雙線地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有河道施工對(duì)地層變形的影響分析

周高烽,朱東峰 ,姜懷祖

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.中鐵二十一局軌道交通工程有限公司,山東濟(jì)南 250021)

為緩解目前城市公共交通的擁堵問(wèn)題，以地鐵為代表的城市軌道交通得到了快速發(fā)展。盾構(gòu)法因其適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度高和不影響地面交通等優(yōu)勢(shì)在城市地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中得到了大量的應(yīng)用[1-2]。在城市中使用盾構(gòu)法修地鐵區(qū)間隧道時(shí)通常會(huì)遇到隧道下穿地面結(jié)構(gòu)物以及地下管線等既有結(jié)構(gòu)物的狀況。由于盾構(gòu)機(jī)在土體中掘進(jìn)，會(huì)引起土體的應(yīng)力重分布和地層變形，進(jìn)而會(huì)引起地面結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形。若引起的地層沉降過(guò)大則勢(shì)必會(huì)影響到既有結(jié)構(gòu)物的正常使用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)法施工引起的地表沉降和既有結(jié)構(gòu)物變形問(wèn)題開(kāi)展了眾多的研究。但對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有河道施工時(shí)對(duì)既有河道與隧道不同交叉角度下的相互影響所開(kāi)展的研究較少。故本文將以成都地鐵六號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)下穿既有河道為工程背景，分析了5種不同交叉角度下地層的變形特性，最后結(jié)合實(shí)際的盾構(gòu)施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

1 工程概況

本文以成都地鐵6號(hào)線某雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道斜穿某既有河道為研究對(duì)象。該盾構(gòu)區(qū)間隧道的覆土層厚度為13.5 m，左右線兩隧道軸線間的距離為12.4 m。盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖直徑為6.28 m，隧道管片的外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，其沿隧道軸線方向上的長(zhǎng)度為1.5 m。為了減少盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)上覆既有河道的影響，盾構(gòu)區(qū)間采用先掘進(jìn)左線隧道，然后再掘進(jìn)右線隧道的施工工序。隧道軸線與河道軸線之間的夾角為56 °。河道河床為混凝土結(jié)構(gòu)，河面寬度為12.0 m，河道深3.5 m，河道內(nèi)枯期水位0.3～0.5 m，富水期水位1.0～1.2 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料表明，河道內(nèi)水位與地下水無(wú)直接聯(lián)系。盾構(gòu)隧道拱部距離河道底部最小間距為10.0 m，盾構(gòu)隧道下穿河道影響左右線的長(zhǎng)度約30 m。地鐵雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道與河道的空間位置關(guān)系以及隧道穿越的地層狀況如圖1所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道與河道的空間位置關(guān)系及地層狀況

2 數(shù)值模擬

為了研究不同交叉角度下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對(duì)地層與河道變形的影響，根據(jù)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道下穿河流工程案例的總結(jié)[3-6]，現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道與河道之間的夾角即隧道軸線與河道軸線之間的夾角多在25～90 °之間，故本文在數(shù)值模擬中將隧道與河道軸線之間的夾角分別取為30 °、45 °、60 °、75 °、90°五種工況，分別為工況1～工況5。同時(shí)，為便于對(duì)比分析，還增加了一個(gè)地表無(wú)河道的工況，即盾構(gòu)機(jī)在地表無(wú)河道時(shí)的掘進(jìn)工況為工況6。在不同交叉角度的模型中，為使計(jì)算具有可對(duì)比性，將河道的寬度和深度保持不變，以確?；咀兞吭诓煌徊娼嵌扔?jì)算模型中的一致性。圖2為本文所建立的地鐵盾構(gòu)隧道與河道不同交叉角下的工況示意圖。

圖2 盾構(gòu)隧道與河道之間不同夾角工況的示意

2.1 基本假設(shè)

鑒于實(shí)際工程中盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，因此本文采用FLAC3D中的剛度遷移法[7]來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)的連續(xù)掘進(jìn)。由于數(shù)值模擬與實(shí)際施工狀況之間還存在一定的差異，為便于分析，計(jì)算中采用了以下幾點(diǎn)假設(shè)。

(1)將地層視為彈塑性材料，其應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，并采用FLAC3D軟件中的實(shí)體單元模擬地層。

(2)河道的主體為混凝土結(jié)構(gòu)，整個(gè)河道采用八節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬。

(3)使用FLAC3D軟件的shell平面結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬盾殼。

(4)盾構(gòu)隧道管片的縱向長(zhǎng)度為1.5 m，厚度為30 cm。用FLAC3D軟件的八節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬管片。

(5)因?yàn)槎軞ぶ睆缴源笥诠芷闹睆?，所以在盾尾脫出后，在管片和地層之間勢(shì)必存在一定的間隙，故用等代層[7]來(lái)模擬盾殼和管片之間的間隙與盾尾的注漿，等代層厚度取10 cm，采用FLAC3D中的實(shí)體單元來(lái)模擬。

(6)在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)值計(jì)算中不考慮地下水的滲流作用。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)彈性力學(xué)中Saint Venant原理，隧道開(kāi)挖影響區(qū)域?yàn)樗淼蓝磸降?～5倍，因此，所建立的數(shù)值計(jì)算模型尺寸沿隧道軸線即y軸方向的長(zhǎng)度為210 m，模型高即z軸方向的長(zhǎng)度為44.5 m，x軸方向的長(zhǎng)度為84 m，計(jì)算模型和坐標(biāo)系如圖3所示。數(shù)值計(jì)算模型的前后左右面各施加法向位移約束，模型的底面施加豎向位移約束，模型頂面為自由面。

圖3 盾構(gòu)隧道下穿河道的三維數(shù)值計(jì)算模型

2.3 計(jì)算模型的物理與力學(xué)參數(shù)

結(jié)合地鐵盾構(gòu)雙線隧道斜穿既有河道地段的地質(zhì)勘探資料，數(shù)值計(jì)算模型中地層的物理和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。盾構(gòu)管片由于采用縱向和橫向螺栓進(jìn)行拼接，因此需要對(duì)盾構(gòu)管片縱向和橫向剛度進(jìn)行折減，管片橫向剛度的折減系數(shù)取0.6～0.7[8]，管片縱向的抗彎、抗剪剛度折減系數(shù)取0.01[9]，而縱向抗壓剛度折減系數(shù)一般取1.0，即不考慮抗壓系數(shù)折減。由于等代層模擬盾尾管片與地層之間的空隙和注漿層，所以等代層的參數(shù)應(yīng)當(dāng)小于注漿漿液硬化后的參數(shù)，注漿壓力取0.2 MPa，等代層和管片參數(shù)如表2所示，其中Ex、Ey、Ez分別代表管片單元的彈性模量在整體坐標(biāo)系x軸、y軸和z軸上的分量。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 等代層和管片物理力學(xué)參數(shù)

2.4 施工過(guò)程的模擬

數(shù)值模擬采用剛度遷移法來(lái)模擬盾構(gòu)機(jī)的連續(xù)掘進(jìn)。對(duì)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程的模擬是先掘進(jìn)左線隧道，然后再模擬掘進(jìn)右線隧道。在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)工程中，取兩環(huán)盾構(gòu)管片的寬度3 m為一個(gè)掘進(jìn)步，即左線掘進(jìn)69步，右線也掘進(jìn)69步。盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程是：利用空模型Null殺死土體單元，并且對(duì)開(kāi)挖面施加均布土壓力，激活盾殼Shell單元，盾尾脫出后，再刪除盾殼Shell單元，然后用均勻分布的環(huán)向壓力來(lái)模擬盾構(gòu)注漿壓力的施加，然后改變等代層和管片的參數(shù)來(lái)模擬盾構(gòu)的掘進(jìn)。

3 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地層沉降槽特性

Peck通過(guò)對(duì)大量地層沉降數(shù)據(jù)的研究提出了在不考慮地層排水固結(jié)作用時(shí)地層沉降的計(jì)算方法即Peck公式[10]。國(guó)內(nèi)外的研究表明，隧道開(kāi)挖后地表沉降滿(mǎn)足正常的高斯函數(shù)。Peck公式主要用于分析隧道開(kāi)挖后引起的地表沉降特性而不能分析沉降對(duì)于地面構(gòu)筑物的影響。本節(jié)主要分析在不同的交叉角度下，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)所引起的地表沉降槽變化規(guī)律。

為便于分析，將盾構(gòu)隧道軸線與河道軸線的交叉點(diǎn)取為C點(diǎn)，見(jiàn)圖2所示。在不同交叉角度的計(jì)算工況中，為了研究在不同交叉角度工況下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)所引起的地層沉降槽的變化特性，取C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的y坐標(biāo)即y=65m處的斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，在不同的工況計(jì)算結(jié)果中，左右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后所引起的地表沉降曲線形狀基本相同。為更直觀的反映地表沉降槽特性，根據(jù)Peck公式取沉降槽寬度w和最大沉降量zmax即最小變形的絕對(duì)值作為主要特征。其中沉降槽寬度w=2i，i為沉降曲線對(duì)稱(chēng)中心到曲線拐點(diǎn)(反彎點(diǎn))的距離。

根據(jù)所有工況的計(jì)算結(jié)果，繪制左線和右線掘進(jìn)后的沉降曲線，然后利用Origin軟件中的高斯擬合功能，得到不同計(jì)算工況下的最大沉降量zmax和沉降槽寬度w，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a)地表最大沉降量

(b)沉降槽寬度圖4 地表沉降特性

圖4(a)表明，在夾角為30～90 °的各個(gè)工況以及工況6中，右線隧道掘進(jìn)后的最大沉降量均大于左線隧道掘進(jìn)后引起的沉降量，增量約為4～5 mm。當(dāng)夾角為30～90 °時(shí)，在左線隧道與右線隧道掘進(jìn)后，地表最大沉降量均隨夾角的增大而呈緩慢下降趨勢(shì)。左線施工引起的最大沉降量從7.4 mm下降到4.6 mm，右線隧道施工引起的最大沉降量從10.5 mm下降到8.8 mm。而工況6時(shí)左線隧道施工引起的地表最大沉降量為4.2 mm，右線隧道施工引起的地表最大沉降量為8.2 mm。在工況6下左右線施工引起的地表最大沉降量均小于30～90 °時(shí)的最大沉降量。圖4(b)表明，在夾角為30～90 °各個(gè)工況以及工況6中，右線隧道掘進(jìn)后的沉降槽寬度均大于左線掘進(jìn)后的沉降槽寬度。增量約為5 m。當(dāng)夾角為30～45 °時(shí)左右線掘進(jìn)后引起的沉降槽寬度隨角度的增加而逐漸下降，左線的沉降槽寬度從25.6 m下降到24.2 m，右線沉降槽寬度從30.5 m下降到29.4 m。此后在夾角為45～90°時(shí)，左右線的沉降槽寬度均隨角度的增加而呈上升趨勢(shì)。左線的沉降槽寬度從24.2 m上升到40.4 m，右線沉降槽寬度從29.4 m上升到45.8 m。工況6下的左線沉降槽寬度為21.8 m，右線沉降槽寬度為26.9 m，且工況6的最大沉降槽寬度均小于夾角為30～90 °時(shí)的沉降槽寬度。

基于上述分析，河道軸線與隧道軸線之間的夾角與地層變形之間存在相互影響。當(dāng)有河道存在時(shí)，地表最大沉降量和沉降槽寬度均大于無(wú)河道存在時(shí)的數(shù)值，說(shuō)明河道的存在會(huì)增加盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地表的影響范圍和程度。且隨著隧道軸線與河道軸線交叉角的增大，地表最大沉降量呈逐漸減小的趨勢(shì)，而沉降槽寬度總體則呈增大的趨勢(shì)。

4 工程實(shí)測(cè)與分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為分析盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)期間引起地表和河道的沉降，結(jié)合成都地鐵6號(hào)線某雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿河道的工程實(shí)例，對(duì)地表和河道的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)對(duì)隧道區(qū)間與河道的地理位置分析，隧道軸線與河道軸線之間的夾角為56 °。該河道是一條人工河道，河面寬度為12 m，故在河道兩側(cè)外布置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和河道岸布置河道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示。

圖5 地表和河道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工時(shí)先掘進(jìn)左線隧道然后再掘進(jìn)右線隧道。本節(jié)將以數(shù)值模擬中隧道軸線與河道軸線交叉角為56°工況下的計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)斷面D1、D2(圖5)的數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算得到的地表沉降數(shù)據(jù)繪制成圖6。

(a)監(jiān)測(cè)斷面D1

(b)監(jiān)測(cè)斷面D2圖6 地表沉降

對(duì)于監(jiān)測(cè)斷面D1、D2而言，在左線和右線隧道掘進(jìn)完成后，監(jiān)測(cè)的沉降曲線大致呈凹槽型分布，且右線隧道的沉降槽寬度大于左線隧道的沉降槽寬度，右線的最大沉降量大于左線的沉降量，這些監(jiān)測(cè)值特征與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。但是在左線隧道和右線隧道掘進(jìn)完成后，監(jiān)測(cè)值的最大沉降量都要略大于數(shù)值模擬的最大沉降量，并且監(jiān)測(cè)的沉降曲線出現(xiàn)較大的拐點(diǎn)。這是因?yàn)閿?shù)值模擬對(duì)實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)做出了相應(yīng)的假設(shè)，并且未考慮地下水和土層不均勻分布的特性的影響，從而造成計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏小。

5 結(jié)論

本文研究了地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿既有河道時(shí)隧道軸線與河道軸線之間不同夾角下盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表變形特性，并結(jié)合盾構(gòu)隧道斜穿既有河道的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比與分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在地鐵雙線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)期間，河道的存在會(huì)增大地表沉降量和沉降槽寬度，說(shuō)明河道的存在會(huì)增加盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地表的影響范圍和程度。因此在實(shí)際盾構(gòu)隧道下穿既有河道時(shí)，應(yīng)控制好盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層和河道的影響。

(2)隨著隧道與河道交叉角度的逐漸增大，地表最大沉降量呈緩慢減小的趨勢(shì)，而沉降槽寬度總體呈增大的趨勢(shì)，尤其是在交叉角度為60～90 °之間時(shí)沉降槽寬度增大的趨勢(shì)較快。因此為了確保河道最大沉降量不超過(guò)河道沉降限值，盾構(gòu)應(yīng)大角度下穿既有河道。