小凈距隧道后行洞盾構推進中土體豎向位移研究

趙 勛

（河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

隨著我國城市化進程不斷加快，道路交通基礎設施大量涌現(xiàn)，尤其是隧道工程，一直保持較高的關注度。由于國內的道路交通基礎設施建設多在城市淺層地表的軟弱土層進行，讓隧道施工的難度增加，使得實際工程中如果施工不當，便會導致地下水流失、地面塌陷等嚴重后果。與連拱隧道、分離隧道、高地應力隧道等其他類型隧道相比，小凈距隧道施工工藝更簡單，造價更低，尤其在城市軟弱土層條件下，小凈距隧道施工優(yōu)勢更加明顯[1]，更應大力推廣小凈距隧道。

對此，學者們對小凈距隧道施工問題進行了大量研究。王振田[2]通過數(shù)值模擬，對小凈距隧道開挖時的地表沉降和土體應力進行了分析，分析結果表明：后行隧道施工會加大先行隧道的沉降量；Jin D L等[3]以深圳地鐵隧道為背景，開展了三維數(shù)值模擬分析和新舊隧道的相互擾動分析，分析認為：采用水平推進分段注漿技術，能有效減少后行隧道的擾動；陳光楊等[4]運用Midas GTS 軟件對淺埋暗挖隧道引起的拱頂沉降和地表沉降的規(guī)律進行了分析，結果表明：不同加固方法會對沉降產生不同影響；王松等[5]運用Midas GTS 軟件，結合實測數(shù)據(jù)，對不同凈距條件下地鐵隧道施工引起的地表沉降進行了分析，提出采用“深孔注漿+徑向注漿加固”的方法，能有效控制地表沉降；趙乙丁等[6]運用Abaqus軟件，對不同凈距條件下盾構隧道施工相互影響規(guī)律進行了分析，分析認為：凈距與地表沉降槽寬度呈正相關；付釗等[7]運用Abaqus 軟件，對淺覆軟弱土層中小凈距盾構隧道施工進行了數(shù)值模擬分析，總結了多線隧道開挖的不同順序對隧道管片變形產生的影響。

以上研究多集中于城市地鐵隧道，而對于隧道周邊土體位移隨時間和空間的變化規(guī)律缺少施工全過程的有限元分析和系統(tǒng)總結，難以真實反映施工實際問題。對此，本文選取城市小凈距雙線盾構過江隧道為研究背景，運用有限元軟件進行三維建模和分階段模擬，力求真實地還原軟弱土層盾構施工過程，并結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對小凈距隧道周邊土體沉降的時間和空間分布規(guī)律進行了系統(tǒng)總結。

2 工程概況

本文以南京和燕路過江通道為背景，分析區(qū)域為北岸盾構隧道掘進始發(fā)段。該分析區(qū)域周邊地勢開闊，建筑物均已拆除，以軟弱土層為主，具體分為6 個巖土層，巖土層分層及各層的土體力學性質特征見第118 頁表1。隧道開挖截面及周邊環(huán)境見第118 頁圖1。分左側隧道、右側隧道兩個隧道，均為圓形截面，直徑均為13.90 m，兩個隧道的隧道中線間隔平均為21.27 m，隧道中心距地表16.25 m。隧道下穿一條河道，下穿河道段預先以回填黏土、預應力鋼筋混凝土管及鋼筋網填埋。隧道采取平行盾構開挖方式，為避免對周邊巖土層產生過大的擾動，左側隧道開挖先于右側隧道，左側隧道開挖20 m后右側隧道開挖。兩個隧道均采用統(tǒng)一型號的盾構機掘進，盾構機長度為150 m，后續(xù)襯砌管片材料為C60 混凝土，襯砌管片每環(huán)長度為2 m，采用通用楔形環(huán)錯縫拼裝鋪設。

圖1 隧道開挖截面及周邊環(huán)境圖

表1 巖土層分層及各層的土體力學性質特征表

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

運用巖土有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS，選取左側隧道ZK4 km+635 m～ZK4 km+660 m 段及右側隧道YK4 km+650 m～YK4 km+675 m 段（長度為24 m）為對象開展研究。圖2 為隧道立體模型圖。由圖2 可知模型尺寸，整體地下水深2.75 m，距隧道開挖截面6 m。盾構機通過后，隨即布置錨桿，錨桿長4 m，間隔2 m，每個截面布置14 根。研究區(qū)長度超過兩側隧道直徑之和的3.5倍，高度超過隧道直徑的2倍，通過試算可知，研究模型尺寸可消除邊界效應影響，故模型邊界劃分合理。

圖2 隧道立體模型圖

3.2 參數(shù)設置

土體采用摩爾-庫倫準則進行計算分析，并按實際情況分為6層，設置用于數(shù)值模擬的結構模型參數(shù)，其材料力學屬性見第119 頁表2。

表2 用于數(shù)值模擬的結構模型參數(shù)材料力學屬性

3.3 測點布置

測量分為地表沉降監(jiān)測、隧道拱頂沉降監(jiān)測。地表沉降監(jiān)測在隧道施工上方地表進行，一共設置9 個測點，見第119 頁圖3-a；隧道拱頂沉降監(jiān)測在隧道開挖截面內進行，通過在隧道頂部設置1 個反射片，定期測繪收集數(shù)據(jù)，按照工程要求，盾構機每開挖10 m 進行1 次測量，見第119 頁圖3-b。

圖3 沉降測點布置示意圖

4 模擬結果

4.1 豎向位移結果分析

選取有限元分析結果z 方向的豎向位移進行后處理，隧道開挖豎向位移云圖見第119 頁圖4。

左側隧道開挖至后行隧道開挖2 環(huán)時的累計位移見圖4-a，在此期間隆起土體占比由31.3%持續(xù)降至28.8%，且位于距隧道7 m 以外位置和左側隧道拱底，隆起最大值位于左側隧道底部，隆起高度為30.85 mm；沉降土體占比由69.7%升至71.2%，其中隧道拱頂至正上方地表的土體的沉降值普遍大于其他沉降土體11～14 mm；沉降最大值持續(xù)增至35.85 mm，位于左側隧道拱頂，拱頂沉降和正上方地表沉降數(shù)值差值率控制在6%，可認為兩者數(shù)值接近。

兩側盾構機通過時的位移見圖4-b，在后行隧道開挖至兩側盾構機通過期間，由于右側隧道開挖，造成右側隧道拱頂至正上方區(qū)域，出現(xiàn)類似于左側隧道的較大沉降，同時底部土體也出現(xiàn)較大隆起；隆起土體比例再次升高，達77.6%，其中46.7%隆起數(shù)值不足10 mm，滿足工程要求；隆起最大值位于右側隧道底部，隆起高度為39.50 mm；沉降土體占比為22.4%，位于左側隧道拱頂?shù)某两底畲笾迪陆抵?7.27 mm。

圖4 隧道開挖豎向位移云圖

左側隧道管片鋪設5 環(huán)時的位移見圖4-c，在左側隧道管片鋪設期間，隆起土體占比下降至63.3%，隆起最大值位于左側隧道底部，隆起高度為51.97mm；沉降土體占比上升至36.7%，沉降最大值仍位于左側隧道頂部，數(shù)值出現(xiàn)回升，為30.21mm。

全部管片鋪設完成時的位移見圖4-d，在右側隧道管片鋪設期間，隆起土體占比上升至69.9%，隆起最大值位于右側隧道底部，隆起高度為80.60 mm；沉降土體占比下降至30.1%，沉降最大值仍位于左側隧道頂部，數(shù)值下降至16.79 mm。

綜合數(shù)值模擬過程可以得知：距離隧道大于7 m的土體的隆起和沉降，受隧道施工影響較小，而更多地受地下水影響；后行隧道開挖、先行隧道開始管片鋪設期間，隧道拱頂沉降的最大值分別為35.85 mm 和30.21 mm，略超過實際施工的允許沉降值30 mm，但持續(xù)時間較短，影響可忽略不計；底部隆起高度數(shù)值不斷增大，至全部管片鋪設完成時達到80.60 mm，可能引發(fā)管片上浮問題，建議在盾構機掘進同時加大噴混量；后行隧道施工存在對先行隧道的擾動，但因為先行隧道上方地表二次沉降不超過其直徑的1.5%，所以可認為地表沉降控制在合理范圍內。

4.2 數(shù)值對比分析

將施工階段相應測點位置有限元分析數(shù)據(jù)與相應日期實測數(shù)據(jù)進行匹配，對比內容為起始面地表沉降分布，以及地表沉降和隧道拱頂沉降變化的時間序列。土體沉降有限元分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比見圖5。

盾構機起始截面地表沉降值的時序分布曲線對比見圖5-a，有限元分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的地表沉降最終數(shù)值，均呈現(xiàn)從左至右沉降量“先增加后降低”的漏斗狀特征，影響范圍不超過隧道直徑的3倍，有限元分析數(shù)據(jù)在-14.53～2.20 mm 之間，實測數(shù)據(jù)則在-19.59～-2.42 mm 之間，兩者差值在1.33～8.59 mm之間。造成有限元分析數(shù)據(jù)整體略小于實測數(shù)據(jù)的原因，是由于實際施工過程中，隧道上方地表進行了地坪澆筑，導致地表加速下沉所致。

圖5 土體沉降有限元分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比圖

左行隧道起始截面正上方測點數(shù)據(jù)的時序分布曲線對比見圖5-b。由5-b 圖可知，兩者中間部分的土體沉降分布特征相同，即土體隨隧道開挖，呈現(xiàn)“先沉降后回彈”的時序分布特征，有限元分析數(shù)據(jù)的最大沉降值為23.88 mm，實測最大沉降值為19.24 mm，小于施工警戒值30 mm，均滿足施工要求。不同之處在于，實測數(shù)據(jù)受地表道路硬化施工影響，在后期隧道管片鋪設時出現(xiàn)加速沉降的現(xiàn)象。而數(shù)值模擬中巖土體完全滿足摩爾-庫倫模型，而這又與實際工況存在差別。

左行隧道拱頂沉降的時序分布曲線對比見圖5-c。由圖5-c 可知，有限元分析數(shù)據(jù)中的拱頂沉降數(shù)值分布特征，與地表沉降數(shù)值相同；另外，因為未受硬化影響，所以土體在隧道開挖后期未出現(xiàn)加速沉降；實際工程拱頂沉降值不超過12.35 mm，有限元分析數(shù)據(jù)顯示隧道大部分數(shù)據(jù)沉降值在施工警戒值30 mm 以下；受后行隧道開挖擾動影響，4月1 日至4 月3 日左側隧道拱頂沉降較大，略超出工程30 mm 警戒值，但最大沉降值不超過警戒值6 mm，且遠低于施工不超過1.5%隧道直徑的要求，可認為后行隧道施工擾動造成的土體沉降，已控制在合理范圍內。

綜上，結合有限元分析數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以推斷，影響隧道周邊土體沉降的因素有以下3 點：一是隧道施工擾動與結構剛度；二是臨近隧道施工引起的側卸荷偏壓、管片自重對土體的擠壓；三是盾構機的移動和對土體的擠壓。有限元分析數(shù)據(jù)顯示，加裝錨桿后，地表沉降和拱頂沉降相比前一階段均下降超過13.5 mm，證明加裝抗浮錨桿和注漿可有效解決上述問題。

5 結論

本文利用巖土有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS，結合實測數(shù)據(jù)，對南京和燕路過江通道的北岸盾構隧道掘進始發(fā)段周邊土體豎向位移規(guī)律進行了研究，得出如下結論。一是地下水位高于隧道開挖截面時，隧道起始截面地表沉降分布規(guī)律呈漏斗狀。受地表硬化和臨時加固措施影響，數(shù)值模擬有限元分析數(shù)據(jù)的開挖截面沉降值的總體分布小于實測數(shù)據(jù)3～6 mm，兩者最大沉降量均小于20 mm，符合施工要求。二是至研究區(qū)隧道建設完成時，先行隧道的地表沉降和拱頂沉降數(shù)值分別為-6.60 mm 和-16.79 mm。數(shù)據(jù)時序分布曲線對比表明：在軟土壓力作用下，隧道拱頂至正上方地表土體，呈現(xiàn)“先沉降后回彈”的時序分布特征；后行隧道施工產生的擾動，使得先行隧道拱頂土體沉降超過30 mm，但持續(xù)時間不超過2 d，符合工程要求。三是隧道周邊土體沉降受施工擾動、結構剛度、側卸荷偏壓、管片自重的擠壓作用、盾構機移動等因素影響，應及時加裝抗浮錨桿和采取同步注漿等手段。兩側隧道底部土體持續(xù)隆起，隆起最大值超過75 mm，易產生盾構管片上浮問題，需及時進行盾尾處注漿。四是本文缺乏施工臨時加固模擬的研究，此后將針對上述問題作進一步研究。