基于FLAC3D的砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層地鐵施工影響因素分析

摘要：為分析疊交地鐵施工中既有隧道變形的影響因素，依托蘇州市軌道交通S1線工程S1-TS-05標段，針對在砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)上穿施工導致的既有隧道的沉降與變形，采用數(shù)值模擬方法分析隧道幾何參數(shù)、空間位置、地層參數(shù)等因素對既有隧道的影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測驗證數(shù)值計算的準確性。研究結(jié)果表明：在砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層盾構(gòu)上穿施工中，既有隧道的位移和管片變形以豎向沉降為主，且沉降量隨著盾構(gòu)直徑的增大而增大，隨著覆土層厚度、新舊隧道凈距、下穿角度，以及地層彈性模量的增大而減小?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果較為吻合，既有隧道位移與距疊交中心距離呈負相關關系。研究結(jié)論可為同類型地層條件下疊交地鐵隧道盾構(gòu)施工變形控制提供參考。

關鍵詞：疊交隧道；盾構(gòu)參數(shù)；上穿施工；隧道變形；變形監(jiān)測

中圖分類號：U447 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）02-0179-08

0 引言

地鐵的修建過程中，由于場地限制和設計規(guī)劃，存在新建隧道上穿或下穿既有隧道的特殊工況，施工過程對既有隧道周圍土體產(chǎn)生擾動，對既有隧道的應力分布產(chǎn)生影響，進而使既有隧道發(fā)生變形，同時也會對新建隧道產(chǎn)生影響。因此，研究新建隧道施工引起的既有隧道附加變形發(fā)展規(guī)律，提出減小施工影響的措施，對城市軌道交通建設具有重要的意義。

國內(nèi)外學者針對新建隧道對既有隧道施工的影響，進行了大量研究。李俊杰以成都某地鐵線路疊交穿越施工為工程背景，提出在新建隧道施工時采用超前支護體系和聯(lián)合監(jiān)測預警反饋等保障措施，可以有效控制既有隧道變形沉降及地表沉降。江華等采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究雙線隧道上跨既有隧道的影響，結(jié)果顯示地層加固對既有線變形控制有較好的效果。趙宇鵬等針對兩層四線疊交隧道的特殊工況，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究盾構(gòu)注漿壓力、徑向環(huán)形注漿及土倉壓力對既有隧道縱向位移變化的影響，結(jié)果表明：新建隧道與既有隧道的夾角越小，既有隧道受新建隧道施工的影響越大；既有隧道的豎向位移不隨土倉壓力的改變而變化，但隨注漿壓力的增大而減小。高利宏針對新建隧道左、右線依次穿越既有雙線隧道的工況，對施工過程中沉降變形規(guī)律以及階段受擾動土體穩(wěn)定性進行分析，給出了施工沉降關鍵控制節(jié)點。郭磊等依托蘇州地鐵SI線某區(qū)間，利用ABAQUS有限元軟件，采用地層一結(jié)構(gòu)法建立二維隧道模型，對盾構(gòu)穿越軟塑～流塑地層的3種典型埋深下的盾構(gòu)隧道的變形特征進行模擬研究，結(jié)果表明：時間維度上，穿越過程中既有結(jié)構(gòu)豎向變形趨勢與施工階段具有一一對應關系；空間維度上，隧道結(jié)構(gòu)變形與距穿越中心距離呈負相關關系。楊芝璐等分析了超大直徑盾構(gòu)在不同疊交角度下穿施工所引起的既有雙線隧道變形規(guī)律，結(jié)果表明隨著疊交角度的減小，既有隧道沉降、收斂變形都顯著增大，既有隧道在疊交范圍兩側(cè)呈不對稱上浮，且靠近盾構(gòu)隧道掘進方向一側(cè)上浮較大。蔣華春等針對既有地鐵隧道上方新建明挖隧道施工問題，提出了板凳法和管幕法兩種控制方案，建立了相應的數(shù)值模型，分析了控制方案的可靠性，采用板凳法保護方案具有施工難度小、對交通影響小、造價低、工期短等優(yōu)點，且對既有地鐵隧道的擾動影響能夠滿足控制指標的要求，具有可行性。劉士海等提出了既有盾構(gòu)隧道沉降理論公式，并將理論公式與沉降實測數(shù)據(jù)進行擬合，綜合分析了斜交下穿施工各階段既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，得到既有盾構(gòu)隧道沉降曲線的地層損失率為0.013%～0.948%，基本處于天然地層數(shù)值范圍內(nèi)的較低水平。

已有研究主要針對新建隧道下穿既有隧道引起的變形規(guī)律，且大部分為正交穿越，對斜交上穿既有隧道盾構(gòu)施工的工程實例研究較少，斜交上穿引起施工過程中的變形規(guī)律不明確，并且綜合對不同凈距、不同穿越角度及盾構(gòu)參數(shù)對施工中既有隧道變形特征影響的研究較少。因此，本文結(jié)合蘇州軌道交通S1號線新建隧道上穿既有隧道工程，采用數(shù)值模擬方法研究不同因素對施工過程中既有隧道變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析驗證數(shù)值模擬的準確性，為類似地質(zhì)條件下穿越地鐵隧道的建設提供參考。

1 工程概況

以蘇州軌道交通SI號線新建隧道斜上穿既有隧道工程為工程背景，出入段線東線與正線區(qū)間隧道平面關系見圖1。

S1-TS-05標段區(qū)間隧道東線自出入段線明挖盾構(gòu)井DDK1+749.992始發(fā)，以350 m的曲線半徑向北出發(fā)，后以直線下穿滬寧城際及京滬高鐵，繼續(xù)向北下穿婁江及駁岸，側(cè)穿220 kV高壓鐵塔樁基后，以270 m的曲線半徑側(cè)穿天居華庭，后向東上穿正線右線盾構(gòu)區(qū)間隧道到達虹祺路站。此標段盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)管片均相同，襯砌管片內(nèi)徑為5 900 mm，外徑為6 600 mm。本文研究出入段線東線上穿隧道右線段，出入段線東線隧道上穿S1線正線右線隧道，出入段線東線軌面標高為-9.928 m，正線右線軌面標高為-19.078 m，出入段線隧道與正線隧道最小豎向凈距為2.55 m。

此施工標段沿線長為66.0 m的淺土層以第四紀全新世至早更新世沉積的疏松沉積物為主，主要為夾砂黏性土，其中存在大量砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層，該地層具有含水率高、土質(zhì)松散軟弱、壓縮性強、滲透性強等特點。土層物理力學參數(shù)見表1。

2 盾構(gòu)上穿施工模擬

2.1 三維有限元模型及參數(shù)選取

隧道穿越模型見圖2。

考慮盾構(gòu)開挖對土體的擾動范圍，以地表為自由面，底部和各個側(cè)面分別采用固定約束和法向約束。采用Mohr-Coulomb模型作為巖土體本構(gòu)模型，以實體單元模擬巖土體和襯砌管片，彈性模型各向同性，外載荷作用下管片仍處于彈性變形階段。襯砌采用C55的混凝土，為減少螺栓間的連接對襯砌結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生的影響，管片剛度折減15%，泊松比取0.2，彈性模量取30 GPa。為反映盾構(gòu)推進對周圍土體的擾動和注漿填充作用，設置等代層進行模擬，厚度為0.1 m，采用彈性實體單元。依據(jù)現(xiàn)場注漿體抗壓強度測試實驗的結(jié)果，根據(jù)典型抗壓強度選取2個時間點，將漿體彈性模量設置為1.4 MPa。

2.2 盾構(gòu)施工過程模擬

在盾構(gòu)施工過程模擬中，盾構(gòu)機是一步一步跳躍式推進，將盾構(gòu)前行看成剛度和載荷的遷移過程，步驟如下：①去除盾構(gòu)區(qū)間部分土體，激活等代層單元，使等代層參數(shù)符合盾殼，并根據(jù)實際施工情況加土倉壓力。②移除盾構(gòu)機單元屬性模擬盾尾間隙，向其施加注漿壓力，模擬注漿過程。③激活襯砌及等代層單元，依照注漿體的參數(shù)調(diào)整等代層參數(shù)。④依次分布開挖，直至盾構(gòu)完成。

沿盾構(gòu)推進方向選取4種工況進行分析，其中，工況1為盾構(gòu)駛近地鐵隧道右線未到達，工況2為開挖面推進至地鐵隧道右線正上方，工況3為盾構(gòu)機駛離隧道右線，工況4為盾構(gòu)施工結(jié)束。

3 施工數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實際工程進行模擬計算，結(jié)果見圖3、圖4。

根據(jù)圖3、圖4，結(jié)合對新1日隧道的現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在施工過程中盾構(gòu)水平變形對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響很小，主要變形發(fā)生在拱頂與拱底。故本節(jié)在分析既有隧道變形時，僅分析既有隧道的豎向變形，分析新舊隧道之間的垂直凈間距、水平投影夾角和新建隧道覆土厚度、直徑和圍巖彈性模量對既有隧道豎向位移沉降以及管片變形的影響。

3.1 新舊隧道垂直凈間距的影響

為研究新建隧道與既有隧道之間的垂直凈間距對既有隧道豎向變形的影響規(guī)律，分別針對既有隧道豎向位移沉降量和管片豎向變形進行分析，分別取凈間距為0.25D、0.5D、D、2D進行計算，其中D為新建隧道外徑，取6.6 m。計算結(jié)果見圖5、圖6。

由圖5、圖6可知，隨著新舊隧道垂直凈間距的增大，既有隧道的最大豎向位移沉降量和管片最大豎向變形量都呈現(xiàn)出下降的趨勢。原因是隨著隧道垂直凈間距的增大，隧道間土體厚度逐漸變大，由盾構(gòu)上穿施工帶來的土體間相互作用更多地以夾層土體變形的方式被吸收，致使傳導至既有隧道的作用力相對減少，豎向位移沉降量以及管片豎向變形量相應減小。當垂直間距較小，對既有隧道影響較大；當垂直間距較大，對既有隧道影響較小，與文獻[12]的研究結(jié)論基本一致。當新舊隧道垂直凈間距大于D時，既有隧道受擾范圍增大，豎向位移變化明顯，圖5中表現(xiàn)為由窄而深的漏斗狀變成寬而淺的盆狀。因此，在實際工程施工中應在滿足施工條件的前提下，盡可能增大新舊隧道的垂直凈間距，保證豎向變形沉降在規(guī)定范圍內(nèi)。

3.2 新舊隧道水平投影夾角的影響

為探究新建隧道上穿角對既有隧道豎向位移沉降量和管片豎向變形的影響，以上穿角分別為30°、45°、60°、90°的工況建立模型，計算結(jié)果見圖7、圖8。

由圖7、圖8可知，既有隧道的豎向位移與水平投影夾角呈負相關關系。當新舊隧道呈正交關系時，對既有隧道的變形影響最小，當新舊隧道平行時，對既有隧道的變形影響最大。新建隧道斜交跨越時，當夾角由90°減小至60°，既有隧道上浮峰值變化為1 1.2%；當夾角減小至45°時，與正交穿越相比上浮峰值增大30.7%；當夾角減小至30°時，與正交穿越相比上浮峰值增大56.4%。在實際施工過程中，應盡量選擇大于60°的大角度穿越方式。

3.3 新建隧道覆土厚度的影響

為研究覆土厚度對上穿既有隧道的影響，根據(jù)軟土地區(qū)城市地下鐵路隧道常見埋深，設置既有隧道覆土厚度C分別為9m、12 m、15 m、18 m、21m，模擬結(jié)果見圖9、圖10。

由圖9和圖10可以看出，既有隧道的豎向位移和管片豎向位移隨覆土厚度的增大而減小，即不同埋深下地表變形趨勢不同，埋深越大，受下穿施工影響越小，這與文獻[14]的研究結(jié)果一致。不同埋深下變形區(qū)域不同，隨著埋深增大，變形區(qū)域逐漸由交疊隧道沿線向交疊區(qū)域中心發(fā)展。當覆土厚度為9m、12 m、15 m、18 m、21m時，既有隧道豎向位移分別為12.3 mm、11.6 mm、10.3 mm、8.6mm、6.4 mm。分別與小一級的覆土厚度對比，覆土厚度為12 m、15 m、18 m、2lm時減小了5.7%、11.2%、16.5%、25.6%，可見隨著覆土厚度的增大，其豎向位移的減小幅度更大。覆土厚度的增加代表著隧道埋深的增加，則新建隧道所處地層地應力增大，施工后應力重分布作用的影響更為明顯。因此，設計下穿線路應盡量避免在既有隧道覆土層厚度較大處下穿，減少施工難度。

3.4 圍巖不同彈性模量的影響

為探究圍巖彈性模量對既有隧道豎向位移沉降和管片豎向位移的影響，根據(jù)蘇州軟土地區(qū)地層情況并參考同類工程模擬研究，取彈性模量E分別為20 MPa、40 MPa、60 MPa、80 MPa、100 MPa、150 MPa進行建模，計算結(jié)果見圖11、圖12。

由圖11和圖12可知，隨著彈性模量的增大，既有隧道豎向位移沉降和管片豎向位移都呈下降趨勢。可見隨著彈性模量的增加，盾構(gòu)隧道開挖引起的土體位移變化對既有隧道的影響減小，這與文獻[16]的研究結(jié)論一致。這是由于彈性模量決定了圍巖抵抗變形的能力，彈性模量越大，圍巖抵抗變形的能力越大，對既有隧道產(chǎn)生的位移就越小。當彈性模量較低時，最大沉降量較大，且既有隧道受擾范圍明顯增大，距既有隧道中心距離相同時，不同彈性模量下既有隧道豎向位移差異較大。

3.5 新建隧道直徑的影響

為研究開挖隧道直徑對既有隧道豎向位移沉降和管片豎向位移的影響，根據(jù)城市軌道交通常見地鐵隧道直徑，分別取開挖隧道直徑為6m、8m、10m、12m進行建模，計算結(jié)果見圖13、圖14。

由圖13、圖14可知，隨著隧道直徑增大，既有隧道豎向位移和管片豎向位移增大，沉降范圍增大，這與文獻[17]的研究結(jié)論一致。這是由于隧道直徑增大代表著隧道軸線埋深增大，隧道所處地層原始地應力較大，盾構(gòu)施工時，原有的極限平衡被破壞，開挖面處在失穩(wěn)時的土體涌入量增大，地層應力重分布需經(jīng)歷更長時間才能再次恢復平衡狀態(tài)，從而使豎向位移沉降和管片豎向位移的最大值和范圍顯著增大?？梢姶笾睆蕉軜?gòu)隧道施工難度更大，對隧道施工安全和變形控制提出了更高要求。

4 既有隧道監(jiān)測結(jié)果及變形控制

4.1 監(jiān)測方案

為實時掌握盾構(gòu)施工周圍環(huán)境及構(gòu)筑物的安全狀況，動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，結(jié)合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911-2013） 要求，除了對新建隧道盾構(gòu)施工段區(qū)域范圍內(nèi)的上部地面布置地表沉降監(jiān)測點外，還要對新舊隧道區(qū)域深層土體位移進行監(jiān)測。本次監(jiān)測在新建隧道穿越施工段內(nèi)，共布置鋼支撐軸力監(jiān)測點3個，拱底沉降監(jiān)測點14個，道床隆起監(jiān)測點14個，凈空收斂監(jiān)測點14個，監(jiān)測點布設間距均為3m。對已開通運行的既有隧道采用SAA自動監(jiān)測設備采集數(shù)據(jù)信息，并采取定期人工測量的方式校核監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了對比新建盾構(gòu)隧道與既有地鐵隧道交叉處的豎向位移，設置模擬參數(shù)與實際工程一致，將模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖15。

由圖15可知，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的豎向位移變化趨勢基本一致，距既有隧道中心距離越小，豎向位移越大。模擬值與監(jiān)測值的最大差值出現(xiàn)在距既有隧道中心距離為0m的位置，為0.23 mm，這是由于模擬計算無法準確描述圍巖地層受力傳播情況，特別是在靠近既有隧道時地層受力變形的發(fā)展和傳播會被阻礙，這種阻礙離既有隧道越近效果越顯著。實際監(jiān)測值小于模擬值是由于盾構(gòu)掘進過程中人為手動優(yōu)化調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)。

4.3 既有隧道變形控制措施

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可以看出，隧道整體變形較為明顯，且變形主要集中在豎直方向。為減小上部施工對下部既有隧道影響，提出以下變形控制措施。

（1）在保證施工合理性和經(jīng)濟性的前提下盡量增加新舊隧道的垂直凈距，以減小對既有隧道變形的影響。

（2）在滿足施工區(qū)域限制的條件下，增大斜交角可以有效控制既有隧道變形。

（3）注漿加固夾層土即提高圍壓土層的彈性模量，通過阻礙變形場的傳播或削弱盾構(gòu)施工引起的地層變形，達到保護既有隧道的效果。

5 結(jié)論

以蘇州軌道交通S1號線新建隧道斜上穿既有隧道工程為工程背景，使用數(shù)值模擬方法，研究了不同影響因素對既有隧道變形的影響，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）在砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層中上穿既有隧道，施工過程中盾構(gòu)水平變形對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響很小，并且既有隧道的位移變形以豎向沉降為主。

（2）在砂質(zhì)淤泥質(zhì)土層中，盾構(gòu)上穿對既有隧道的豎向位移與管片豎向變形的影響，隨著覆土層厚度、地層彈性模量、新舊隧道凈距，以及上穿角度的增大而減小，隨著盾構(gòu)直徑的增大而增大。在工程設計與施工中，新舊隧道凈距應盡可能大于新建隧道外徑，上穿角應盡量選擇大于60°的穿越方式。

（3）數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果總體較為吻合，距離既有隧道中心越近，既有隧道豎向位移越大?，F(xiàn)場施工時需對距離既有隧道中心為0m的位置重點采取變形控制措施。