機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)T接部位沉降影響的實(shí)測(cè)與數(shù)值分析*

胡 威，黃 強(qiáng)，李海波，趙星星

(1.寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211； 2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司, 江蘇 蘇州 215131)

0 引言

聯(lián)絡(luò)通道一般設(shè)置在兩條隧道中間，起連通、排水和消防疏散等作用。目前聯(lián)絡(luò)通道的修建多采用凍結(jié)法、礦山法等隧道施工技術(shù)，但凍結(jié)法和礦山法施工存在著不可避免的缺陷。2019年4月19日，寧波地鐵4號(hào)線麗雙區(qū)間2號(hào)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道貫通，從設(shè)備吊裝下井到修建完成僅用時(shí)15d，代表了目前國(guó)內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道修建技術(shù)的最高水平。采用機(jī)械法開挖聯(lián)絡(luò)通道，將極大程度提高施工效率，減少施工對(duì)環(huán)境造成的不良影響。但目前機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工實(shí)例較少，因此對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的研究迫在眉睫。不少專家學(xué)者對(duì)隧道聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行過研究[1]，如朱瑤宏等[2]通過研究施工過程中的施工工況節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主隧道結(jié)構(gòu)的外荷載、收斂變形并計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，得到在整個(gè)施工過程中主隧道的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及其變化規(guī)律；彭剛[3]通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段總結(jié)了大斷面矩形頂管近距離雙線并行施工所引發(fā)的地表沉降特征，如地表沉降主要發(fā)生在切口到達(dá)及頂管通過的過程中等結(jié)論；劉琳等[4]通過頂管法對(duì)超短距離的矩形聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行施工，總結(jié)了施工現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的難題，提供類似相關(guān)聯(lián)絡(luò)通道施工的處理方法；耿萍等[5]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究主隧道和聯(lián)絡(luò)橫通道之間采用剛、柔兩種連接形式時(shí)對(duì)盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)的影響，得出了當(dāng)采用剛性連接時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道對(duì)主隧道影響范圍約為 3.0 倍聯(lián)絡(luò)橫通道寬度，而采用柔性連接時(shí)其影響范圍減少為1.5～2.0 倍等結(jié)論；丁修恒等[6]通過Plaxis 3D有限元法研究地震荷載對(duì)主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的受力、位移的影響，得出了在地震荷載作用下剛性接頭受力遠(yuǎn)大于半剛性工況等結(jié)論；楊景賀等[7]通過有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)地鐵施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合分析，研究盾構(gòu)法施工過程中對(duì)隧道圍巖變形、應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布情況等，得出了針對(duì)性的支護(hù)方法；梅清俊等[8]通過對(duì)寧波地鐵3號(hào)線監(jiān)測(cè)分析，研究新工法對(duì)周圍地層、主隧道結(jié)構(gòu)等的施工影響，得出機(jī)械法施工對(duì)周圍土體和既有主隧道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律；許有俊等[9]以現(xiàn)場(chǎng)地鐵施工為依托，結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析盾構(gòu)隧道下穿施工全過程，研究在不同工況條件下對(duì)車站沉降變形的影響，得出了地鐵車站底板的隆起量隨著盾構(gòu)推力的增大而增大等結(jié)論。

由于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工最近幾年才興起，施工案例較少，對(duì)地表和主隧道結(jié)構(gòu)沉降影響規(guī)律仍然需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)掘和探索。因此本文通過現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)和 Plaxis 3D有限元軟件模擬相結(jié)合，并用Peck預(yù)測(cè)沉降公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，更好地揭示機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)地表沉降和聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)位移的影響，為今后機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本工程位于杭州市余杭區(qū)以及海寧市許村鎮(zhèn)，盾構(gòu)區(qū)間為余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站(簡(jiǎn)稱余—許盾構(gòu)區(qū)間)。余—許盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)3 126.22m，右線長(zhǎng)3 126.555m。本區(qū)間設(shè)置3座機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道，主要對(duì)1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行研究。1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道中心標(biāo)高-20.597m，襯砌頂覆土厚約24.1m，線間距13.0m。聯(lián)絡(luò)通道管片外徑3 260mm, 內(nèi)徑2 760mm，厚度250mm。襯砌環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝, 無楔形量，環(huán)寬0.9m。主隧道T部位處采用特殊環(huán)襯砌環(huán)管片, 管片為雙面楔形通用環(huán)，采用通縫拼裝，楔形量40mm。

1.1 工程地質(zhì)條件

本場(chǎng)區(qū)內(nèi)為第四系覆蓋層，按地質(zhì)成因時(shí)代及其工程特征，場(chǎng)地沿線第四系地層空間豎向分布自上而下大致可分為：淺表層厚薄不一的填土，其下為沖海積的黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土，海積的淤泥質(zhì)黏土、粉土、沖積的黏性土或粉細(xì)砂等。本區(qū)間1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道大部位于粉砂層，局部位于粉質(zhì)黏土夾粉土層。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

在余—許盾構(gòu)區(qū)間主隧道和聯(lián)絡(luò)通道上，共布置6組地表縱向監(jiān)測(cè)斷面。每組縱向監(jiān)測(cè)斷面布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以第1組為例，監(jiān)測(cè)斷面編號(hào)為DB1-1～DB1-13，本文將6組地表縱向監(jiān)測(cè)斷面記作D-1～D-6。聯(lián)絡(luò)通道處設(shè)置了3組橫向監(jiān)測(cè)斷面，每組橫向監(jiān)測(cè)斷面有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),本文將3組地表橫向監(jiān)測(cè)斷面記作H-1～H-3。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。在主隧道左線和右線區(qū)間，按照每隔6m布置1個(gè)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用ZSD1-1～ZSD1-21進(jìn)行編號(hào)，右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用YSD1-1～YSD1-21進(jìn)行編號(hào)，隧道結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 地表沉降監(jiān)測(cè)布置

圖2 隧道結(jié)構(gòu)變形位移監(jiān)測(cè)布置

2 理論分析

2.1 橫向地表沉降分析

Peck教授提出假定在地表沉降中地層水分未損失前提下，地層損失體積等于沉降槽體積，沉降槽符合高斯曲線分布，其沉降曲線計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S(x)為距離隧道中線x處的地表沉降值；Smax為隧道中線處地表沉降最大值；i為沉降槽寬度。

將式(1)進(jìn)行線性回歸處理，對(duì)等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)得：

(2)

(3)

(4)

則回歸方程為：

(5)

取聯(lián)絡(luò)通道上方兩組橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即H-1和H-2。將H-1組的沉降數(shù)據(jù)按照上訴計(jì)算方法進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表1所示。

表1 Peck沉降公式計(jì)算參數(shù)

將表1數(shù)據(jù)代入可得：

(6)

故D-1監(jiān)測(cè)斷面的Peck沉降預(yù)測(cè)公式為：

(7)

同理，按照上訴計(jì)算方式，可得出D-2監(jiān)測(cè)斷面的Peck沉降預(yù)測(cè)公式為：

(8)

依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、擬合回歸曲線以及采用Peck預(yù)測(cè)公式作對(duì)比曲線如圖3所示。由圖3可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線與擬合回歸曲線的吻合度比較接近，說明現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可通過一元線性方法進(jìn)行擬合分析。通過對(duì)比Peck預(yù)測(cè)曲線與擬合回歸曲線的沉降最大值，圖3a和圖3b最大沉降量分別為5.6，5.8，7.4，7.6mm，誤差分別為 5.5%和6.5%，均符合工程需求，故可認(rèn)為采用 Peck 沉降預(yù)測(cè)曲線的方法能較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工地表沉降的預(yù)測(cè)。

圖3 橫斷面地表沉降擬合公式曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.2 縱向地表沉降分析

由于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)地表所造成的沉降影響有別于普通盾構(gòu)法開挖。聯(lián)絡(luò)通道兩端開挖是基于主隧道管片處的破洞響應(yīng)，故聯(lián)絡(luò)通道兩端沉降較小，呈現(xiàn)出凹槽形狀。由于沉降槽近似正態(tài)分布，故本文將高斯曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，得出縱向沉降擬合經(jīng)驗(yàn)公式，有效應(yīng)用于實(shí)際工程的地表沉降估算。

高斯經(jīng)驗(yàn)公式為：

(9)

式中：S為聯(lián)絡(luò)通道上方地表沉降；x為距離聯(lián)絡(luò)通道中間位置的縱向水平距離；A，B為常數(shù)系數(shù)。

對(duì)式(9)等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可變?yōu)椋?/p>

y=kx2+b

(10)

式中：y=lnS；k=-1/B2；b=lnA。

取樣本殘差平方和極值，得上述系數(shù)統(tǒng)計(jì)解為：

(11)

為了驗(yàn)證回歸曲線方程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)程度，設(shè)線性相關(guān)系數(shù)r為：

(12)

式中：r若越接近1，則線性相關(guān)程度越高。在實(shí)際工程當(dāng)中，若r>0.8時(shí)認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)公式可靠。

取現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)通道正上方一組地表縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DB4-1～DB4-13)作為沉降數(shù)據(jù)分析對(duì)象。由上述計(jì)算方法進(jìn)行線性回歸分析，如表2所示。

表2 縱斷面沉降數(shù)據(jù)分析

經(jīng)計(jì)算得縱斷面線性回歸方程為：

y=-0.001 03x2+0.97

(13)

線性相關(guān)系數(shù)r=0.84>0.8，擬合后的經(jīng)驗(yàn)公式曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)，二者吻合程度較高，表明地表縱斷面沉降經(jīng)驗(yàn)公式可靠。

圖4 縱斷面地表沉降擬合公式曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

模型y方向(既有隧道運(yùn)營(yíng)方向)取 80m，y方向取 40m，z方向取52m，地下水位線位于-1.500m處。地表取為自由邊界，其他5個(gè)面均約束其法向變形。模型共劃分了69 956個(gè)單元，計(jì)99 043個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。土層及盾構(gòu)相關(guān)基本力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖5 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.2 模擬過程

研究聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)既有隧道變形及土層影響，故建模過程中無需考慮主隧道開挖對(duì)地層的影響。同時(shí)采用等效剛度法模擬既有主隧道，即假定混凝土管片在基坑開挖過程中一直處于彈性變形階段，根據(jù)相應(yīng)的研究成果，定義盾構(gòu)隧道剛度有效率為75%，用以反映T部位管片間接頭存在對(duì)既有隧道變形的影響。彈性模量取為C50混凝土模量值，泊松比取0.25。具體施工模擬步驟如圖6所示。

圖6 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工模擬步驟

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果可靠性，將取3組監(jiān)測(cè)斷面H-1，H-2，H-3的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖7所示，可以看出：地表在垂直于聯(lián)絡(luò)通道的橫向剖面上模擬值與實(shí)測(cè)值比較接近，實(shí)測(cè)值略高于模擬值。說明有限元模型吻合度較好，模擬效果可靠。

圖7 模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 不同工況條件下地表沉降分析

3.4.1開挖不同深度

為研究不同埋深的機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)地表沉降的影響，本文分別開挖了埋深為12m，15m和18m的聯(lián)絡(luò)通道，繪制了不同開挖深度地表沉降曲線，如圖8所示。由圖8可知，開挖深度為9m時(shí)，0.1m深聯(lián)絡(luò)通道正上方地表沉降值最大，而沉降槽最窄，影響范圍較小。3m處地表沉降次之，沉降槽相對(duì)加寬。5m處地表沉降較小，沉降槽相對(duì)較大，影響范圍大。開挖深度為12m時(shí)，各深度隧道沉降值整體增加，沉降槽稍有加寬，越接近地表，沉降曲線越窄，影響范圍越小。開挖深度為18m時(shí)，各深度隧道沉降值相對(duì)增大，聯(lián)絡(luò)通道中心部位沉降值最大，向兩端遞減。

圖8 不同開挖深度橫向沉降曲線

3.4.2開挖不同土層

數(shù)值模擬分3種工況進(jìn)行：原工況條件下盾構(gòu)機(jī)掌子面上半部分穿越粉土層，下半部分穿越黏土層；工況1條件下盾構(gòu)機(jī)掌子面全部穿越粉土層；工況2條件下掌子面只接觸黏土層。不同工況條件下地表沉降曲線如圖9所示。

由圖9可知，能觀察出盾構(gòu)機(jī)在不同工況條件下開挖時(shí)沉降曲線有顯著的差異。工況1在穿越粉土層條件下，地表沉降量最??；工況2在穿越黏土層條件下，地表沉降量最大。這是由于黏土屬于較軟土質(zhì)，軟土具有高壓縮性，故在黏土層中開挖地表沉降量較大。工況1、工況2和原工況進(jìn)行對(duì)比，盾構(gòu)穿越粉土層時(shí)，最大沉降值比原工況下降了26.6%，盾構(gòu)穿越黏土層時(shí)，最大沉降值增加了23.8%。在地表橫向斷面的兩側(cè)，工況2的沉降量比原工況沉降量小，可能是原工況盾構(gòu)掘進(jìn)面土層軟硬不均，土層密實(shí)度不夠，黏土層較松散，在相同的掌子面壓力下，可能造成土層排土過多，導(dǎo)致地表沉降量增大。

圖9 不同工況條件下地表沉降曲線

3.5 原工況條件下聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)位移分析

開挖完成后隧道聯(lián)絡(luò)通道豎向位移如圖10所示，聯(lián)絡(luò)通道上頂部由于沒有及時(shí)的支撐作用而出現(xiàn)較大的坍塌沉降，最大沉降達(dá)到了51.07mm；底面則因失去原上覆土壓力或襯砌背后回填不夠密實(shí)、沒有及時(shí)注漿而出現(xiàn)較大的隆起現(xiàn)象，隆起值達(dá)到了24.09mm。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1 聯(lián)絡(luò)通道橫向地表沉降

現(xiàn)場(chǎng)施工的影響主要分為4個(gè)階段，分別為主隧道開洞前、主隧道開洞后、開挖至聯(lián)絡(luò)通道中間和聯(lián)絡(luò)通道施工結(jié)束。將上述4個(gè)階段分別計(jì)為S-1，S-2，S-3和S-4。橫向監(jiān)測(cè)斷面H-1，H-2，H-3，3組橫向監(jiān)測(cè)斷面在不同施工步驟條件下地表沉降曲線如圖11所示。由圖11可知：3組監(jiān)測(cè)斷面規(guī)律相似，隨著聯(lián)絡(luò)通道開挖，地表沉降逐漸增大，在S-2階段盾構(gòu)機(jī)切削主隧道管片時(shí)，土體發(fā)生明顯沉降，在聯(lián)絡(luò)通道正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)更為明顯，總體表現(xiàn)為正上方影響最大，影響幅度隨著與聯(lián)絡(luò)通道距離增大而減小。

圖11 橫向監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

4.2 聯(lián)絡(luò)通道縱向地表沉降

現(xiàn)取3組縱向監(jiān)測(cè)斷面Z-1，Z-2和Z-3現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，繪制如圖12所示縱斷面沉降曲線。通過對(duì)比可知，接近聯(lián)絡(luò)通道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z-3，所在土體受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)擾動(dòng)程度越大，土體引起的沉降也越大。在聯(lián)絡(luò)通道主隧道開洞前階段, 地層有少量沉降, 在主隧道開洞后階段地層有較明顯的下沉，但隨后的注漿又能在一定程度上抑制沉降。聯(lián)絡(luò)通道由左側(cè)開挖至右側(cè)，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，地表沉降值在不斷增加，最大值出現(xiàn)在靠近右側(cè)端主隧道。

圖12 縱向監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

4.3 主隧道拱底沉降

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道在施工過程當(dāng)中，必然會(huì)對(duì)主隧道產(chǎn)生擾動(dòng)影響，其中最關(guān)心的是主隧道結(jié)構(gòu)的沉降影響。本文通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)主隧道沉降影響。以右行線主隧道為例，測(cè)得拱底沉降如圖13所示。由圖13可知，聯(lián)絡(luò)通道開挖環(huán)主隧道附近出現(xiàn)明顯沉降。隨著聯(lián)絡(luò)通道的掘進(jìn)，既有隧道會(huì)有輕微上浮，可能是由于小盾構(gòu)機(jī)對(duì)主隧道特殊管片部位進(jìn)行破洞時(shí)，對(duì)主隧道產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，抑或在破洞過程中進(jìn)行同步注漿時(shí)，主隧道管片易受到漿液浮力和注漿壓力的影響，故在破洞過程中必須對(duì)主隧道進(jìn)行加固處理，如增加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)等。隨著盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)(尚未穿越聯(lián)絡(luò)通道中心)，主隧道拱底沉降逐漸增大，沉降最大值在靠近主隧道開洞處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。主隧道T接部位開挖環(huán)附近出現(xiàn)明顯沉降, 而遠(yuǎn)離主隧道T接部位開挖環(huán)的主隧道拱底有隆升趨勢(shì)。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，測(cè)點(diǎn)沉降量趨于穩(wěn)定，沉降曲線趨于平穩(wěn)。

圖13 右線主隧道拱底沉降時(shí)程曲線

4.4 凈空收斂

聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中對(duì)主隧道右行線的凈空收斂變化曲線如圖14所示。從收斂變化曲線可知，主隧道的收斂變化范圍隨著聯(lián)絡(luò)通道的開挖發(fā)生上下波動(dòng)的情況，波動(dòng)值不大且保持在可控范圍內(nèi)。因此機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)主隧道凈空收斂值的影響并不大，可忽略不計(jì)。

圖14 右線主隧道凈空收斂變化曲線

5 結(jié)語

1)Peck沉降公式曲線與擬合后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)較為接近，故可依據(jù)Peck沉降公式較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道地表沉降曲線，預(yù)測(cè)類似機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工的影響。

2)不同埋深的聯(lián)絡(luò)通道采用機(jī)械法施工時(shí)，對(duì)地表沉降最大值有較大的影響。聯(lián)絡(luò)通道埋深越大，機(jī)械法開挖對(duì)地表影響越小。表明機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)影響，以及對(duì)地表的影響隨著聯(lián)絡(luò)通道埋深的增大而逐漸減小。

3) 聯(lián)絡(luò)通道開挖結(jié)束后，聯(lián)絡(luò)通道頂部出現(xiàn)較大的沉降，最大沉降達(dá)到了51.07mm，而底部出現(xiàn)較大的隆起,最大隆起值達(dá)到了24.09mm，施工過程中需要及時(shí)采取有效的聯(lián)絡(luò)通道加固措施。

4) 聯(lián)絡(luò)通道橫向監(jiān)測(cè)斷面沉降規(guī)律曲線表現(xiàn)為越靠近聯(lián)絡(luò)通道附近，沉降值越大；聯(lián)絡(luò)通道縱向監(jiān)測(cè)斷面，右線區(qū)間沉降比左線區(qū)間沉降要大。