軟土地層在建隧道上穿既有隧道模擬施工變形研究

摘要：簡要敘述模擬隧道盾構(gòu)工程概況、設(shè)置有限元模型、模擬軟土地層防沉降掘進施工、模擬刀具檢查與更換，以及計算隧道開挖引起的地層變形量等方面的模擬試驗準備工作，開展了既有隧道豎向沉降量和既有隧道橫斷面沉降量的模擬試驗。模擬試驗結(jié)果表明：在軟土地層在建隧道上穿既有隧道模擬掘進施工過程中，雖然既有隧道產(chǎn)生了少量沉降變形，但是隨著上穿盾構(gòu)機的掘進，既有隧道的沉降差異逐漸消除，既有隧道重新獲得了穩(wěn)定的工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：軟土地層；上穿隧道；模擬施工；變形研究

0 引言

在建隧道上穿既有隧道作為一種常見的施工方法，其可在不破壞地面建筑物的情況下，實現(xiàn)地下空間的交叉利用[1]，有利于充分利用土地資源。在建隧道上穿既有隧道進行施工，會對既有隧道產(chǎn)生諸多不利影響。首先，在建隧道施工過程中的挖掘和填筑作業(yè)，會改變地下土體的應(yīng)力分布，從而導(dǎo)致土體變形。其次，在建隧道施工可能會引起地下水位的變化，進而影響土體孔隙水壓力，加劇土體變形。此外施工過程中的振動和噪聲，也可能對既有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

土質(zhì)松軟、含水量較高的軟土地層，其土壤力學(xué)性質(zhì)與巖石或硬土地層存在明顯差異，具有承載力較低、沉降量較大、變形性較強的特點。因此，在軟土地層進行在建隧道上穿既有隧道施工會引起地層變形，進而對既有隧道的穩(wěn)定和安全產(chǎn)生不利影響。研究在建隧道上穿既有隧道施工過程中的影響機制，并進行模型試驗和數(shù)值模擬，有利于更好地評估施工影響，采用相應(yīng)的解決方案。

1 模擬工程概況

某在建隧道盾構(gòu)工程總長為1200m，地下埋深為30m，隧道外徑和內(nèi)徑分別為6.2m、5.5m，每環(huán)襯砌寬度為1.5m，管片采取錯縫拼裝方法。該工程共設(shè)有318個?1200mm和?1500mm的鉆孔灌注樁，用于該工程的主要圍護結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)基坑在垂直方向上設(shè)置4道內(nèi)支撐，每層鋼結(jié)構(gòu)并撐的間距為4.5m、單撐間距為3.2m。

該在建隧道主要處于淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土層中。其中，淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài)，具高壓縮性，是主要軟弱土層。該在建隧道進行上穿既有隧道施工，容易造成土體破壞進而誘發(fā)既有隧道產(chǎn)生變形。

2 模擬試驗準備

2.1 設(shè)置有限元模型

在建隧道沿著開挖方向和土層走向，判斷地下水位變化的時間與程度。根據(jù)Yield criterion屈服準則設(shè)置有限元模型，地層厚度沿上穿開挖方向要始終保持不變且處于均勻狀態(tài)[2]。將在建隧道與既有隧道之間的斜交角度設(shè)置為12°，并將其構(gòu)成交叉狀態(tài)。在不考慮土體排水情況下，對模型邊界進行設(shè)定。模型深度為實際隧道埋深的3倍，模型長度為實際隧道直徑的3倍。地層三維模型尺寸分別為90m、90m、45m。三維隧道模型如圖1所示。

在三維隧道模型中，X方向中為模型長度，Y方向為掘進方向，Z方向為模型的深度。對模型網(wǎng)格進行劃分時，土體單元為6節(jié)點綜合立方體增強單元，模型單元共有84532個。模型周圍的顯著法向位移量需要根據(jù)測量得到[3]，在建隧道所用盾構(gòu)機應(yīng)設(shè)置較長掘進距離。在有限元建模過程中，模型中待開挖環(huán)數(shù)共設(shè)有320環(huán)，其中上行線共設(shè)有42環(huán)。

2.2 模擬軟土地層防沉降掘進施工

2.2.1 設(shè)置隧道掘進區(qū)域土層力學(xué)參數(shù)

依據(jù)設(shè)置的盾構(gòu)掘進區(qū)域土層報告，運用對比分析法對有限元數(shù)值進行模擬，獲得模擬的土層力學(xué)參數(shù)[4]。對淤泥中提取4倍的壓縮模量，對黏土中提取3.5倍壓縮模量。獲得在建隧道掘進區(qū)域土層模擬力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2.2 軟土地層掘進防沉降措施

上穿盾構(gòu)機外殼為鋼質(zhì)材料，在上穿既有隧道施工中，使用C32混凝土制作的襯砌管片[5]。在建隧道掘進時，運用消除土體單元法對上穿盾構(gòu)機的掘進面進行施工。模擬測試過程中，起初工況為應(yīng)力平衡狀態(tài)。通過激活上穿盾構(gòu)機外殼，使得上穿盾構(gòu)機能夠快速進入地層。

在上穿盾構(gòu)機掘進過程中，將第一塊管片從機尾放出，將上穿盾構(gòu)機外殼掘進到開挖1環(huán)中，獲得激活機身的掘進壓力。不斷重復(fù)操作任務(wù)，直到隧道完全掘通。

運用多樣性泡沬劑進行渣土改良。在掘進開始前，查看泡沫的發(fā)泡狀態(tài)，等到泡沫分散后，用水對泡沫進行稀釋，使得隧道拱頂保持相對穩(wěn)定、盾構(gòu)設(shè)備能平穩(wěn)運行。在掘進過程中，向上穿盾構(gòu)機土倉中添加膨潤土，通過聚合物調(diào)整倉內(nèi)渣土狀態(tài)。

添加膨潤土的過程中，需要以懸浮形式進行添加，這樣有利于調(diào)節(jié)碴土的性能，減小刀盤刀具磨損。添加膨潤土可在掘進面形成泥漿膜，起到一定的止水效果。上穿盾構(gòu)機在軟土地層中開挖，其掘進參數(shù)需要根據(jù)施工中的實際地質(zhì)狀況，按照地層強度進行設(shè)定[6]。

2.3 模擬刀具檢查與更換

上穿盾構(gòu)機掘進速度設(shè)置在0.3～0.8m/min之間，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置在0.7～0.92r/min之間，掘進扭矩設(shè)置在1500～3600kN·m之間，這樣能夠保持正面土壓力相對穩(wěn)定。

為了使得上穿盾構(gòu)機安全進行施工，在開挖施工之前需要對刀具破損情況進行檢查，判斷刀盤上所有刀具螺絲是否松動或脫落；在掘進過程中如果刀具發(fā)生損壞或磨損，需及時開倉更換或修補；還需要按照施工標準不斷開倉檢查，減少刀具損壞導(dǎo)致的成本增加問題。

按照隧道覆土地層狀態(tài)，在試驗過程中將壓氣數(shù)據(jù)設(shè)定為0.16MPa。為了使得土倉氣壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)中，入倉前要進行人工加壓，并進行對應(yīng)減壓進行調(diào)節(jié)。

2.4 計算隧道開挖引起的地層變形量

2.4.1 土體變形量計算

在隧道開挖過程中，當土體變形量較小的時候需要通過計算獲得應(yīng)力關(guān)系。當土體變形較大時，土體將發(fā)生彈塑性屈服。當土體內(nèi)在某點發(fā)生塑性變形時，理想彈塑性模型應(yīng)力小于其屈服值。當土體應(yīng)力達到屈服極限時，土體進入塑性狀態(tài)[7]。土體變形量計算公式如下：

β=α-tanχ （1）

式（1）中：β為最大應(yīng)力變形量，α為作用在平面內(nèi)的壓力值，χ為內(nèi)摩擦角。通過對模型邊界設(shè)置約束條件，在頂部施加14kPa的堆載。

2.4.2 模擬管片和注漿

使用FLAC結(jié)構(gòu)單元進行模擬，對管片材料進行設(shè)置。模擬管片材料參數(shù)如表2所示。

在完成每一環(huán)管片拼裝后，對管片與地層間的縫隙進行注漿填充，這樣能夠加固土體，減小地層沉降量。根據(jù)漿液的特征，在注漿過程中需要控制液體的狀態(tài)，并控制彈性模量值。漿液需要添加注漿壓力才能夠使得漿液充滿管片縫隙之中。當漿液經(jīng)過一段時間硬化后，調(diào)整上穿盾構(gòu)機在土倉內(nèi)的壓力值。等到隧道土體開挖后，加上0.5MPa的支護作用力。

2.4.3 隧道初支

隧道初支采用C25網(wǎng)噴混凝土，環(huán)向間距為0.4m。計算拱部土層參數(shù)并模擬超前小導(dǎo)管注漿加固，同時操縱上穿盾構(gòu)機進行在建隧道掘進。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 測試既有隧道豎向沉降量

在建隧道在軟土地層掘進過程中，既有隧道會承受土體豎向位移作用力。為得到既有隧道的豎向位移量，在既有隧道的襯砌頂部設(shè)置5個檢測點，測得在建隧道掘進過程中既有隧道5個檢測點的累積沉降曲線。既有隧道襯砌頂部累積沉降曲線如圖2所示。

由測試結(jié)果可知，在不同工況下，既有隧道在各測點的豎向位移均表現(xiàn)為沉降，并且獲得較大沉降值。當在建隧道開挖面水平距離前方既有隧道軸線20m時，測點襯砌頂部沉降值均有較明顯的變化。說明當開挖面水平距離為既有隧道軸線2倍直徑時，既有隧道開始受到較明顯的豎向位移。當開挖面遠離既有隧道軸線時，既有隧道各測點沉降加速，并在盾尾脫離既有隧道軸線時，各個測點出現(xiàn)最大沉降值。隨著與既有隧道軸線方向的距離不斷增加，各測點沉降值也隨之增加。

3.2 測試既有隧道橫斷面沉降量

在建隧道在軟土地層掘進過程中，既有隧道襯砌橫斷面會承受土體作用力。為得到既有隧道的橫斷面位移量，在既有隧道的橫斷面設(shè)置5個檢測點，測得在建隧道掘進過程中既有隧道橫斷面5個檢測點的累積沉降曲線。既有隧道橫斷面累積沉降曲線如圖3所示。從5個測點獲取的既有隧道襯砌在橫斷面中左、右半圓的累積沉降值對比結(jié)果如圖4所示。

由測試結(jié)果可知，越靠近既有隧道軸線測點的沉降值越大，最大值發(fā)生在測點5。隨著上穿開挖面的不同，測點3處沉降發(fā)生最大差異。在測點4處橫斷面左半圓沉降值差異逐漸變小。因為當盾尾遠離測點時，橫斷面各測點下方土體狀態(tài)基本一致且不再被擾動。此時作為彈性材料的襯砌有充分的時間進行自我變形恢復(fù)，使其協(xié)調(diào)各測點的沉降差異。

綜上所述，軟土地層在建隧道上穿既有隧道模擬掘進施工時，在建隧道掘進面底部距離既有隧道頂部越近沉降量越大。隨著上穿盾構(gòu)機的掘進，既有隧道橫斷面出現(xiàn)整體沉降現(xiàn)象。隨著上穿盾構(gòu)機的繼續(xù)掘進，既有隧道沉降差異逐漸消失、剛度逐漸增加、動態(tài)特性得到改善，既有隧道重新獲得穩(wěn)定的工作環(huán)境。

4 結(jié)束語

在軟土地層在建隧道上穿既有隧道模擬掘進施工研究中，充分考慮和設(shè)置了應(yīng)當發(fā)生的各種實際情況，使得該項研究成果更加真實可靠。該項研究為軟土地層在建隧道上穿既有隧道施工提供了有益的借鑒，為促進隧道掘進施工安全、保障工程質(zhì)量提供了重要依據(jù)。但是該項研究在施工設(shè)備精細化等方面還存一些不足，今后應(yīng)當予以完善。

參考文獻

[1] 劉喜東.寧波軟土地層雙線隧道上穿施工對既有隧道變形性狀的影響[J].結(jié)構(gòu)工程師，2023，39（1）：161-168.

[2] 呂高樂，易領(lǐng)兵，杜明芳，等.軟土地層雙側(cè)深基坑施工對鄰近地鐵車站及上穿隧道變形影響的分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2018，24（5）：682-691.

[3] 鄧碧，張俊偉，諸葛緒松，等.軟土地層并行曲線隧道施工順序?qū)扔兴淼赖挠绊慬J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2021，38（6）：170-176.

[4] 尹驥.軟土深基坑開挖對隧道影響分析及設(shè)計參數(shù)討論[J].地下空間與工程學(xué)報，2022，18（S1）：173-178+186.

[5] 韋宗科，陳健，陳斌，等.軟土基坑開挖對臨近既有隧道變形影響研究[J].人民長江，2022，53（6）：198-206.

[6] 周波.小曲線半徑上穿隧道上穿既有隧道影響分析[J].中國設(shè)備工程，2022（5）：225-227.

[7] 程芳卉.箱涵頂進施工對下臥既有隧道變形影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2022，44（2）：78-82.