軟硬不均地層盾構(gòu)下穿既有隧道近接施工影響特性研究

魯茜茜， 蹇蘊(yùn)奇， 王先明

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

近年來(lái)，盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)，對(duì)城市地下空間的利用也越來(lái)越充分，使得地下結(jié)構(gòu)物分布情況愈加復(fù)雜，近接施工現(xiàn)象逐漸增多。在盾構(gòu)隧道近接穿越既有結(jié)構(gòu)物的過(guò)程中，往往對(duì)既有建(構(gòu))筑物安全產(chǎn)生不利影響，甚至造成結(jié)構(gòu)物的破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市地鐵修建過(guò)程中的近接施工已開(kāi)展相關(guān)研究并取得一定的研究成果。Shahrour等[1]借助三維有限元，通過(guò)探討平行隧道在施工過(guò)程之中的相互作用，提出了兩相鄰隧道近接率的合理取值；Yamaguchi等[2]結(jié)合施工監(jiān)測(cè)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行分析，研究隧道交疊對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體應(yīng)力與土體位移的影響，并得到了隧道掘進(jìn)過(guò)程中壓力影響特征；何川等[3]采用相似模型試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方法，研究新建隧道施工對(duì)既有平行隧道的位移及內(nèi)力的影響規(guī)律。張治成等[4]利用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)新建盾構(gòu)隧道斜穿既有隧道時(shí)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位移及內(nèi)力進(jìn)行分析，提出了距離既有隧道一定范圍內(nèi)采取降低推進(jìn)力并放慢掘進(jìn)速度的施工模式；孔慶凱等[5]利用有限元軟件，研究了在不同施工凈距條件下新建隧道施工對(duì)既有地鐵隧道的影響。路平等[6]采用有限元?jiǎng)偠冗w移法，對(duì)土體局部加固的情況下，新建隧道施工對(duì)既有隧道襯砌以及周圍土體的位移和內(nèi)力影響進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)小凈距雙線隧道近接施工在加固區(qū)與未加固區(qū)交界附近可產(chǎn)生一定的突變；張曉清等[7]采取模型試驗(yàn)，通過(guò)排水模擬開(kāi)挖的方法，探究了盾構(gòu)隧道在多線交疊的情況下地表沉降與既有隧道縱向變形的客觀規(guī)律。

本文以深圳地鐵7號(hào)線在上軟下硬地層條件下下穿既有1號(hào)線科華區(qū)間為工程依托，利用非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)新建地鐵線路近接既有隧道施工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵線路及附屬設(shè)施影響的客觀規(guī)律，對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

深圳地鐵7號(hào)線華強(qiáng)南站～華強(qiáng)北站區(qū)間隧道以盾構(gòu)工法進(jìn)行施工，左右線設(shè)計(jì)起始點(diǎn)里程分別為DK21+815.074及DK22+166.878，區(qū)間隧道左右線長(zhǎng)度均為351.963 m。盾構(gòu)掘進(jìn)斷面直徑為6.28 m，管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m；襯砌環(huán)厚度與幅寬分別為0.3 m及1.5 m。隧道拱頂覆土深度為10～20 m。7號(hào)線區(qū)間正交下穿已運(yùn)營(yíng)地鐵1號(hào)線，兩者最小凈距為1.21 m，位于7號(hào)線路右線DK22+89.980及1號(hào)線路左線SK5+44.971連線位置，1號(hào)線上方存在過(guò)街通道。7號(hào)線施工鄰近既有1號(hào)線及上部過(guò)街通道，從而埋下不均勻沉降等安全隱患，對(duì)既有建(構(gòu))筑物運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生不利影響。

新建地鐵線路主要穿越礫質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖，隧道洞身穿越軟硬不均地層。1號(hào)線隧道周圍大范圍覆蓋礫質(zhì)黏性土，土層厚度約8.3～13 m。其中，礫質(zhì)黏性土在遇水條件下具有較高流動(dòng)性，且自身強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致土體自穩(wěn)能力差，易造成坍塌。線路地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)深圳地鐵7號(hào)線華強(qiáng)南站～華強(qiáng)北站區(qū)間與既有1號(hào)線及上部過(guò)街通道的空間位置關(guān)系，建立如圖2所示的有限元模型。

圖2 模型總體示意

模型尺寸：根據(jù)隧道開(kāi)挖影響范圍以及新建地鐵隧道與既有隧道之間的位置關(guān)系，將模型縱向?qū)挾?X軸方向)定為46.2 m，模型橫向長(zhǎng)度(Y軸方向)定為48.2 m，模型深度方向?qū)⒏鶕?jù)地質(zhì)斷面情況進(jìn)行確定。

邊界條件：沿著模型縱向方向，對(duì)模型前后兩面邊界結(jié)點(diǎn)施以水平約束力；沿模型橫向方向，對(duì)模型左右兩面邊界結(jié)點(diǎn)施以水平約束力；另外模型深度方向?qū)δＰ偷孛婀?jié)點(diǎn)施加豎向約束力，地表為自由面。

選取既有1號(hào)線左、右兩條線路軸線上方(分別記為位置1、位置2)進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，并選取過(guò)街通道頂部位置3、位置4進(jìn)行分析，掘進(jìn)過(guò)程中先后通過(guò)位置1、位置2。選取6種工況進(jìn)行分析：工況1～工況3分別為新建隧道左線掘進(jìn)至位置1、掘進(jìn)至位置2、左線貫通；工況4～工況6分別為新建隧道右線掘進(jìn)至位置3、掘進(jìn)至位置4、右線貫通。管片位移觀測(cè)位置選取既有1號(hào)線與新建7號(hào)線交界處，如圖3所示觀測(cè)面左側(cè)截面，選取其截面處管片拱頂、拱底以及左右拱腰關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移觀測(cè)。

圖3 管片位移觀測(cè)位置

計(jì)算土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；模型采用2環(huán)襯砌作為一個(gè)計(jì)算開(kāi)挖步，即開(kāi)挖步長(zhǎng)為3 m，模型中地層參數(shù)根據(jù)《深圳地鐵7號(hào)線華強(qiáng)南站～華強(qiáng)北站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表》及 JTGD70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定地層參數(shù)。管片襯砌采用C50鋼筋混凝土材料，彈性模量為34.5 GPa，采用剛度折減方法來(lái)模擬接頭對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響，縱向剛度折減系數(shù)取為0.85；考慮到注漿層硬化需要一定時(shí)間，選取兩種注漿材料即液態(tài)注漿材料和長(zhǎng)期固化注漿材料，來(lái)模擬盾尾注漿材料性態(tài)的變化；具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

隧道施工產(chǎn)生的地層損失傳遞至地表引起地表沉降，施工過(guò)程中地表沉降曲線如圖4所示。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，既有線路上方地表沉降呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，其中，當(dāng)盾構(gòu)隧道左線隧道掘進(jìn)至單線貫通時(shí)，位置1、位置2處地表沉降值呈增大的趨勢(shì)，兩位置處地表沉降最大值分別增至-4.112 mm以及-9.232 mm；隨著右線隧道掘進(jìn)直到貫通，位置1、位置2處地表沉降值均逐漸增大，此時(shí)地表沉降最大值分別為-7.885 mm及-14.388 mm，在右線掘進(jìn)至全線貫通的過(guò)程中，地表沉降幅值急劇增大，其主要原因?yàn)?號(hào)線右線在開(kāi)挖過(guò)程中土體受到二次擾動(dòng)，加劇土體應(yīng)力釋放，雙線貫通以后，地表沉降槽呈雙“V”型，沉降槽峰值位置大致位于新建隧道左、右線路正上方，左、右線沉降峰值分別為-14.152 mm以及-14.338 mm，偏于安全考慮，可適當(dāng)?shù)牟扇∠鄳?yīng)的地表沉降控制措施。

(a)左線掘進(jìn)

(b)右線掘進(jìn)圖4 7號(hào)線正上方地表沉降

3.2 既有隧道位移分析

在新建隧道近接施工過(guò)程中，既有隧道受掘進(jìn)影響產(chǎn)生沉降及扭曲變形，以觀測(cè)面1、觀測(cè)面2為例進(jìn)行說(shuō)明，各關(guān)鍵點(diǎn)間相對(duì)沉降量如圖5所示。其中，左、右拱腰之間的相對(duì)沉降表明管片環(huán)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而拱頂、拱底位置相對(duì)沉降則表示管片環(huán)產(chǎn)生變形。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，各關(guān)鍵點(diǎn)沉降值整體呈增大的趨勢(shì)；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至1號(hào)線正下方時(shí)，觀測(cè)面1左、右拱腰之間相對(duì)沉降量為0.570 mm；當(dāng)左線貫通后，兩拱腰關(guān)鍵點(diǎn)間相對(duì)沉降量增至2.102 mm，右線的掘進(jìn)引起左、右拱腰間相對(duì)沉降量的進(jìn)一步增大，至右線貫通，兩拱腰之間相對(duì)沉降量值達(dá)到3.243 mm，在掘進(jìn)過(guò)程中觀測(cè)面1拱頂與拱底間相對(duì)沉降量逐漸增大，當(dāng)左線貫通后，兩點(diǎn)間相對(duì)沉降值為2.428 mm，而在右線掘進(jìn)至貫通過(guò)程中，拱頂及拱底關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)沉降值則基本保持不變。在雙線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，觀測(cè)面2各關(guān)鍵點(diǎn)間也產(chǎn)生較為明顯的差異沉降，其中拱頂、拱底位置差異沉降量值較小，相比之下，左、右拱腰關(guān)鍵點(diǎn)位置處相對(duì)沉降量則較為明顯，說(shuō)明該位置處結(jié)構(gòu)變形以扭轉(zhuǎn)為主。既有1號(hào)線最大沉降發(fā)生在拱頂位置，其值達(dá)到-13.992 mm，并且通過(guò)對(duì)比觀測(cè)面1與觀測(cè)面2中各關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移，可以看出，相對(duì)沉降變化規(guī)律因盾構(gòu)隧道空間位置不同而產(chǎn)生較大的差異。

以觀測(cè)面1為例對(duì)既有隧道水平位移進(jìn)行分析。既有隧道各關(guān)鍵點(diǎn)水平位移如圖6所示，其中，各關(guān)鍵點(diǎn)于X方向上的水平位移產(chǎn)生一定的差異，表明各關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)側(cè)移，其中，拱頂、拱底位置關(guān)鍵點(diǎn)水平位移變化較為突出，在掘進(jìn)過(guò)程中，兩者相對(duì)側(cè)移量值逐漸增大，當(dāng)掘進(jìn)至既有1號(hào)線正下方時(shí)達(dá)到最大值，其相對(duì)側(cè)移量為0.31 mm，隨后，受盾構(gòu)掘進(jìn)影響，拱頂與拱底關(guān)鍵點(diǎn)水平位移表現(xiàn)出了先減小，再反向增大的過(guò)程，到最后的開(kāi)挖步則趨于相對(duì)穩(wěn)定，兩者相對(duì)側(cè)移量約為0.25 mm。對(duì)比圖5和圖6可知，在隧道施工過(guò)程中，各關(guān)鍵點(diǎn)水平位移量值總體較小，結(jié)構(gòu)變形主要以豎向變形為主。

(a)觀測(cè)面1

(b) 觀測(cè)面2圖5 既有隧道豎向位移

圖6 既有隧道水平位移

3.3 過(guò)街通道位移分析

盾構(gòu)掘進(jìn)致使上部過(guò)街通道產(chǎn)生差異沉降，為研究隧道施工對(duì)過(guò)街通道的影響，沿左、右線掘進(jìn)方向，分別于過(guò)街通道正上方地表及過(guò)街通道頂部位置布置觀測(cè)面3、觀測(cè)面4進(jìn)行分析，各觀測(cè)位置沉降如圖7所示。由圖7可知，隨著盾構(gòu)施工的進(jìn)行，過(guò)街通道頂部及正上方地表累計(jì)沉降量呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)左線貫通后，位于位置3處最大沉降量為-7.614 mm，右線的掘進(jìn)加劇了過(guò)街通道正上方地表處的不均勻沉降，在右線掘進(jìn)至貫通過(guò)程中，位置3處沉降量值逐漸增大，至右線貫通時(shí)最大沉降量增至-18.407 mm；位置4處沉降變形規(guī)律與位置3處趨于一致，且在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的沉降變化更為明顯，當(dāng)區(qū)間隧道左、右線貫通以后，位置4處最大沉降值分別為-8.897 mm以及-19.769 mm。通過(guò)上述分析表明，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，過(guò)街通道頂部及正上方土體沉降變化較為明顯，沉降幅值較大，為保證既有結(jié)構(gòu)物的安全，施工過(guò)程中應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)過(guò)街通道的安全監(jiān)測(cè)。

(a)位置3

(b) 位置4圖7 過(guò)街通道觀測(cè)位置沉降變化

4 結(jié)論及建議

以深圳地鐵7號(hào)線在軟硬不均地層條件下正交下穿既有1號(hào)線及上部過(guò)街通道為工程背景，采用三維數(shù)值模擬的方法，研究新建隧道近接施工擾動(dòng)對(duì)既有隧道及上部過(guò)街通道力學(xué)特性的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)在下穿隧道近接施工過(guò)程中，既有隧道正上方地表沉降及過(guò)街通道頂部沉降值受盾構(gòu)施工影響較為顯著，建議在地表及過(guò)街通道相應(yīng)位置進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。

(2)在下穿隧道近接施工過(guò)程中，既有隧道整體產(chǎn)生差異沉降及沿盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向的不均勻側(cè)移與扭轉(zhuǎn)，不均勻變形峰值主要位于新建隧道與既有隧道正交位置，其中，各關(guān)鍵點(diǎn)水平位移量值總體較小，結(jié)構(gòu)位移主要以沉降變形及扭轉(zhuǎn)變形為主。

軟硬不均地層條件下盾構(gòu)隧道近接施工對(duì)既有隧道的影響較均勻地層而言更為顯著，為保證既有結(jié)構(gòu)物的安全，施工過(guò)程中考慮對(duì)新舊隧道重疊區(qū)域進(jìn)行合理加固，并在施工過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)頂推力、土倉(cāng)壓力及壁后同步注漿壓力等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。