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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)填埋。隧道采取平行盾構開挖方式，為避免對周邊巖土層產(chǎn)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(nèi)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(nèi)。

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(nèi)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(nèi)。

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(chǎn)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(chǎn)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。