復(fù)雜地層長(zhǎng)距離疊落大盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)分析

劉建檳

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著城市地下道路的不斷推廣，大直徑盾構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍。目前，國(guó)內(nèi)已有不少大直徑盾構(gòu)下穿既有隧道工程，以及軌道交通疊落并行的案例[1-4]。但大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離疊落并行的工程案例，國(guó)內(nèi)未見。本文依據(jù)實(shí)際工程對(duì)疊落并行大直徑盾構(gòu)隧道進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

珠海興業(yè)路（南段）勘察設(shè)計(jì)工程香寧一街段紅線寬度較窄，兩側(cè)建筑物密集，管線眾多。為保證周邊建筑物的安全以及不中斷交通，主線和匝道隧道均采用盾構(gòu)法施工，主線盾構(gòu)隧道外徑15.2m，內(nèi)徑13.9m，管片厚650mm，環(huán)寬2m。匝道盾構(gòu)隧道外徑11.36m，內(nèi)徑10.4m，管片厚480mm，環(huán)寬1.5m。

主線盾構(gòu)與匝道盾構(gòu)由北至南先后疊落掘進(jìn)，疊落長(zhǎng)度604m，兩條盾構(gòu)最終先后在板樟山工作井中接收。匝道盾構(gòu)隧道覆土為5.8~13.5m，最小曲線半徑約600m，最大縱坡為4%。主線盾構(gòu)隧道疊落段覆土為27.0~36.5m，最小曲線半徑約600m，最大縱坡為4%。匝道盾構(gòu)隧道距離建筑物的平面最小距離為3m。疊落盾構(gòu)段平面布置圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

2 工程地質(zhì)及水文情況

圖1 疊落盾構(gòu)段平面布置圖

圖2 疊落盾構(gòu)段剖面圖（單位：m）

板樟山工作井到檸溪路工作井之間地勢(shì)總體呈北低南高，地質(zhì)起伏較大，南側(cè)巖層較厚，往北巖層厚度逐漸減小。匝道盾構(gòu)主要穿越②2粉質(zhì)黏土、④礫質(zhì)黏性土，南側(cè)局部穿越⑤4微風(fēng)化花崗巖。主線盾構(gòu)主要穿越⑤2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑤3中風(fēng)化花崗巖，南側(cè)局部穿越⑤4微風(fēng)化花崗巖。疊落盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面圖如圖3所示。

盾構(gòu)穿越斷面土層性質(zhì)如下：

圖3 疊落盾構(gòu)段地質(zhì)縱斷面圖

②2粉質(zhì)黏土：褐黃~灰褐色，飽和，可塑，干強(qiáng)度及韌性中等，局部不均勻混約5%~10%的石英砂。④礫質(zhì)黏性土：灰白~褐紅色，飽和，硬塑，為花崗巖風(fēng)化殘積土，礦物組分主要為黏土和少量石英，巖芯浸水易軟化、崩解。⑤1全風(fēng)化花崗巖：飽和，巖芯土柱狀，堅(jiān)硬，原巖風(fēng)化劇烈，礦物組分主要為黏土和少量石英、長(zhǎng)石碎屑、云母，巖芯浸水易軟化、崩解。巖石堅(jiān)硬程度為極軟巖，巖體完整程度極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類。⑤2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：礦物組分主要為黏土、石英、長(zhǎng)石碎屑和少量云母，巖石為軟巖，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類。⑤3中風(fēng)化花崗巖：節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石為較軟～較硬巖，巖體較破碎～較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ類。⑤4微風(fēng)化花崗巖：偶見少量節(jié)理裂隙，巖石為較硬巖，巖體較破碎～較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ類。盾構(gòu)隧道斷面范圍內(nèi)的中、微風(fēng)化花崗巖石英含量占30%~38%，長(zhǎng)石含量占60~67%，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為25.30～131MPa。盾構(gòu)進(jìn)入微風(fēng)化巖層的長(zhǎng)度約80m，隧道在堅(jiān)硬巖中穿行，刀具加速磨損，掘進(jìn)速度比較慢。

工程勘察期間穩(wěn)定水位埋深平均值2.8m，②1粗砂、②4粗砂層屬?gòu)?qiáng)透水層，②4粗砂層具微承壓性，其余各土（巖）層均屬微～弱透水層，富水性差?；鶐r裂隙水主要是花崗巖各風(fēng)化帶裂隙水，且強(qiáng)風(fēng)化~中風(fēng)化帶是主要儲(chǔ)水層段，花崗巖風(fēng)化層有較好的水力聯(lián)系。

3 案例調(diào)研

目前，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道上下疊落的案例主要集中在城市用地緊張的軌道交通領(lǐng)域，見表1。

疊落隧道都是先掘進(jìn)下部隧道，后掘進(jìn)上部隧道，先后掘進(jìn)間距為100~200m。盾構(gòu)隧道疊落的豎向凈距與控制掘進(jìn)的地層情況密切相關(guān)。軟土地層中，疊落隧道的豎向凈距在條件允許情況下應(yīng)盡量拉大。國(guó)內(nèi)上下盾構(gòu)隧道的最小凈距在2~3m左右，且先行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)皆對(duì)后行隧道區(qū)域進(jìn)行加固，減小后行盾構(gòu)對(duì)已建隧道的影響。

表1 盾構(gòu)隧道上下疊落案例

4 設(shè)計(jì)分析

4.1 抗浮分析

大直徑盾構(gòu)隧道管片的局部上浮會(huì)造成管片間的錯(cuò)臺(tái)、縱向連接螺栓受剪、管片裂縫的產(chǎn)生、管片防水結(jié)構(gòu)的破壞等。

匝道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，對(duì)主線隧道而言，上部土體卸載，隧道管片存在上浮的可能性。當(dāng)上下盾構(gòu)隧道的凈距較小時(shí)，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)之間的土體進(jìn)行主動(dòng)注漿加固，既減小后行盾構(gòu)對(duì)已建隧道的影響，也滿足上下盾構(gòu)整體抗浮的要求。

為減少主動(dòng)注漿量，以及減小匝道盾構(gòu)與主線隧道的相互影響，采用局部抗浮計(jì)算方法驗(yàn)算主線隧道的抗浮要求。

抗浮分析時(shí)，不考慮上覆土體的側(cè)向剪切阻力，僅考慮主線隧道直徑范圍內(nèi)、匝道隧道軸線下方土體的自重P以及管片本身的自重G和π型件等的自重Gπ。假設(shè)單位長(zhǎng)度上管片所受浮力為F浮，隧道間凈距為d，土體浮容重為γ'，管片重度為γc，建立力學(xué)模型，如圖4所示。

式中：G為管片自重，kN/m3；γc為管片重度，kN/m3；P為主線隧道直線范圍內(nèi)、匝道隧道軸線下方土體自重，kN/m3；γ'為土體浮容量，kN/m3；d為遂道間凈距，m。

施工期間的管片抗浮分項(xiàng)系數(shù)取1.1，則：

計(jì)算得d≥7.5m。

圖4 主線隧道抗浮計(jì)算力學(xué)模型

4.2 不同隧道凈距影響分析

該工程所處場(chǎng)地地層分布自上而下為：①填筑土、②2粉質(zhì)黏土、④礫質(zhì)黏性土、⑤1全風(fēng)化花崗巖、⑤2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑤3中風(fēng)化花崗巖、⑤4微風(fēng)化花崗巖，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。土體采用硬化模型進(jìn)行計(jì)算，隧道襯砌采用板彈性模型進(jìn)行模擬，盾構(gòu)推進(jìn)地層損失率采用0.3%。根據(jù)“先下后上，先大后小”的原則，采用先實(shí)施主線盾構(gòu)，后實(shí)施匝道盾構(gòu)的施工順序，以此減小施工風(fēng)險(xiǎn)，保證隧道結(jié)構(gòu)及周邊建構(gòu)筑物的安全。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

采用PLAXIS2D研究疊落盾構(gòu)隧道的凈距為1.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m、10.5m、12m時(shí)，匝道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)主線盾構(gòu)的影響。圖5所示為不同盾構(gòu)凈距的土體總位移云圖。

由土體位移云圖可知，匝道隧道掘進(jìn)引起的土體變形范圍在水平軸線處最小，往地表呈喇叭形擴(kuò)大，在主線隧道周邊產(chǎn)生突變。隧道凈距越小，主線隧道變形影響越大，變形最大值發(fā)生在隧道頂，呈隆起狀態(tài)。

根據(jù)主線隧道頂?shù)奈灰齐S隧道凈距變化情況繪制曲線如圖6所示。隧道頂?shù)淖冃坞S凈距的減小呈指數(shù)型增加，假設(shè)隧道間凈距為x，主線隧道頂?shù)淖冃螢閥，曲線函數(shù)擬合為：

圖5 不同隧道凈距的土體總位移云圖

圖6 主線隧道頂位移隨隧道凈距變化曲線

當(dāng)隧道凈距為1.5m時(shí)，主線隧道頂?shù)奈灰浦颠_(dá)到7.3mm。當(dāng)隧道凈距為7.5m時(shí)，位移值減小為1.8mm，隧道凈距在7.5m以上時(shí)，變形減小較為緩慢。

4.3 三維數(shù)值分析

4.3.1 有限元建模計(jì)算

為模擬盾構(gòu)開挖對(duì)周邊土體以及結(jié)構(gòu)的影響，采用Plaxis3D有限元軟件進(jìn)行模型的建立與計(jì)算。本模型長(zhǎng)寬高分別為300m、230m、70m。土體采用硬化模型，建筑物采用線彈性模型，隧道襯砌采用板彈性模型進(jìn)行模擬，先開挖主線隧道，后開匝道隧道，盾構(gòu)推進(jìn)地層損失率采用0.3%。土體參數(shù)取值見表2，整體模型如圖7所示。

4.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

如圖8（a）所示，在主線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后，土體最大沉降出現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)上方，最大值為26.9mm。受主線掘進(jìn)的影響，隧道周圍建筑物也出現(xiàn)了不同程度的變形，最大沉降達(dá)到了12.2mm，且建筑物的沉降變形隨其與隧道的水平凈距的增大逐漸減小。由圖8（b）可知，匝道盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，對(duì)主線隧道影響明顯，隧道上方土體的沉降相比之前減小了7.8%，為24.8mm。土體整體上仍是沉降變形，周邊建筑物的變形由于土體的開挖有所增加，達(dá)到了13.4mm。

圖7 有限元計(jì)算模型

圖8 盾構(gòu)掘進(jìn)后土體豎向位移云圖

如圖9所示，主線隧道掘進(jìn)完成后，主線襯砌頂部發(fā)生了沉降變形，最大沉降為26.8mm。主線襯砌底部位于中風(fēng)化巖層中，最大隆起變形較小，為1.5mm。在匝道隧道掘進(jìn)完成后，主線襯砌頂部沉降減小至24.9mm，底部隆起更加明顯，增加至2.7mm，這是因?yàn)樯喜吭训浪淼谰蜻M(jìn)后，主線隧道上部的壓力減小，使主線隧道產(chǎn)生向上的變形。

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)后主線襯砌豎向位移云圖

如圖10所示，主線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩為780.3kN·m，發(fā)生在襯砌頂部位置，而最小彎矩為696.9kN·m，發(fā)生在襯砌的腰部；當(dāng)匝道盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，由于襯砌上方土體的開挖卸荷，襯砌彎矩出現(xiàn)了明顯的減小，襯砌頂部的最大彎矩減小至102.2kN·m，頂部的彎矩為93.29kN·m。管片內(nèi)力是一個(gè)動(dòng)態(tài)的重分布問題，特別是螺栓的受力具有不確定性。

圖10 盾構(gòu)掘進(jìn)后主線襯砌彎矩云圖

5 工程措施

匝道隧道掘進(jìn)后，主線隧道上部土體卸載，根據(jù)理論計(jì)算，對(duì)主線隧道管片有利。但是，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力重分布以及附加變形的問題，具有不確定性。匝道盾構(gòu)施工時(shí)會(huì)對(duì)土體進(jìn)行擾動(dòng)，產(chǎn)生附加應(yīng)力，將對(duì)主線隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

（1）主線隧道管片上增設(shè)注漿孔，增加二次注漿的點(diǎn)數(shù)。當(dāng)主線隧道變形較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，并確保注漿效果。

（2）管片上設(shè)置剪力銷，加強(qiáng)抵抗管片錯(cuò)臺(tái)的能力，減少管片的變形。

（3）匝道盾構(gòu)施工時(shí)，需密切關(guān)注盾構(gòu)推力、扭矩等施工參數(shù)，保證開挖面壓力合理、穩(wěn)定，盾構(gòu)姿態(tài)良好，掘進(jìn)速度平穩(wěn)，減少對(duì)下方主線盾構(gòu)的擾動(dòng)。

（4）設(shè)置試驗(yàn)段。根據(jù)主線隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，最大限度的減小盾構(gòu)施工影響。

（5）在主線盾構(gòu)內(nèi)采用臨時(shí)支撐，如移動(dòng)臺(tái)車支護(hù)或鋼支撐架等對(duì)主線隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

（6）增加監(jiān)測(cè)頻率，通過主線隧道內(nèi)部設(shè)置結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及變形監(jiān)測(cè)，確保主線隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

6 結(jié) 論

本文通過對(duì)復(fù)雜地層長(zhǎng)距離疊落大盾構(gòu)隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

（1）疊落隧道的豎向凈距應(yīng)綜合地質(zhì)情況、抗浮及變形影響等，該工程疊落隧道的凈距控制在0.5D（D為下部隧道的直徑）是合適的。

（2）上部隧道掘進(jìn)時(shí)，從理論計(jì)算分析而言，土體卸載，對(duì)主線隧道管片受力有利。匝道盾構(gòu)隧道對(duì)主線隧道的影響應(yīng)結(jié)合實(shí)際施工進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（3）上部隧道掘進(jìn)前后管片的內(nèi)力變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力重分布以及附加變形的問題，具有不確定性。