小凈距隧道后行洞開挖對先行洞的變形影響

扈 萍，馬 梁，李 萌，王君鵬，張西文

(1. 濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2. 山東省城市地下工程支護(hù)及風(fēng)險監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250022)

現(xiàn)有的城市軌道交通區(qū)間隧道施工過程受限于地質(zhì)條件及地下空間的綜合要求，雙孔甚至多孔小凈距隧道的工程實例已越來越常見。隨著小凈距隧道并行施工情況日益增多[1]，由此導(dǎo)致的施工難度與工程風(fēng)險也越來越大[2-6]。對于并行施工隧道的凈距最小值，目前已有相關(guān)規(guī)范作出規(guī)定，然而地質(zhì)條件千變?nèi)f化，并且目前施工技術(shù)有限，導(dǎo)致很多并行隧道的實際凈距通常不能滿足規(guī)范中的規(guī)定值[7-11]，因此在多條隧道必須并行施工并且隧道之間凈距過小的情況下，有必要考慮后行洞的開挖對已經(jīng)完工的先行洞變形是否造成影響，并研究能夠減小這種影響的加固措施。

本文中以濟(jì)南軌道交通3號線隧道并行施工的三孔小凈距隧道為研究對象，采用Midas GTS軟件，對盾構(gòu)隧道開挖時不同小凈距條件下先行淺埋暗挖隧道的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示后行隧道施工對先行隧道變形的影響規(guī)律，并將模擬結(jié)果與規(guī)范中規(guī)定的變形控制值進(jìn)行比較，分析小凈距隧道施工時需要進(jìn)行加固的最小凈距，同時對帷幕注漿與打設(shè)鉆孔灌注樁2種加固措施進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加固效果。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通3號線龍洞莊站至孟家莊站區(qū)間由三孔并行的隧道構(gòu)成。中間的隧道采用淺埋暗挖法中的中隔墻法(CD工法)，分為A、B這2個導(dǎo)洞先行施工；之后左、右兩線隧道采用盾構(gòu)法施工，左線先行，右線后行，掘進(jìn)過程中左右對稱，與先行的淺埋暗挖隧道處于同一水平線，隧道間凈距變化范圍為2.55～5.07 m，最小值小于隧道半徑。隧道剖面圖如圖1所示。其中，先行的中間淺埋暗挖隧道為馬蹄形隧道，斷面尺寸為11.70 m×8.59 m(寬度×高度)，采用超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，區(qū)間隧道初期支護(hù)，采用格柵鋼拱架掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，二次襯砌作為安全儲備，由模注混凝土構(gòu)成。后行的左、右兩線隧道內(nèi)徑為6.4 m，管片厚度為0.3 m。

A、B—導(dǎo)洞編號。圖1 濟(jì)南軌道交通3號線并行施工的三孔小凈距隧道剖面圖

2 后行洞施工對先行洞的變形影響

2.1 有限元模型

采用Midas GTS軟件建立二維有限元隧道模型，并假設(shè)左、右兩線隧道與中間淺埋暗挖隧道之間的凈距分別為1.2D、1.0D、0.8D、0.6D、0.4D(其中D為盾構(gòu)隧道內(nèi)徑)，對中間隧道的變形進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到隧道開挖的影響范圍，選取模型尺寸為100 m×60 m(寬度×高度)。對于巖土層，可將其簡化為水平分布、厚度均一的彈塑性材料，由地表往下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、碎石土、中風(fēng)化石灰?guī)r，巖土體參數(shù)取自地勘單位提供的詳勘報告，如表1所示。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

表1 巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)等效參數(shù)

對于中間的淺埋暗挖隧道，采用增大圍巖力學(xué)參數(shù)的方法，模擬超前小導(dǎo)管注漿加固?？紤]到單獨模擬初期支護(hù)中鋼拱架和混凝土較復(fù)雜，因此將混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)看作整體進(jìn)行計算，等效后的力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用文獻(xiàn)[12-13]中的做法，將初期支護(hù)分為初支與初支硬化2個階段，這樣能夠充分考慮荷載的逐步釋放。同時，將盾構(gòu)管片與隧道開挖面之間的環(huán)形空隙注漿后概化為均質(zhì)、等厚、彈性的等代層。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 水平位移

中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的水平位移云圖如圖2所示。從圖中可以看出，最大水平位移出現(xiàn)在拱腰附近，左側(cè)拱腰處水平位移(A洞凈空收斂)最大值和右側(cè)拱腰處水平位移(B洞凈空收斂)最大值分別為6.46、-5.72 mm，與坐標(biāo)軸同方向為正，與坐標(biāo)軸反方向為負(fù)。

圖2 中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的水平位移云圖

當(dāng)左、右兩線隧道開始掘進(jìn)后，中間先行隧道的凈空收斂如表2所示。從表中可以看出，以凈距為0.4D的工況為例，左線盾構(gòu)掘進(jìn)后，中間隧道A、B洞的凈空收斂分別減小為3.41、-4.72 mm；右線盾構(gòu)掘進(jìn)后則進(jìn)一步減小為3.07、-2.29 mm。由此可知，當(dāng)左、右兩線隧道后行開挖時，中間先行隧道的左、右兩側(cè)拱腰處水平位移均減小，即A、B洞都出現(xiàn)凈空擴(kuò)容的現(xiàn)象。原因是左、右兩線的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后，在水平方向產(chǎn)生應(yīng)力釋放作用，使得原本發(fā)生收縮的中間先行隧道在水平方向產(chǎn)生相反方向的位移。從表中還可以看出，隧道間的凈距對先行隧道的變形有很大的影響。隨著隧道間凈距的減小，當(dāng)左、右兩線隧道掘進(jìn)后，中間先行隧道A、B洞的凈空收斂也不斷減小，即中間先行隧道的凈空擴(kuò)容現(xiàn)象越明顯。

表2 中間隧道在不同工況時的凈空收斂

2.2.2 豎向位移

圖3所示為中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的豎向位移云圖。從圖中可看出，中間隧道初襯施工完成后，在A洞的拱頂和仰拱位置豎向位移最大，拱頂沉降和仰拱隆起最大值分別為-6.17、4.98 mm。

圖3 中間淺埋暗挖隧道初襯施工后的豎向位移云圖

圖4所示為不同隧道凈距時左、右兩線隧道開挖后中間先行隧道的拱頂沉降與仰拱隆起。從圖4(a)中可以看出，當(dāng)保持凈距不變時，盾構(gòu)左線掘進(jìn)后中間先行洞的拱頂進(jìn)一步發(fā)生沉降；右線掘進(jìn)后拱頂沉降則繼續(xù)增大。同時，拱頂沉降的增大幅度隨著隧道間凈距的減小而越來越大。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]，淺埋暗挖隧道的拱頂下沉值必須控制在-10 mm以內(nèi)，而當(dāng)隧道間凈距減小至0.6D時，中間淺埋暗挖隧道的拱頂沉降為-9.71 mm，該數(shù)值已接近國家標(biāo)準(zhǔn)[14]中規(guī)定的最大下沉值；而當(dāng)凈距減小至0.4D時，拱頂沉降則超過了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大下沉值。從圖4(b)中可以看出，左線和右線隧道的先后開挖會導(dǎo)致中間隧道的仰拱隆起不斷增大。同時，隨著三孔隧道間凈距離不斷減小，中間隧道的仰拱隆起值在左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)后越來越大，可見隧道凈距越小，后行盾構(gòu)掘進(jìn)時對中間先行隧道的變形影響越大。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]同樣規(guī)定，對于淺埋暗挖隧道，仰拱隆起變形應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)。從圖中還可以看出，當(dāng)隧道間凈距為0.4D時，對應(yīng)的仰拱隆起值已接近國家標(biāo)準(zhǔn)[14]中規(guī)定的上限。

(a)拱頂沉降

2.2.3 塑性區(qū)分析

圖5所示為三孔隧道在不同凈距條件下的塑性應(yīng)變云圖。由圖可知，對于中間淺埋暗挖隧道，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在圍巖底部和拱腰處；而左、右兩線隧道圍巖的塑性應(yīng)變則沿洞口周圍均勻分布。隨著隧道凈距越來越小，各隧道塑性區(qū)的發(fā)展會逐步加劇，塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大并接近，當(dāng)隧道間凈距減小到0.8D時，發(fā)生明顯的塑性區(qū)重疊現(xiàn)象。這種重疊效應(yīng)隨著隧道間凈距的減小還會越來越明顯。

3 加固措施與效果分析

3.1 加固措施

對于本工程中的三孔小凈距隧道，當(dāng)左、右兩線隧道盾構(gòu)施工時，僅對中間隧道進(jìn)行支撐或通過監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)等已經(jīng)無法滿足安全要求，更重要的是對隧道中間地層采取一定的加固措施。本文中在總結(jié)現(xiàn)有加固措施的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際工程條件以及施工的可行性，提出2種加固措施：1)對中間地層進(jìn)行帷幕注漿加固；2)在中間地層打設(shè)鉆孔灌注樁進(jìn)行加固。

(a)隧道間凈距為1.2D

3.2 模型建立及參數(shù)選取

對于加固后的中間地層，本構(gòu)模型仍選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，并通過調(diào)整土體的物理力學(xué)參數(shù)達(dá)到加固后土體的各項性能，如表3所示。選取模型尺寸為100 m×60 m(寬度×高度)，設(shè)置隧道間凈距為0.8D，分別建立帷幕注漿和鉆孔灌注樁加固模型如圖6所示。

表3 加固后的土體力學(xué)等效參數(shù)

3.3 效果分析

3.3.1 水平位移

表4所示為左、右兩線隧道開挖時不同加固措施條件下中間先行隧道的凈空收斂。從表中可以看出，不采取任何加固措施時，左、右兩線隧道施工完成后，中間隧道A、B洞的凈空收斂值變化非常大；采取帷幕注漿和打設(shè)鉆孔灌注樁進(jìn)行加固后，中間隧道A、B洞的凈空收斂較初支時變化都不大，說明采取加固措施后，先行隧道的水平變形受先行隧道開挖的影響都大幅減小。從表中還可以看出，當(dāng)對中間地層進(jìn)行帷幕注漿時，中間隧道A、B洞的凈空收斂比自身施工時的水平位移有所增大。由此可知，對中間地層進(jìn)行帷幕注漿會造成隧道圍巖向隧道內(nèi)位移，原因是在鉆孔時，機(jī)器的震動和注漿的壓力使中間隧道洞周土體初支壓力增大，從而造成土體水平位移增大，圍巖內(nèi)移。采用鉆孔灌注樁時，灌漿只在較小范圍內(nèi)產(chǎn)生壓力，并且樁與隧道之間距離較大，因此對中間隧道的變形影響相對小得多。

表4 不同加固措施時中間先行隧道的凈空收斂

3.3.2 豎向位移

圖7所示為三孔隧道在不同加固措施時的豎向位移云圖。從圖中可以看出，如果對三孔隧道同一水平的中間地層采取帷幕注漿加固，則無論是拱頂沉降，還是仰拱隆起，三孔隧道的云圖均發(fā)生重疊，說明此時先行隧道的豎向變形仍然受到后行隧道開挖的影響。當(dāng)在中間地層打設(shè)鉆孔灌注樁時，拱頂沉降云圖因樁的分割作用而表現(xiàn)為互不關(guān)聯(lián)的3個部分，后行盾構(gòu)隧道開挖對先行隧道的豎向變形影響大幅減小。

(a)帷幕注漿方案

左、右兩線隧道先后開挖時，不同加固措施條件下中間先行隧道的豎向位移(拱頂沉降和仰拱隆起)如表5所示。從圖中可以看出，采用帷幕注漿和鉆孔灌注樁進(jìn)行加固時，先行淺埋暗挖隧道的拱頂沉降和仰拱隆起與未加固時相比均大幅減小，因此在減小先行洞豎向變形方面，2種加固措施都是有效的。兩者相比，打設(shè)鉆孔灌注樁后先行洞的豎向位移變化更大，說明能夠更好地抑制后行洞開挖造成的影響。

表5 不同加固措施時中間先行隧道的豎向位移

由對未加固以及不同加固措施時中間先行隧道水平位移和豎向位移的分析可知，在左、右兩線隧道開挖之前，可通過帷幕注漿與打設(shè)鉆孔灌注樁的方式減小后行洞開挖對先行洞變形的不利影響；但是采取帷幕注漿法會使圍巖向中間隧道內(nèi)移動，同時，三孔隧道的豎向位移仍有重疊現(xiàn)象，而且左、右兩線隧道盾構(gòu)開挖時，中間先行隧道的水平位移、拱頂沉降和仰拱隆起等變形值相比打設(shè)鉆孔灌注樁時的更大，因此打設(shè)鉆孔灌注樁加固效果更理想。

4 結(jié)論

本文中采用有限元分析軟件，對三孔小凈距并行隧道后行洞開挖時中間先行洞的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并針對實際工程研究小凈距隧道中間地層的加固措施，得到以下主要結(jié)論：

1)先行淺埋暗挖隧道初襯施工完成后，后行盾構(gòu)開挖不僅會使先行隧道在水平方向發(fā)生凈空擴(kuò)容，同時還會引起三孔隧道在豎向上應(yīng)變疊加，導(dǎo)致先行隧道的豎向變形值如拱頂沉降、仰拱隆起等進(jìn)一步增大。

2)后行洞開挖對先行洞造成的變形影響與隧道間凈距密切相關(guān)，因此探尋需要采取加固措施的隧道間最小凈距具有重要的工程意義。以本工程為例，當(dāng)隧道間凈距小于0.8D時，三孔隧道的塑性區(qū)發(fā)生重疊，應(yīng)采取加固措施以減小先行洞的圍巖變形，增強隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3)對中間地層進(jìn)行帷幕注漿與打設(shè)鉆孔灌注樁都能有效減小后行盾構(gòu)開挖時對先行淺埋暗挖隧道的變形影響，兩者相比，采用打設(shè)鉆孔灌注樁的措施加固效果更好。