深埋小凈距多線平行盾構(gòu)掘進(jìn)相互作用分析

付 釗，柯寧?kù)o，盧康明，郭蕭陽，張孟喜

（1.上海大學(xué)土木工程系，上海 200072；2.上海隧道工程有限公司盾構(gòu)工程分公司，上海 200023）

硬X 射線自由電子激光裝置位于上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心核心區(qū)域，裝置總長(zhǎng)約3.1 km，包含超導(dǎo)直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道等結(jié)構(gòu)。該裝置建成后，將成為世界上最高效和最先進(jìn)的自由電子激光用戶裝置之一。硬X 射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈沖結(jié)構(gòu)和更好的相干性，能提供的X 射線峰值亮度比第三代同步輻射光源高109倍。作為世界頂級(jí)的科研基礎(chǔ)設(shè)施，硬X 射線自由電子激光裝置將刺激多類學(xué)科的發(fā)展，為物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多學(xué)科提供高分辨成像、超快過程探索、先進(jìn)結(jié)構(gòu)解析等尖端研究手段。該裝置的土建部分由多條平行盾構(gòu)隧道組成。在深埋小凈距的特殊情況下，多線盾構(gòu)隧道的施工必定會(huì)給各條隧道，尤其是首挖隧道帶來重大影響，也會(huì)對(duì)隨后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的使用產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)于深埋小凈距多線隧道盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，各條隧道，尤其是首挖隧道的斷面變形歷時(shí)曲線和收斂規(guī)律有必要進(jìn)行深入研究。

目前多線平行隧道的研究主要集中于雙線。針對(duì)雙線隧道開挖引起的地表沉降、隧道變形等問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過理論研究[1-6]、數(shù)值模擬[7-14]、模型試驗(yàn)[15-16]和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[17-19]等不同方面進(jìn)行了深入的探討。對(duì)于三線隧道，王明年等[20]通過模型試驗(yàn)對(duì)軟弱圍巖下三孔小間距淺埋暗挖隧道的地表沉降控制技術(shù)進(jìn)行了研究；陳越峰等[21]針對(duì)上海某地鐵近距離三線并行盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究，總結(jié)歸納了盾構(gòu)施工對(duì)周圍深層土體水平位移、深層土體沉降、孔隙水壓力的基本影響規(guī)律；趙建華[22]采用數(shù)值模擬分析方法研究了三孔隧洞不同施工開挖順序工況下的地表沉降、初期支護(hù)位移、圍巖塑性區(qū)和初期支護(hù)受力情況，并進(jìn)行對(duì)比分析。

由于目前對(duì)多線平行盾構(gòu)的研究主要集中在雙線，而對(duì)深埋三線及以上平行盾構(gòu)的研究較少。本文通過結(jié)合上海硬X 射線激光裝置土建工程，探究了深埋小凈距多線平行盾構(gòu)隧道在不同開挖順序條件下，各盾構(gòu)隧道，尤其是首挖隧道的變形情況，對(duì)其斷面的變形收斂規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了合適的隧道開挖次序；探究了不同施工參數(shù)對(duì)首挖隧道管片變形的影響，為后續(xù)施工的順利推進(jìn)提供了保障。

1 工程概況

上海硬X 射線自由電子激光裝置土建工程位于上海市浦東新區(qū)張江園區(qū)祖沖之路與華夏中路之間，西側(cè)為羅山路高架和磁懸浮。項(xiàng)目主要由長(zhǎng)約3.2 km的地下隧道、5 個(gè)豎井及豎井附近的地面設(shè)施組成。地下隧道段整體呈南北走向。擬建工程地下隧道分為加速器段、波蕩器段、光束線段和超長(zhǎng)光束線段。加速器段由1 條隧道構(gòu)成，長(zhǎng)度約1 285 m；波蕩器段由3 條隧道構(gòu)成，長(zhǎng)度各約400 m；光束線段由3 條隧道構(gòu)成，長(zhǎng)度各約300 m；超長(zhǎng)光束線由3 條隧道構(gòu)成，長(zhǎng)度各約785 m。其對(duì)應(yīng)的平面示意圖如圖1所示，盾構(gòu)之間的關(guān)系如圖2所示。隧道均采用拼裝式混凝土襯砌管片，外徑為6.6 m，內(nèi)徑為5.9 m，管片厚度為350 mm，環(huán)寬1.5 m。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，抗?jié)B等級(jí)P12，錯(cuò)縫拼裝。隧道間距為4 m，盾構(gòu)機(jī)覆土深度30 m，C/D約為4.55。工程采用3 臺(tái)土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)施工，相隔一段時(shí)間漸次出發(fā)。本工程自2019年開始施工，現(xiàn)階段已完成超深工作井工程，盾構(gòu)段還未開始施工。施工方下階段將會(huì)按照本文所提供的開挖次序進(jìn)行工程測(cè)試。盾構(gòu)推進(jìn)的準(zhǔn)備工作正在有條不紊的推進(jìn)當(dāng)中。

圖1 硬X 射線平行盾構(gòu)工程平面圖Fig.1 Layout of the hard X-ray parallel shield engineering

本區(qū)間地層由黏性土、粉土、砂性土交互沉積而成，按土層結(jié)構(gòu)、成因及性狀特性將其劃分為7 層，土層分布情況如圖2所示，由地勘報(bào)告可得各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。地下水為潛水，埋深2 m。

圖2 小凈距平行盾構(gòu)隧道橫剖面圖（單位：m）Fig.2 Cross section of a parallel shield tunnel（unit：m）

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soils

2 多線盾構(gòu)施工模擬

2.1 多線盾構(gòu)施工模擬情況

為了更準(zhǔn)確地模擬多線平行盾構(gòu)的開挖情況，根據(jù)對(duì)稱原則以及實(shí)際的盾構(gòu)開挖情況（以3#-4#、4#-5#區(qū)間為例，圖3）采用2 種不同的開挖方式，開挖示意圖如圖4所示。其中5#、6#、7#隧道分別對(duì)應(yīng)左、中、右線隧道。

圖3 實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)情況Fig.3 Actual conditions of shield tunneling

圖4 開挖方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of the excavation method

（1）左線-右線-中線

考慮到實(shí)際多條隧道開挖間隔以及模型的尺寸大小，以

Δ=120 m 為距離進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖。整個(gè)多線隧道開挖分為4 步：①首先開挖左線隧道；②左線隧道開挖 Δ距離后，右線開挖；開挖60 m 后，左線隧道開挖完成；③右線隧道開挖 Δ距離之后，中線開挖；開挖60 m 后，右線隧道開挖完成；④中線隧道開挖完成。

（2）中線-右線-左線

與工況1 類似，以 Δ=120 m 為距離進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖。整個(gè)多線隧道開挖分為4 步：①首先開挖中線隧道；②中線隧道開挖 Δ距離后，右線開挖；開挖60 m 后，中線隧道開挖完成；③右線隧道開挖 Δ距離之后，左線開挖；開挖60 m 后，右線隧道開挖完成；④左線隧道開挖完成。

2.2 三維有限元模型建立

根據(jù)隧道間的穿越位置關(guān)系，考慮盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)及其影響范圍，利用有限元軟件ABAQUS 構(gòu)建三維有限元模型，模擬實(shí)際工況。模型的尺寸以及盾構(gòu)相對(duì)位置示意圖見圖5。模型邊界條件：所有側(cè)面限制其法向位移；底面設(shè)置為3 個(gè)方向全約束；上表面取至地表，為自由面，保證模型的豎向變形不受邊界條件約束。盾構(gòu)隧道的開挖采用生死單元法模擬。

將襯砌管片壁后受擾動(dòng)土體和注漿情況概化為一均質(zhì)、等厚的等代層進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的方法，將等代層的厚度取為0.14 m。

2.3 模型參數(shù)選擇

土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。襯砌管片采用彈性模型。C55混凝土根據(jù)規(guī)范取彈性模量為35.5 GPa，泊松比0.17。為考慮環(huán)與環(huán)之間連接對(duì)隧道整體剛度的降低，將模型中襯砌彈性模量取為C55 的85%，即折減后襯砌彈性模量E= 30.2 GPa。模擬盾構(gòu)機(jī)施工過程時(shí)，開挖面支護(hù)壓力采用0.73 倍的土層靜止土壓力，并考慮應(yīng)力梯度，將開挖面的支護(hù)壓力設(shè)置為梯形，上小下大；為了簡(jiǎn)化施工步驟，將6 環(huán)設(shè)置為1 個(gè)開挖步，共計(jì)46 個(gè)開挖步。開挖后立即施加支護(hù)力，并添加等代層和襯砌管片。

不施加地下水時(shí)，土體與混凝土管片單元均采用實(shí)體單元C3D8，模型共計(jì)75 840 個(gè)實(shí)體單元。施加地下水時(shí)，采用設(shè)置孔隙水壓力邊界的方法進(jìn)行施做。在土層2 m 深處設(shè)置孔隙水壓力為0，然后以梯度的方式向下進(jìn)行設(shè)置，梯度值為水的重度。分析步采用Soils 穩(wěn)態(tài)。土體采用C3D8P 單元，管片和等代層依然采用C3D8 單元。

3 盾構(gòu)施工影響數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 開挖過程中首挖隧道管片變形分析

為簡(jiǎn)化隧道斷面管片變形的描述，取首挖隧道第10 節(jié)管片，即圖5中LC、CC、RC 位置處管片為研究對(duì)象。選取內(nèi)徑頂部處點(diǎn)A、右端點(diǎn)C、底部處點(diǎn)D 和左端點(diǎn)B 的變形進(jìn)行研究（圖6）。

圖5 盾構(gòu)開挖有限元模型Fig.5 Finite element model of shield excavation

圖6 管片截面計(jì)算測(cè)點(diǎn)位置Fig.6 Situation of the segment section

根據(jù)各點(diǎn)豎向和水平變形增量數(shù)據(jù)與隧道開挖歷程的關(guān)系，可以得到不同施工階段首挖隧道管片的變形增量曲線。

為了更合理地描述管片各特征點(diǎn)的位移增量隨時(shí)間歷程的變化，選取模型的歷程分析步為橫坐標(biāo)，用以描述整個(gè)模型開挖的過程。由于本節(jié)探究的是后挖隧道對(duì)首挖隧道管片的變形影響，因此時(shí)間歷程由第二條隧道開挖起始，直至所有隧道開挖完成。

式中：λ—支護(hù)應(yīng)力比，本次λ取為0.5，0.6，0.7，0.8；

σs—開挖面中心頂推力；

σ0—隧道中心原始地層靜止土壓力。

注漿的彈性模量受材料種類、硬化時(shí)間以及周圍土體的影響較大，對(duì)管片的變形收斂具有一定的影響，因此也對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)的敏感性分析，這里取彈性模量4，6，8，10 MPa 進(jìn)行分析。由表2可以看出有無地下水對(duì)管片收斂的影響較小，因此選取無地下水時(shí)的情況進(jìn)行參數(shù)分析。

3.1.1 工況1“左-右-中”管片變形分析

選取LC 管片頂部處與底部處的豎直U3 變形增量和左端點(diǎn)與右端點(diǎn)的水平U1 變形增量繪制變形增量圖，進(jìn)行管片變形分析。

初到廣州的五建迅速瞄準(zhǔn)和服務(wù)華南市場(chǎng)。但與此同時(shí)，五建面臨著依賴傳統(tǒng)工程建設(shè)項(xiàng)目、效益增長(zhǎng)方式單一、市場(chǎng)投資領(lǐng)域變化、生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變、資源環(huán)境和生產(chǎn)要素制約以及勞動(dòng)力成本上升等問題。眼見傳統(tǒng)工程建設(shè)的路越來越窄，未來如何生存已經(jīng)成為不得不思考的問題?！拔覀兦逍训卣J(rèn)識(shí)到，只有加快企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，開發(fā)新的效益增長(zhǎng)領(lǐng)域，企業(yè)才能煥發(fā)出新的生機(jī)和活力。”五建黨委書記蔣德軍說。

（1）地下水的影響

由圖7可知，隨著后2 條隧道的開挖，首挖隧道管片頂部和底部的豎向位移增量呈現(xiàn)一小一大“同向雙峰”的變化形式，且雙峰出現(xiàn)的位置皆位于另外2 條隧道開挖面臨近所選取管片的時(shí)間。峰值不同的原因是由于后2 條隧道與首挖隧道的不同間距所導(dǎo)致的。由圖7（a）（b）可知，頂部和底部點(diǎn)的位移增量皆為負(fù)值，即首挖隧道在另外2 條隧道開挖的影響下，隧道管片整體不斷下移，這是由于后2 條隧道開挖后應(yīng)力釋放的結(jié)果。在地下水的影響下，由于水壓的作用，導(dǎo)致隧道的豎向變形增量變大，A 點(diǎn)豎向變形最大值由無水時(shí)的-0.066 mm 變?yōu)?0.121 mm；D 點(diǎn)的豎向變形最大值由無水時(shí)的-0.026 mm 變?yōu)?0.072 mm。由圖7（c）（d）可知，在地下水的影響下，管片水平變形增量略有增大，尤其是右側(cè)隧道開挖導(dǎo)致的LC 管片變形增量顯著增大。B 點(diǎn)水平變形增量由0.111 mm變?yōu)?.219 mm，C 點(diǎn)的水平變形增量由0.116 mm 變?yōu)?.23 mm。綜上可知，地下水對(duì)工程有著一定的影響。

圖7 地下水對(duì)管片變形的影響（工況1）（E=10 MPa，λ=0.7）Fig.7 Influence of groundwater on the deformation of pipe segment（case 1）（E=10 MPa,λ=0.7）

（2）注漿彈性模量的影響

由圖8（a）（b）可知，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片頂部和底部的豎向變形增量隨之減小。由圖8（c）（d）可知，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，右側(cè)隧道開挖對(duì)首挖隧道的水平變形影響隨之減小，而中部隧道開挖對(duì)首挖隧道水平變形的影響先增大后略微減小。

圖8 注漿彈性模量對(duì)管片變形的影響（工況1）（λ=0.7）Fig.8 Influence of elastic modulus of grouting on the deformation of pipe segment（case 1）（λ=0.7）

（3）頂推力的影響

如圖9所示，在4 種工況下，隨著開挖面支護(hù)力的增加，A 點(diǎn)和D 點(diǎn)的豎向位移增量不斷減小，B 點(diǎn)和C 點(diǎn)的水平位移增量不斷增大。但支護(hù)力在0.6P（P為隧道中心原始地層靜止土壓力）和0.7P時(shí)隧道管片變形增量基本一致，因此將支護(hù)力維持在0.6P～0.7P之間時(shí)，隧道管片變形比較穩(wěn)定，更容易控制。

圖9 頂推力對(duì)管片變形的影響（工況1）（E=10 MPa）Fig.9 Influence of supporting force of excavation face on the deformation of pipe segment（case 1）（E=10 MPa）

3.1.2 工況2“中-右-左”管片變形分析

選取CC 管片頂部處與底部處的豎直U3 變形增量和左端點(diǎn)與右端點(diǎn)的水平U1 變形增量繪制變形增量圖如圖10所示。

（1）地下水的影響

由圖10（a）（b）可知，在沒有地下水的影響下，由于土體開挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放使得首挖的中部隧道整體上浮，雙峰的增量都為正值。而在有地下水的影響下，使得首挖的中部隧道整體下沉，雙峰的增量均為負(fù)值。由圖10（c）（d）可知，在有地下水的影響下，管片左右兩側(cè)的水平變形增量相較于無地下水時(shí)顯著增大，左端點(diǎn)最大值由0.295 mm 變?yōu)?.427 mm，右端點(diǎn)最大值由0.325 mm 變?yōu)?.473 mm。地下水對(duì)襯砌的變形有著一定的影響。

圖10 地下水對(duì)管片變形的影響（工況2）（E=10 MPa,λ=0.7）Fig.10 Influence of groundwater on the deformation of pipe segment（case 2）（E=10 MPa,λ=0.7）

（2）注漿彈性模量的影響

如圖11（a）（b）所示，在4 種工況下，隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片頂點(diǎn)和底部點(diǎn)的豎向變形增量絕對(duì)值不斷減小，直至10 MPa 時(shí)變?yōu)檎?。這是由于注漿彈性模量過低，會(huì)使得襯砌管片直接承受來自周圍的圍巖壓力作用，導(dǎo)致襯砌發(fā)生過量變形。而在圖11（c）（d）中，管片左右兩側(cè)的水平變形會(huì)由于等代層的剛度變化而產(chǎn)生先增大后減小的變化趨勢(shì)。

圖11 注漿層彈性模量對(duì)管片變形的影響（工況2）（λ=0.7）Fig.11 Influence of elastic modulus of grouting layer on the deformation of pipe segment（case 2）（λ=0.7）

（3）頂推力的影響

由圖12（a）（b）可知，在4 種工況下，隨著開挖面支護(hù)力的增大，管片頂部和底部的豎向位移增量基本不變。由圖12（c）（d）可知，隨著支護(hù)力的增大，管片左右兩側(cè)點(diǎn)的水平位移增量不斷增大，但增大幅度很小。當(dāng)支護(hù)力在0.6P～0.7P之間時(shí)，隧道管片變形增量基本一致，因此將支護(hù)力維持在0.6P～0.7P之間時(shí)，隧道管片變形比較穩(wěn)定，更容易控制。

圖12 頂推力對(duì)管片變形的影響（工況2）（E=10 MPa）Fig.12 Influence of supporting force of excavation face on the deformation of pipe segment（case 2）（E=10 MPa）

3.2 隧道橫斷面管片收斂情況分析

由以上分析可知，工況1 與工況2 隧道收斂變形情況有所不同。為了便于管片變形收斂情況的比較，選取首挖隧道第10 環(huán)處管片斷面進(jìn)行分析。分析時(shí)分別考慮了有無地下水的影響，2 種工況下管片的收斂變形圖如圖13所示，收斂變形值見表2。

結(jié)合圖13與表2中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)于工況1，在無地下水情況下，隧道管片整體向右下方偏移，隧道趨于扁平形狀，管片頂、底之間的相對(duì)位移量為0.07 mm，兩側(cè)拱腰之間管片的相對(duì)位移值0.08 mm。對(duì)于工況2，隧道管片整體向左上方偏移，表現(xiàn)為隧道趨于扁平，管片頂、底之間的相對(duì)位移量為0.1 mm，兩側(cè)拱腰之間管片的相對(duì)位移值為0.08 mm。當(dāng)存在地下水時(shí)，工況1 的管片收斂情況變化很小，而工況2 的收斂變化較大，豎向收斂值達(dá)到0.18 mm。因此，對(duì)比這幾種情況，第一種開挖方式，即“左-右-中”的開挖方式對(duì)首挖隧道影響最小。

圖13 隧道無地下水時(shí)管片收斂變形Fig.13 Convergence deformation of tunnel segment without water

表2 不同工況下管片收斂變形Table 2 Convergence deformation of segments under different conditions /mm

4 結(jié)論

（1）首挖隧道為左線隧道時(shí)，隨著右線和中線隧道的開挖，首挖隧道管片變形增量呈“一小一大”雙峰分布，這是由于后續(xù)兩線隧道距離首挖隧道距離遠(yuǎn)近的不同導(dǎo)致；首挖隧道為中部隧道時(shí)，隨著右線和左線隧道的開挖，首挖隧道管片豎直方向變形增量呈現(xiàn)“同側(cè)相同雙峰”分布，水平方向變形增量呈現(xiàn)“異側(cè)相同雙峰”分布，表明該工況下首挖隧道的管片變形不受兩側(cè)隧道開挖次序的影響。

（2）隨著注漿彈性模量的增大，隧道管片豎向變形增量不斷減小，水平變形增量有一個(gè)先增大后減小的變化；隨著開挖面支護(hù)力的增大，隧道管片的豎向變形增量絕對(duì)值不斷減少，水平變形增量不斷增大。當(dāng)頂推力在0.6P～0.7P之間時(shí)，隧道管片變形增量基本一致，因此將頂推力維持在0.6P～0.7P之間時(shí)，隧道管片變形比較穩(wěn)定，更容易控制。

（3）有地下水存在時(shí)，管片變形增量的變化規(guī)律基本不變，但管片整體位移較無地下水時(shí)增大。

（4）在對(duì)比2 種工況隧道開挖完成后的隧道管片收斂情況后，工況1 的收斂情況更小，因此開挖時(shí)建議采用左線-右線-中線的開挖方式，降低隧道開挖對(duì)已建隧道管片的影響。