)系圖，并于5-5截面下穿隧道。圖2為崔萬區(qū)間盾構(gòu)與出入場線暗挖隧道的三維關(guān)系示意圖。

圖1 盾構(gòu)與出入場線平面關(guān)系示意圖

圖2 盾構(gòu)與出入場線三維關(guān)系示意圖

1.2 地質(zhì)概況

盾構(gòu)隧道與暗挖隧道處于復(fù)合地層中，根據(jù)現(xiàn)場鉆探、原位測試成果的綜合分析，擬建場地勘測深度范圍的土層巖性主要分為四層,自上而下分別為雜填土、黏土、黏土夾卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖。具體參數(shù)見表1.

表1 土層參數(shù)

2 有限元模型建立與分析

2.1 邊界條件和本構(gòu)關(guān)系

由于實(shí)際工程土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近理想彈塑性模型，因此選用FLAC3D內(nèi)置的Mohr-Coulomb模型。管片等在施工工況中，其變形仍處于彈性變形階段，因此采用彈性本構(gòu)模型。管片與注漿層的模型計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬三維模型

選取左線ZDK99I0-ZDK9931為數(shù)值模擬區(qū)間。數(shù)值模擬的具體范圍：X軸方向（隧道延伸方向）取36m，Y軸方向取50m，Z軸方向（高程））取50m。有限元模型選取六面體等參模型，上表面為自由面，用巖土自重近似模擬初始垂直應(yīng)力，底部使用法向力進(jìn)行約束，前、后、左、右四個(gè)側(cè)面施加水平法向約束。其中，為了結(jié)果更加精確，模型共劃分207336個(gè)單元，215542個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 盾構(gòu)施工過程的數(shù)值模擬

在FLAC3D軟件中，我們通過改變與盾構(gòu)施工相關(guān)的材料類型和參數(shù)，將實(shí)際中連續(xù)的的盾構(gòu)推進(jìn)過程近似模擬為非連續(xù)的施工過程，其本質(zhì)是材料剛度遷移的過程。在有限元軟件模擬的土體中，預(yù)先設(shè)置準(zhǔn)備開挖的隧道，管片及注漿單元。模擬盾構(gòu)機(jī)開挖時(shí)，每次開挖一定距離的隧道土體，并在開挖過后，改變開挖土體周圍管片及注漿單元的參數(shù)。管片沿左線隧道長度1.5m，每一個(gè)工況持續(xù)向前施工一個(gè)管片的距離，即施工24個(gè)工況，從選取區(qū)間起始點(diǎn)開始施工，途徑下部穿越暗挖隧道后直到選取區(qū)間終點(diǎn)停止。

邢雙雙等[8]認(rèn)為護(hù)理質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)覆蓋臨床常見病和多發(fā)病，應(yīng)利于臨床?？剖褂?，應(yīng)明確各個(gè)指標(biāo)的界定標(biāo)準(zhǔn)。本研究指標(biāo)體系包括15項(xiàng)安全及消毒隔離敏感指標(biāo)，9項(xiàng)護(hù)理記錄及評(píng)估敏感指標(biāo)，12項(xiàng)醫(yī)囑執(zhí)行及服務(wù)流程敏感指標(biāo)，3項(xiàng)輸血專項(xiàng)敏感指標(biāo)，內(nèi)容涵蓋護(hù)理質(zhì)量過程和結(jié)局，適宜各類病人使用及臨床各護(hù)理單元的護(hù)理質(zhì)量管理。

在使用有限元軟件模擬施工過程中，為了防止與實(shí)際施工過程相比出現(xiàn)較大偏差，嚴(yán)格控制土側(cè)摩擦力，正面土壓力以及注漿加固時(shí)所產(chǎn)生的的注漿壓力。由于將實(shí)際中的連續(xù)施工模擬為非連續(xù)間斷施工，模擬施工中的施工速度相比實(shí)際慢很多，這樣就會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際所承受土壓力不符。因此在軟件中將施工分析中的土壓力設(shè)置為常規(guī)1.05倍，并將摩擦系數(shù)也擴(kuò)大相應(yīng)倍數(shù)，以此來真實(shí)表現(xiàn)實(shí)際盾構(gòu)機(jī)的施工情況。

2.3 盾構(gòu)施工對(duì)于下穿隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

選取被盾構(gòu)隧道下穿正上方的暗挖隧道縱斷面為研究面，并在隧道截面上設(shè)置四個(gè)主要監(jiān)測點(diǎn)：底部為1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，頂部為2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，正左側(cè)設(shè)置3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，正右側(cè)設(shè)置4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，通過4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別對(duì)隧道的拱頂與拱底下沉，周邊位移等重要質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程在本文中以數(shù)值模擬的工況推進(jìn)過程體現(xiàn)，并且隨著工況的發(fā)展，上部暗挖隧道的變形也是一個(gè)不規(guī)律的變化過程。了解暗挖隧道的實(shí)時(shí)變化情況，即有利于對(duì)隧道本身變形規(guī)律進(jìn)行歸納分析，也有利于為下一步的支護(hù)方案選取做好準(zhǔn)備。選取斷面4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨工況推進(jìn)的豎向位移變化見圖4。

圖4 暗挖隧道監(jiān)測點(diǎn)位移

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)初期，由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中對(duì)前方土體具有一定的擠壓作用，導(dǎo)致隧道間土體會(huì)產(chǎn)生一定的上拱，從而影響上部隧道在四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上均有一定的隆起，并且底部監(jiān)測點(diǎn)的隆起最為明顯，，最多可以達(dá)到0.036mm,但這種暫時(shí)性隆起不會(huì)影響土體整體變化規(guī)律，對(duì)于最終沉降量也不會(huì)造成明顯影響。

從圖中可以看出，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)（底部）的沉降量變化幅度最大。在工況0～8之間，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化相對(duì)平緩，沉降量最大值達(dá)到0.92mm，說明在盾構(gòu)機(jī)開始推進(jìn)后，且沒有推進(jìn)到暗挖隧道正下方之前，盾構(gòu)機(jī)對(duì)于暗挖隧道拱底沉降的影響是緩慢而微弱的，可以說明只要保證盾構(gòu)機(jī)前期的推進(jìn)速度和質(zhì)量，并不會(huì)影響到原有隧道的安全性。推進(jìn)到在第8工況后，沉降量的變化率驟增，在推進(jìn)到第12工況時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)沉降量變化率達(dá)到最大，并一直在類似變化速率下增長到第18工況。第12工況剛好是盾構(gòu)機(jī)下穿于盾構(gòu)隧道正下方，說明此時(shí)對(duì)于原上方隧道的影響是最大的，并且這種影響將持續(xù)到第18工況，也就是盾構(gòu)機(jī)穿越到距正下方水平方向約9m的距離。這種持續(xù)的大沉降量變化率將給原隧道周邊土體帶來巨大的擾動(dòng)，將嚴(yán)重影響原隧道的安全性和適用性。18工況-24工況下，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移變化率逐漸放緩，但沉降量仍有一定增長，于24工況達(dá)到最大值8.6mm。

2 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的沉降量變化值最小。從開始推進(jìn)到16工況，沉降量以較低的變化率緩慢增加，這說明在推進(jìn)過程前期，上方土體原固結(jié)狀態(tài)尚未解除，上方土體原始應(yīng)力沒有受到明顯影響，從而拱頂沉降量變化不明顯。推進(jìn)到第18工況后，沉降量變化率有了顯著地提升。這說明在盾構(gòu)機(jī)下穿過后一段時(shí)間，土體固結(jié)率降低導(dǎo)致拱頂有了明顯的延時(shí)性位移變化。工程人員往往更加在意下穿時(shí)造成的影響，而忽視下穿后的變化量，這是危險(xiǎn)的。對(duì)于拱頂?shù)募庸谈鼞?yīng)該在成功下穿后進(jìn)行二次加固來控制位移的繼續(xù)擴(kuò)大。

3 、4 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的沉降變化量位于1、2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)之間，出了在12-18工況間變化率增大，其余變化率相對(duì)平緩。2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)相比3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)沉降量稍大，這可能是盾構(gòu)機(jī)下穿先經(jīng)過原隧道左側(cè)，影響左側(cè)土體應(yīng)力導(dǎo)致左側(cè)沉降量偏大。隨后盾構(gòu)機(jī)逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測面，監(jiān)測點(diǎn)位移慢慢穩(wěn)定。

2.4 穿越過程中土層變形特征研究

在盾構(gòu)機(jī)下穿暗挖隧道過程中，周圍土層將時(shí)刻產(chǎn)生不規(guī)律的變形，這種因盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)所產(chǎn)生的土體位移之間影響到暗挖隧道的安全，因此控制周圍土體位移量有非常重要的意義。限于篇幅原因，本文選取盾構(gòu)隧道下穿時(shí)的縱截面，觀察原始土層，盾構(gòu)機(jī)開始推進(jìn)，開始下部穿越，穿越后四個(gè)工況下，盾構(gòu)隧道與暗挖隧道周圍土體的位移變化，并根據(jù)其變化特征設(shè)計(jì)適宜的暗挖隧道支護(hù)方案以及土體加固方案。

圖5 周邊土體位移云圖

圖5 （a）是盾構(gòu)機(jī)未掘進(jìn)時(shí)的原始土層位移云圖，土層的原始位移基本由各土層本構(gòu)特性決定，下層至上層土體由于自身重力作用導(dǎo)致位移逐漸增大，中部已經(jīng)開挖完畢的暗挖隧道減輕了一部分土體重量，是其下部土層位移有一定的上隆。

圖5 （b）是盾構(gòu)隧道開始推進(jìn)但還未下穿時(shí)下穿位置斷面土體位移圖?？梢悦黠@看出，下方盾構(gòu)機(jī)開始工作后，破壞了土體原始應(yīng)力狀態(tài)，土體的位移有了較為明顯的變化。由于開挖后盾構(gòu)機(jī)將開挖土體排出，底層下部土體因?yàn)樯喜恐亓p輕產(chǎn)生明顯上隆，與原始土層相比，上隆幅度最多達(dá)到8.1mm。土層不在按照原來的本構(gòu)特性產(chǎn)生層狀沉降，而在上部暗挖隧道周邊產(chǎn)生環(huán)形沉降帶。其中隧道底部土體沉降變化幅度最大，從黃色沉降帶變?yōu)樯钏{(lán)色沉降帶，沉降量最大達(dá)到8.21mm，增幅約6.5mm。隧道左右兩側(cè)土體同樣有較大的位移變化，沉降量最大增幅約4.2mm。因此工程上應(yīng)該在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)前期完成對(duì)原暗挖隧道周圍土體的加固，謹(jǐn)防因?yàn)橥馏w過大沉降導(dǎo)致原隧道安全性受到影響。隧道左右側(cè)較遠(yuǎn)處的土體相比原始沉降量較小，但在施工過程中應(yīng)該足夠重視，保證地面上人和物的工作不受到沉降影響。

圖5 （c）是盾構(gòu)隧道開始下穿時(shí)土體位移云圖。此時(shí)暗挖隧道周邊土體沉降趨于穩(wěn)定，約2.5mm,暗挖隧道底部相比沉降較大，約4.2mm。下穿時(shí)，盾構(gòu)機(jī)前方土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，由于盾構(gòu)機(jī)對(duì)前方土體的剪切和擠壓，土體在暫時(shí)性隆起后將產(chǎn)生8mm以上的沉降，盾構(gòu)隧道與暗挖隧道之間的土層的位移以及應(yīng)力狀態(tài)將頻繁變化，十分復(fù)雜。因此，下穿過程中一定要保證盾構(gòu)機(jī)上部，即暗挖隧道正下方土體的穩(wěn)定性，這樣既能保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中不受到干擾，又能保證暗挖隧道不會(huì)因?yàn)橥翆虞^大位移變化而降低工程安全性。

圖5 （d）是在數(shù)值模擬圖層范圍中完全穿越過后的位移云圖。此時(shí)由于沒有盾構(gòu)推進(jìn)過程中動(dòng)力剪切擠壓因素產(chǎn)生的影響，土層位移相對(duì)穩(wěn)定而規(guī)律。其中，暗挖隧道周邊的沉降較大，且保持較大范圍，約3mm～5mm之間。處于盾構(gòu)隧道正上方的土體中央部分沉降最大，而這種由于盾構(gòu)開挖引起上部土體的沉降將導(dǎo)致上部土體與暗挖隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分離趨勢，進(jìn)而對(duì)于原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向下較大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力不利于隧道和暗挖隧道的安全，這將是施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的安全隱患。

通過數(shù)值模擬分析對(duì)比研究，對(duì)于土體的位移研究與暗挖隧道監(jiān)測點(diǎn)位移的變化規(guī)律基本相似，證明這種數(shù)值模擬對(duì)于施工過程中的加固方案先去與設(shè)計(jì)，采取良好的防沉降措施具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

盾構(gòu)下穿暗挖隧道過程中對(duì)原有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并且在不同的掘進(jìn)狀態(tài)下產(chǎn)生不同程度的影響。其中，暗挖隧道底部受在盾構(gòu)推進(jìn)前中期影響較大，左右周邊持續(xù)受到位移影響，而隧道頂部在穿越過后仍有較大位移變化。因此，必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)，合理調(diào)整盾構(gòu)速度，嚴(yán)格控制出土量，并在推進(jìn)過程中持續(xù)監(jiān)測周圍土體應(yīng)力及位移變化，修正各類掘進(jìn)參數(shù)，避免上方土體塌陷，保證土壓平衡。隧道內(nèi)部應(yīng)該保證在掘進(jìn)前就進(jìn)行支護(hù)工作，并且下穿結(jié)束后臨時(shí)支撐不可馬上拆除，等待結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中將對(duì)復(fù)合地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，原土層的較大的隆起與沉降會(huì)對(duì)暗挖隧道產(chǎn)生一定的應(yīng)力作用。盾構(gòu)機(jī)施工過程中，暗挖隧道與盾構(gòu)隧道之間土層位移變化量最大，變化頻率快。土層位移的頻繁改變對(duì)于暗挖隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害牽引，造成原結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此在盾構(gòu)推進(jìn)中應(yīng)采用高精度鋼筋混凝土管片，做好漿液配合比選擇，同步注漿，并隨時(shí)監(jiān)測土體位移，必要時(shí)補(bǔ)充注漿。

本文根據(jù)符合實(shí)際情況的數(shù)值模擬，分析相關(guān)結(jié)構(gòu)和土體的位移變化規(guī)律，預(yù)先把握土層在盾構(gòu)下穿過程中可能出現(xiàn)的情況，并提出合理可行的防沉降措施和支護(hù)方案，為相關(guān)工程提供一定科學(xué)借鑒。模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相符，模擬效果較好。