盾構(gòu)隧道施工對(duì)在建明挖公路隧道變形的影響

張 翾，呂竟銘，王禮華，馮春蕾，史豪杰

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

城市建設(shè)的飛速發(fā)展使得中心地帶的交通變得日益擁堵，地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成為解決這一問(wèn)題的最佳途徑[1]。隨著大量地鐵線路的修建，城市發(fā)展進(jìn)程中不可避免地出現(xiàn)大量鄰近在建隧道的工程施工，尤其是近年來(lái)新出現(xiàn)的明挖公路隧道與城市地鐵隧道同期施工的工程案例，而鄰近工程的施工建設(shè)必然會(huì)引起在建隧道圍巖和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的改變，尤其是在隧道結(jié)構(gòu)存在如空洞、厚度不足、滲漏水等結(jié)構(gòu)病害情況下，將會(huì)直接威脅其安全與正常使用，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇藛T傷亡及財(cái)產(chǎn)損失[2-4]。

許多學(xué)者對(duì)隧道鄰近工程施工開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。吳蘭婷等[5]對(duì)“先基坑后盾構(gòu)、先盾構(gòu)后基坑”等各種不同的工況進(jìn)行分析計(jì)算，并得出明挖基坑與盾構(gòu)隧道相互影響作用范圍、大小。杜東閣[6]分析了鄰近隧道的深基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力及所受土壓力的變化等規(guī)律。高書(shū)通[7]對(duì)4線交疊并行盾構(gòu)隧道進(jìn)行模擬，分析了上方和側(cè)方隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程中，下方既有隧道管片變形的規(guī)律。姚愛(ài)軍等[8]研究了隔離樁在基坑開(kāi)挖卸荷加載作用下對(duì)鄰域既有地鐵隧道的隔離保護(hù)效果。鄭剛等[9]對(duì)基坑施工對(duì)坑外既有隧道變形影響規(guī)律進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)合不同規(guī)范變形控制標(biāo)準(zhǔn)，劃分了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)。左殿軍等[10-12]研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。孫慶等[13]分析在基坑底板澆注完成的情況下，盾構(gòu)施工對(duì)基坑底板沉降及內(nèi)力的影響。姚捷等[14]在剛度遷移原理的基礎(chǔ)上，提出求解各施工步影響的沉降差值法，由單步增量求得相鄰線路盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道影響全量。方勇等[15]考慮了盾構(gòu)機(jī)與管片襯砌相互作用，分析得到了新隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)既有隧道位移、變形和內(nèi)力的變化規(guī)律。綜上所述，現(xiàn)有的研究多集中于鄰近工程施工對(duì)已建隧道的影響分析,鮮有針對(duì)盾構(gòu)隧道施工對(duì)在建明挖公路隧道結(jié)構(gòu)變形影響的研究。明挖公路隧道斷面尺寸通常較大，盾構(gòu)隧道與明挖公路隧道同期施工相互影響顯著，尤其是當(dāng)盾構(gòu)隧道鄰近在建明挖隧道施工時(shí)影響機(jī)制尚不清楚。因此，開(kāi)展盾構(gòu)隧道鄰近施工引起的在建明挖公路隧道變形規(guī)律研究十分必要。

本研究以深圳市公常路地鐵區(qū)間隧道為研究背景，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，研究盾構(gòu)隧道不同位置施工對(duì)在建明挖隧道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形影響，揭示盾構(gòu)隧道鄰近施工引起的在建明挖公路隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，以期為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程背景

深圳市公常路明挖公路隧道鄰接深圳市地鐵6號(hào)線支線，二者在延伸方向近似平行，現(xiàn)均處于在建狀態(tài)，且公路隧道先于地鐵工程施工。公路隧道采用明挖工法，為雙向6車道公路隧道，隧道斷面寬為29.0 m，高10.1 m，主體結(jié)構(gòu)頂板厚1 300 mm，底板厚1 300 mm，側(cè)墻厚1 200 mm。地鐵6號(hào)線支線采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道外徑為6.7 m，管片厚350 mm。通過(guò)綜合考慮明挖公路隧道及盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工等資料，選取圖1所示剖面作為關(guān)鍵斷面進(jìn)行研究。為評(píng)估該斷面不同位置關(guān)系明挖隧道與盾構(gòu)隧道協(xié)同施工的影響情況，選取明挖隧道施作底板后，盾構(gòu)隧道從右方鄰側(cè)施工進(jìn)行數(shù)值分析。

圖1 工程截面(單位:m)Fig.1 Cross-section of project(unit:m)

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立及參數(shù)選取

為評(píng)估盾構(gòu)隧道施工對(duì)在建明挖公路隧道的影響，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行明挖隧道與盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬計(jì)算。為盡量消除模型邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，土體模型尺寸豎向共取80 m，橫向取206.7 m，建立數(shù)值模型如圖2所示。模型前后左右為水平約束，底面為豎直約束，地表為自由邊界。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

鄭剛等[16]和趙宇松等[17]通過(guò)模型試驗(yàn)得出結(jié)論：Plastic-Hardening模型能夠更為精確合理地反映實(shí)際工程及試驗(yàn)中巖土體狀態(tài)的真實(shí)變化情況，能夠更加合理預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖或隧道施工所引起的土體變形。因此，本研究模型中土體采用FLAC3D中的Plastic-Hardening模型[18]進(jìn)行模擬。土層分布簡(jiǎn)化情況及土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中土體物理力學(xué)參數(shù)為室內(nèi)土工試驗(yàn)及參照以往研究經(jīng)驗(yàn)綜合選取。模型中盾構(gòu)隧道管片、地連墻、明挖隧道主體結(jié)構(gòu)均采用線彈性混凝土材料進(jìn)行模擬，彈性模量取33 GPa，泊松比取0.2。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

2.2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

綜合考慮明挖隧道埋深、周邊環(huán)境發(fā)生變形或破壞的可能性等因素，明挖隧道所選斷面其工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為一級(jí)。為確保明挖隧道及鄰近盾構(gòu)隧道的施工安全，為同類工程提供一定的參考，本研究通過(guò)控制盾構(gòu)隧道與明挖公路隧道不同的平面位置關(guān)系，共設(shè)置24組工況。H為選取斷面明挖隧道的開(kāi)挖深度，本研究取18 m。數(shù)值模擬工況如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬工況示意圖Fig.3 Schematic diagram of numerical simulation conditions

模型計(jì)算過(guò)程中考慮了明挖公路隧道的實(shí)際施工工序，共分為8個(gè)計(jì)算步驟，為探究盾構(gòu)隧道鄰側(cè)施工對(duì)在建明挖公路隧道的最不利影響，當(dāng)明挖隧道施工至第5步——明挖隧道底板澆注完成后，模擬盾構(gòu)隧道在其同斷面右側(cè)通過(guò)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性，選擇典型部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降測(cè)點(diǎn)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。盾構(gòu)隧道鄰接明挖公路隧道施工前后，某一典型測(cè)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移結(jié)果的對(duì)比如圖4所示。其中階段1表示明挖隧道底板施工完成，盾構(gòu)隧道在該斷面尚未穿過(guò)。階段2表示明挖隧道底板施工完成，盾構(gòu)隧道在從該斷面右側(cè)通過(guò)。圖中負(fù)值表示地連墻變形方向朝向明挖隧道內(nèi)側(cè)。

圖4 截面尺寸Fig.4 Section dimensions

明挖隧道底板施做完成后，地連墻整體朝向明挖隧道內(nèi)側(cè)水平移動(dòng)，呈中間大，從中間向頂部與底部逐漸減小的特點(diǎn)。其中地連墻在隧道鄰側(cè)通過(guò)前最大實(shí)測(cè)水平變形值為22.59 mm，盾構(gòu)隧道鄰側(cè)通過(guò)后地連墻最大實(shí)測(cè)水平位移仍出現(xiàn)在地連墻中部位置處，最大值為28.64 mm，增加了6.05 mm。數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在階段1與階段2的變形趨勢(shì)基本吻合，且數(shù)值模擬結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏大，但在地面附近變形值略小于實(shí)測(cè)值，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地工程車輛荷載等擾動(dòng)作用，可認(rèn)為模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變形規(guī)律較為吻合。

盾構(gòu)隧道從在建公路隧道右側(cè)鄰接施工完成后，因其開(kāi)挖卸荷作用，明挖隧道同側(cè)地表沉降增加。階段1與階段2明挖隧道右側(cè)地表沉降值變化如表2所示。SDB31-1，SDB31-2，SDB31-3代表距離右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣水平距離分別為2，5，10 m的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)比分析結(jié)果顯示，地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變形趨勢(shì)較為一致。各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值均稍小于模擬計(jì)算值，當(dāng)測(cè)點(diǎn)SDB31-2處于階段2時(shí)，地表沉降數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值相差最大為5.7 mm，相差幅度為21.5%。

表2 地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab.2 Comparison between calculated and measured surface settlement values

實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，塑性硬化模型能夠較好模擬明挖隧道及盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的變形情況，文中所選取的參數(shù)較為合理。本研究將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究盾構(gòu)隧道不同位置施工對(duì)在建明挖隧道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的變形影響。

3.2 不同間距和埋深條件下的影響規(guī)律

3.2.1 不同間距條件下的影響規(guī)律

(1)不同間距條件下地表沉降

盾構(gòu)隧道鄰側(cè)通過(guò)在建明挖隧道后，各工況下明挖隧道右側(cè)(盾構(gòu)隧道同側(cè))地表沉降曲線如圖5所示。盾構(gòu)隧道相同埋深時(shí)地表最大沉降值變化曲線如圖6所示。為使得敘述更加簡(jiǎn)便，本小節(jié)及后文中，用字母“L”表示盾構(gòu)隧道中心距離明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平距離。

圖5 不同間距條件下地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curves under different spacing conditions

圖6 不同間距條件下地表最大沉降值變化曲線Fig.6 Variation curves of maximum surface settlement under different spacing conditions

當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深為9 m，18 m時(shí)，隨著L逐漸增大，最大地表沉降值逐漸減小，且減小速率逐漸降低。當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深為27 m，36 m時(shí)，隨著L逐漸增大，最大地表沉降值呈線性逐漸減小。盾構(gòu)隧道埋深為9 m時(shí)，在工況1地表取得最大沉降值，其值為58.59 mm，維護(hù)結(jié)構(gòu)右側(cè)地表出現(xiàn)不規(guī)則的沉降槽。當(dāng)L取值在6～12 m，地表沉降槽為單峰，隨著L逐漸增大，沉降槽深度減小，寬度增加，且最大峰值向右逐漸偏移；當(dāng)L取值在18～36 m時(shí)，地表沉降槽為雙峰，隨著L逐漸增大，沉降槽最大峰值向右逐漸偏移，且始終與盾構(gòu)隧道中心軸線處近似重合。文獻(xiàn)[19]通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到當(dāng)雙線隧道近距離施工時(shí)引起的地表沉降呈“U”型，而當(dāng)雙線隧道遠(yuǎn)距離施工時(shí)引起的地表沉降呈“W”型的結(jié)論，與本研究結(jié)果一致。沉降槽呈現(xiàn)出單峰和雙峰的特征與雙線盾構(gòu)隧道的間距密切相關(guān)。這是由雙線隧道施工疊加效應(yīng)導(dǎo)致的，當(dāng)雙線隧道近距離施工時(shí)兩者互相影響嚴(yán)重，一條隧道施工處于另一條影響范圍之內(nèi)，導(dǎo)致較大的疊加地表沉降，最終形成單峰型地表沉降結(jié)果；當(dāng)雙線隧道遠(yuǎn)距離施工時(shí)兩者互相影響較弱，而造成雙峰型地表沉降結(jié)果。

盾構(gòu)隧道埋深為18，27，36 m時(shí)，相應(yīng)埋深工況地表最大沉降值分別為41.30，27.15，24.23 mm。隨著L取值不斷增大，地表沉降槽峰值位置較為穩(wěn)定，均位于距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平距離7～9 m處。

(2)不同間距條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

各工況下明挖隧道右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖7所示，盾構(gòu)隧道相同埋深時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位值變化曲線如圖8所示。負(fù)值表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移方向朝向明挖隧道內(nèi)側(cè)。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of enclosure structure

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值變化曲線Fig.8 Variation curves of maximum horizontal displacement of enclosure structure

各工況下盾構(gòu)隧道鄰側(cè)通過(guò)在建明挖隧道后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總體朝向明挖隧道內(nèi)側(cè)偏移，盾構(gòu)隧道埋深一定時(shí)，L越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移增量越小，說(shuō)明隨著盾構(gòu)隧道距離在建明挖隧道距離越遠(yuǎn)，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)作用逐漸減弱。當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深分別為9，18，27，36 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的最大峰值均出現(xiàn)在L等于6 m時(shí)，分別為38.76，40.08，29.87，26.57 mm。盾構(gòu)隧道埋深等于36 m時(shí)，對(duì)應(yīng)工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線基本重合，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值變化趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為盾構(gòu)隧道埋深超過(guò)該深度范圍，施工對(duì)于在建明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響可忽略不計(jì)。

3.2.2 不同埋深條件下的影響規(guī)律

(1)不同埋深條件下地表沉降

當(dāng)水平間距L相等時(shí)，各工況下明挖隧道右側(cè)地表沉降曲線如圖9所示。地表最大沉降值的變化曲線如圖10所示。當(dāng)L在不同工況中分別取固定值時(shí)，隨著盾構(gòu)隧道埋深增加，地表最大沉降值逐漸減小，且減小速率不斷降低，表明盾構(gòu)隧道鄰側(cè)通過(guò)明挖隧道，地表最大附加沉降值隨盾構(gòu)隧道埋深增加不斷衰減。

圖9 不同埋深條件下地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves under different burial depth conditions

圖10 不同埋深條件下地表最大沉降值變化曲線Fig.10 Variation curves of maximum surface settlement under different burial depth conditions

L取值范圍在6～24 m范圍內(nèi)且分別為定值時(shí)，隨著盾構(gòu)隧道埋深增加，維護(hù)結(jié)構(gòu)右側(cè)地表沉降槽的寬度及深度均呈現(xiàn)不同程度減小，盾構(gòu)埋深由9 m增加至18 m時(shí)減小幅度最為明顯，由18 m增加至27 m時(shí)次之。當(dāng)L取值等于36 m時(shí)，地表沉降曲線以圖9(f)中所示虛線為界分為左右兩個(gè)部分，分界線左側(cè)各工況地表沉降曲線近似重合，幾乎不受盾構(gòu)隧道埋深的影響；分界線右側(cè)地表沉降曲線對(duì)稱性較好，與盾構(gòu)隧道不同埋深單獨(dú)施工所產(chǎn)生的沉降槽有著較好的擬合性。由此可認(rèn)為：當(dāng)L的取值大于2倍明挖隧道開(kāi)挖深度(36 m)時(shí)，盾構(gòu)隧道側(cè)方施工對(duì)在建明挖隧道地表沉降的擾動(dòng)作用幾乎可以忽略；當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深為36 m時(shí)，地表最大沉降值隨L變化趨于穩(wěn)定，L由6 m增加至36 m，最大地表沉降值由24.23 mm減少到21.04 mm。

(2)不同埋深條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

L相等時(shí)，各工況明挖隧道右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖11所示。L取值為6 m時(shí)，隨著盾構(gòu)隧道埋深增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值先增大后減小，當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深為18 m時(shí)取得最大值40.08 mm。L取值分別為9，12，18，24 m時(shí)，隨著盾構(gòu)隧道的埋深增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值不斷減小，且在不同埋深梯度范圍變化速率相差較大，其中當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深由18 m增加至27 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值減小速率最大。當(dāng)L增加至36 m時(shí)，各埋深工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線基本重合，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平位移增量均可忽略不計(jì)，可認(rèn)為當(dāng)L的取值范圍大于2倍明挖隧道的開(kāi)挖深度時(shí)，盾構(gòu)隧道側(cè)方施工對(duì)在建明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)作用可以忽略。

4 結(jié)論

本研究以深圳市公常路盾構(gòu)區(qū)間隧道近接明挖公路隧道施工為研究背景，利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究盾構(gòu)隧道不同位置施工對(duì)在建明挖隧道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形影響。主要得到如下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)隧道埋深一定時(shí)，隨著水平間距逐漸增加，最大地表沉降值和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形值逐漸減小。當(dāng)水平間距的取值大于2倍明挖隧道開(kāi)挖深度時(shí)，該地層環(huán)境下盾構(gòu)隧道側(cè)方施工對(duì)在建明挖隧道地表沉降以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)作用幾乎可以忽略。

圖11 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線Fig. 11 Horizontal displacement curves of enclosure structure

(2)水平間距一定時(shí)，隨著盾構(gòu)隧道埋深增加，地表最大沉降值逐漸減小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體朝向明挖隧道內(nèi)側(cè)偏移，其最大峰值出現(xiàn)在不同埋深處。當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深超過(guò)36 m時(shí)，對(duì)應(yīng)工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線與地表沉降曲線基本重合。

(3)水平間距或盾構(gòu)隧道埋深值大于2倍明挖隧道開(kāi)挖深度范圍時(shí)，盾構(gòu)隧道鄰側(cè)施工對(duì)在建明挖隧道的影響微弱，后續(xù)研究建議選取適當(dāng)?shù)淖冃慰刂茦?biāo)準(zhǔn)，提出盾構(gòu)隧道鄰側(cè)施工對(duì)在建明挖隧道變形影響區(qū)劃分，從而在同類工程施工前對(duì)可產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估。