超小凈距盾構(gòu)隧道施工對既有隧道變形分析★

呂啟兵，董亞博，羅明福，金曉軍，劉昊軒

(1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213; 2.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)蓬勃發(fā)展,地鐵線網(wǎng)日益密集。截至2022年,中國大陸地區(qū)共有55個城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路308條,運(yùn)營線路總長度10 287.45 km。其中,地鐵運(yùn)營線路8 008.17 km,占比77.84%。受到地下空間的限制,超小凈距疊交隧道的情況越來越多[1-3]。超小凈距盾構(gòu)隧道有利于在復(fù)雜的地形情況下施工,但其施工過程極易誘發(fā)地層變形,當(dāng)變形量過大時,將造成隧道開裂、地表塌陷等工程災(zāi)害,進(jìn)而影響人民生命和財產(chǎn)安全。因此,開展超小凈距盾構(gòu)隧道施工變形特性研究是非常有必要的。

日本歐美等是隧道建設(shè)歷史較長的國家,早在20世紀(jì)70年代初日本鐵道技術(shù)學(xué)會就對平行隧道凈距進(jìn)行了研究,并發(fā)表了《關(guān)于平行隧道研究的報告》,指出當(dāng)隧道凈距為開挖洞徑2倍時,則可將地層作為完全彈性體進(jìn)行考慮,并對平行公路隧道及國鐵單線隧道凈距進(jìn)行了規(guī)定。在國內(nèi),較早的朱敬民等提出了模擬巖石流變性的彈塑性模型,研究了雙線隧道的相關(guān)問題[4]。王景春以某電站引水隧道為例,對深埋地層中小凈距隧道合理中心距進(jìn)行了研究。研究指出對地質(zhì)條件、斷面形狀、既有隧道襯砌情況和施工方法等進(jìn)行綜合分析,盡量減小對圍巖和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響[5-6]。然而,現(xiàn)有的研究主要集中在盾構(gòu)施工對已有隧道沉降的預(yù)報和監(jiān)測規(guī)律的總結(jié)上,而缺乏盾構(gòu)施工對既有隧道的影響的分析和研究。因此研究后建地鐵隧道掘進(jìn)對鄰近先建隧道的變形的影響,具有非常重要的實(shí)際意義。本文以超小凈距隧道開挖工程為依托,運(yùn)用數(shù)值模擬建立有限元模型,分析超小凈距隧道施工對既有盾構(gòu)隧道的影響,為今后類似的工程施工提供參考[7]。

1 工程概況

本文依托雄安新區(qū)至北京大興國際機(jī)場快線工程金融島站—第五組團(tuán)站盾構(gòu)區(qū)間,該區(qū)間線路長2 364.267 m,位于雄安新區(qū)核心區(qū),盾構(gòu)段從小里程端明挖區(qū)間東側(cè)盾構(gòu)井起,向東北轉(zhuǎn)向下穿規(guī)劃地塊、綠地及規(guī)劃河道后,在大里程端明挖區(qū)間西側(cè)盾構(gòu)井結(jié)束。工程總平面線路圖如圖1所示,向東沿規(guī)劃道路下方敷設(shè)下穿干線綜合管廊及市政道路后進(jìn)入第五組團(tuán)站。

該區(qū)間在建啟動區(qū)的城市主干道項(xiàng)目某一段下穿,盾構(gòu)區(qū)間隧道地質(zhì)縱剖面圖如圖2所示。區(qū)間隧道洞身穿越地層以粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂為主,局部穿越地層為素填土。本區(qū)間段盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)的主要土層為粉質(zhì)黏土層,水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于21.8%～24.0%,呈可塑狀態(tài),經(jīng)攪拌后具有一定的流動性和滲透性;粉土中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于20.2%～21.5%,呈密實(shí)狀態(tài),經(jīng)攪拌后具有流動性和滲透性;粉細(xì)砂中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于17.8%～19.3%,呈密實(shí)狀態(tài),經(jīng)攪拌后具有較好的流動性和滲透性。

區(qū)間隧道開挖從金融島站工作井開始掘進(jìn),到第五組團(tuán)站工作井。襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片,管片之間采用彎螺栓連接,其參數(shù)為:內(nèi)徑7.9 m,外徑8.8 m,厚度0.45 m,環(huán)寬1.6 m。本工程盾構(gòu)始發(fā)最小凈距2.34 m,為國內(nèi)已知最小凈距始發(fā),始發(fā)困難且存在較大安全風(fēng)險,同時整個盾構(gòu)區(qū)間隧道凈距為2.34 m～7.16 m,屬于長距離小凈距掘進(jìn)。管底標(biāo)高為-5.5 m,深度為15.5 m,與盾構(gòu)凈距為8.7 m。在項(xiàng)目施工過程中,解決后行隧道開挖過程中盾構(gòu)掘進(jìn)對既有隧道產(chǎn)生的沖擊的問題尤為重要。

2 數(shù)值建模過程

2.1 有限元模型

采用ABAQUS軟件進(jìn)行超小凈距隧道開挖有限元分析,選取模型尺寸為70 m×100 m×80 m(長×寬×高)(見圖3),盾構(gòu)距離地面深度20 m,左右兩線盾構(gòu)凈距2.34 m,盾構(gòu)直徑9.08 m,管片外徑8.8 m,內(nèi)徑7.9 m,每環(huán)管片寬1.6 m。左線先始發(fā),掘進(jìn)110環(huán)后,右線始發(fā)。整個模型尺寸網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格,待施工挖掘盾構(gòu)隧道部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密,由外到里遵循“由疏到密”的規(guī)則從而提高數(shù)值模擬的計算精度。模型由土體、襯砌、注漿層和盾構(gòu)四個部分組成,模型的前后左右以及底部五個面分別設(shè)定了X,Y,Z方向的約束,并分別給左右盾構(gòu)線于前后面設(shè)定Y方向的約束,在盾構(gòu)掘進(jìn)中起到固定的作用。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)勘察報告,地層由上而下可分為5層,分別是①粉質(zhì)黏土,②黏質(zhì)粉土,③粉質(zhì)黏土,④粉細(xì)砂,⑤粉質(zhì)黏土。各土層的原狀土各種物理性質(zhì)等參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)

3 盾構(gòu)開挖對隧道的變形影響

由于篇幅限制,本文選擇第15個分析步,即左邊隧道開挖完成,右邊隧道施工開始階段。利用ABAQUS軟件進(jìn)行建模模擬,得到盾構(gòu)開挖過程中,隧道位移的變形云圖(見圖4)。

3.1 豎直位移

圖5為隧道在施工過程中產(chǎn)生的豎向位移云圖。由圖5可見,隧道上方的土體發(fā)生了一定程度的豎向沉降[10]。豎向位移沿隧道均勻分布,隧道產(chǎn)生的位移最大點(diǎn)位于開挖隧道的正上方,最大豎向位移為91.4 mm。由圖4,圖5可見,隧道位移分布均勻,隧道下部部分區(qū)域位移較大,整體呈現(xiàn)對稱趨勢。

隨著右側(cè)隧道開挖,右側(cè)開挖段隧道對既有隧道相應(yīng)部位產(chǎn)生了較大的豎向位移,開挖后既有隧道豎向位移減弱。同時右側(cè)隧道開挖過程中,對既有隧道產(chǎn)生的影響導(dǎo)致既有隧道尾部產(chǎn)生較大的豎向位移。

3.2 橫向位移

圖6,圖7為地層和注漿層在施工過程中產(chǎn)生的水平方向位移云圖。由圖6,圖7可得,土體發(fā)生的橫向位移以隧道開挖方向的中心軸呈大致的左右對稱趨勢,地層產(chǎn)生的最大豎向位移為20.40 mm。由圖6可見隧道初始部分橫向位移較大,隧道中間及末尾部分位移較小。右側(cè)隧道開挖過程中,開挖部分對應(yīng)的既有隧道產(chǎn)生相對較大橫向位移。

在右側(cè)隧道施工的過程中,兩邊隧道之間產(chǎn)生更大的橫向位移,兩邊隧道對外側(cè)產(chǎn)生的位移相對較小。右側(cè)隧道的開挖過程中,既有隧道的兩側(cè)較正在開挖隧道都產(chǎn)生了更大的橫向位移,右側(cè)隧道對相應(yīng)位置的既有隧道產(chǎn)生最大的位移變形。

3.3 沿開挖方向位移

圖8為地層和注漿層在施工過程中產(chǎn)生的沿施工方向位移云圖。由圖8可知,隧道整體產(chǎn)生的沿開挖方向位移分布相對均勻,主要集中在右側(cè)隧道開挖時對應(yīng)既有隧道相應(yīng)位置。

4 施工過程中易產(chǎn)生的問題及應(yīng)對措施

1)由于開挖隧道對既有隧道的影響,可能導(dǎo)致兩個隧道之間發(fā)生相對位移和變形,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和運(yùn)行安全。應(yīng)對措施:在開挖前合理選擇開挖順序和施工方法,以減小對既有隧道的影響。并在施工過程中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,包括位移監(jiān)測和結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測,以及根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)和支護(hù)措施。結(jié)合文章分析結(jié)果,在新隧道開挖過程中,對應(yīng)部位的既有隧道受到較大的變形影響,可以在相應(yīng)的位置設(shè)計和施工隧道支護(hù)系統(tǒng),如布置地下連續(xù)墻、土釘墻等,以增強(qiáng)既有隧道的穩(wěn)定性。

2)在超小凈距盾構(gòu)隧道開挖過程中,由于兩隧道間距過小后開挖隧道施工會改變周圍巖土體的應(yīng)力分布,導(dǎo)致應(yīng)力重分布,可能引發(fā)巖層破壞、塌陷或者隧道周圍地表沉降等問題。應(yīng)對措施:應(yīng)力重分布可能導(dǎo)致周圍巖土體的破壞、塌陷或者隧道周圍地表沉降等問題[8-9]。為了預(yù)防和減輕這些影響,可以在開挖前通過進(jìn)行巖土力學(xué)分析和數(shù)值模擬,預(yù)測應(yīng)力重分布的情況,為支護(hù)設(shè)計和施工策略提供依據(jù)。同時實(shí)施實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測巖體位移、地表沉降和應(yīng)力變化等數(shù)據(jù),及時評估工程情況,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整支護(hù)措施和施工參數(shù)。在施工過程中為減小巖土體的應(yīng)力重分布,應(yīng)合理選擇開挖順序和方法,避免集中開挖,減少應(yīng)力集中的可能性。針對高風(fēng)險地質(zhì)區(qū)段,可以采用先行地下連續(xù)墻的方式,提前進(jìn)行支護(hù),減輕后續(xù)開挖對巖土體的影響。此外,還可以通過控制開挖速度和采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)手段,如鋼支撐、錨桿支護(hù)等,來減小開挖引起的巖土體應(yīng)力變化。

3)在雙線隧道的開挖過程中,后開挖隧道施工可能會對地下水位和既有隧道排水系統(tǒng)產(chǎn)生影響,增加地下水滲流量,導(dǎo)致地下水位上升或隧道滲水問題,可能引發(fā)施工現(xiàn)場積水、泥漿涌入等不良后果,進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。應(yīng)對措施:首先應(yīng)在施工前進(jìn)行充分的水文地質(zhì)調(diào)查,了解地下水位和水文特征,為工程設(shè)計提供依據(jù)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,設(shè)計合適的隧道排水系統(tǒng),包括井點(diǎn)降水和噴射固化劑等技術(shù)。通過設(shè)置井點(diǎn)降水井筒,將地下水抽出并排放到合適的地點(diǎn),以降低地下水位。同時,在設(shè)計和實(shí)施排水系統(tǒng)時,也需要進(jìn)行環(huán)境評估和合規(guī)性評估,并采取必要的措施保護(hù)環(huán)境和水資源。

4)盾構(gòu)機(jī)主體重量極大,在隧道開挖過程中容易導(dǎo)致支撐平臺失穩(wěn),影響支撐強(qiáng)度,導(dǎo)致隧道施工受影響。應(yīng)對措施:首先在盾構(gòu)隧道施工前應(yīng)進(jìn)行詳盡的地質(zhì)勘察,了解地層情況和地下水位等信息?；诳辈旖Y(jié)果,進(jìn)行工程設(shè)計,合理確定盾構(gòu)始發(fā)位置和支撐平臺的布置,確保其能夠承受盾構(gòu)機(jī)主體重量并保持穩(wěn)定。在設(shè)計中考慮地質(zhì)條件、巖土力學(xué)參數(shù)以及盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷特性等因素,以確保始發(fā)支撐平臺的強(qiáng)度滿足要求,并在施工過程中采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施。在盾構(gòu)始發(fā)等支撐平臺的設(shè)計中,應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施,如加固鋼筋混凝土支撐、土壓平衡或液壓支架等,以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性。這些支護(hù)措施可以幫助分散盾構(gòu)機(jī)主體重量,并減少對始發(fā)平臺的影響。

5)先建隧道開挖使得相鄰隧道襯砌在靠近開挖側(cè)、水平軸線以上部分變形最大、應(yīng)力增量最大,呈現(xiàn)向開挖側(cè)彎曲的現(xiàn)象。應(yīng)對措施:在開挖側(cè)隧道襯砌附近加強(qiáng)支護(hù)措施,如增加鋼支撐、設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿、使用加固材料等。這樣可以增加支撐剛度,減少襯砌的變形和應(yīng)力集中,提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。并合理控制開挖進(jìn)度,避免過快的開挖速度造成過大的變形和應(yīng)力集中?？梢圆捎梅侄伍_挖、適時停挖、調(diào)整開挖順序等方法,使變形和應(yīng)力的分布更加均勻、漸進(jìn),減少對相鄰隧道襯砌的影響。此外還應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報工作,準(zhǔn)確評估地下巖土的力學(xué)特性和變形特性。根據(jù)地質(zhì)條件和實(shí)際情況,制定合理的施工方案,包括合理的爆破參數(shù)、支護(hù)設(shè)計和施工方法等,以減少對相鄰隧道襯砌的不利影響。

6)雙線盾構(gòu)始發(fā)施工過程中,由于間距過小,端頭附近的地層承受較大的應(yīng)力,導(dǎo)致地層發(fā)生變形和位移。這可能引起地層沉降、裂縫擴(kuò)展以及相鄰結(jié)構(gòu)物的影響,對隧道工程的安全和周邊環(huán)境造成潛在威脅。應(yīng)對措施:通過合理控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)參數(shù),如推進(jìn)力等,以減小盾構(gòu)機(jī)對地層的影響,降低地層變形的程度。推進(jìn)參數(shù)的選擇應(yīng)基于地質(zhì)條件、地層特性和工程要求等因素進(jìn)行綜合評估和調(diào)整。在施工過程中,根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計施工工序,避免過于集中的始發(fā)施工,分段進(jìn)行推進(jìn),以減小變形的集中程度,降低地層的變形和應(yīng)力集中。

5 結(jié)語

本文以雄安新區(qū)至北京大興國際機(jī)場快線設(shè)計施工總承包一標(biāo)段三分部金融島站—第五組團(tuán)站區(qū)間工程為例,利用ABAQUS軟件建模對隧道開挖過程進(jìn)行模擬,得到隧道開挖過程中,隧道的橫、縱向變形。運(yùn)用ABAQUS,對盾構(gòu)機(jī)的整個施工過程進(jìn)行了模擬和分析,清楚地展示了超小凈距雙盾構(gòu)始發(fā)的施工工藝及開挖過程[11]。最后,針對工程建設(shè)中隧道容易出現(xiàn)的問題,分析其產(chǎn)生的原因,并給出相應(yīng)的防治及應(yīng)對措施。該成果可為同類工程中的超小凈距隧道施工提供參考,并對目前隧道開挖引起的隧道變形預(yù)測和加固處理具有參考價值。