重叠隧道上洞开挖面支护与注浆压力对下洞隧道的影响分析

张旭东

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南昆明 650200）

1 工程概况

昆明地铁首期工程环城南路站—昆明火车站站区间（以下简称“环—昆区间”）位于昆明市区北京路正下方，区间为左线上方、右线下方的地下重叠盾构区间，区间线路平面间距为 0 m，剖面最小净距为1.8 m，其左右线分别长 449.260 m 和 448.960 m，最大坡度为 9.282‰，最小坡度为 2‰，覆土厚度为 8.04～17.72 m，主要穿越圆砾、粉土、粉砂及黏土层。设计管片采用通用型管片，错缝拼装。管片设计参数为：C50混凝土，内径 5.5 m，外径 6.2 m，厚度 0.35 m。

2 地表沉降及管片应力计算分析

2.1 计算模型及参数

本次计算采用岩土工程通用分析软件 FLAC3D，结合现场实际情况采用三维数值仿真模型进行分析，三维计算模型如图1所示，模型尺寸为 80 m×60 m×40 m。模拟过程中地层采用实体单元，隧道结构采用结构单元进行模拟。模拟过程考虑的荷载情况详见图 2，计算过程中上下重叠隧道净距 1.8 m。模型计算土层参数见表 1。

图1 数值计算模型

图2 数值计算荷载

表1 土层参数信息

2.2 计算工况

本次计算主要考虑上洞施工时土仓压力（开挖面支护压力）与注浆压力对地表沉降以及下洞管片结构受力的影响，考察标准主要是下洞管片的应力以及地表沉降。因此，在进行下洞隧道施工时，采取一次性挖通的形式，使管片的应力状态和地表沉降状态在各方向均相同。计算过程中共考虑 7 种计算工况，见表 2。

表2 计算工况表

在下洞开挖完成的基础上进行上洞隧道开挖，采取一次性挖去前半段 60 m 范围内的土体并进行管片拼装和注浆等操作。在计算过程中，分别在保持管片上下两端注浆压力与地层原始应力相匹配的情况下按表 2 改变土仓压力，同样，在保证土仓压力与开挖面地层压力相匹配的情况下按表 2 改变注浆压力，最后计算得出各工况情况下地表沉降和下洞管片应力的情况。

2.3 不同土仓压力时地表沉降及管片应力

2.3.1 地表沉降

保持管片上下两端注浆压力与地层原始应力相匹配的情况下，按表 2 改变土仓压力，计算得到不同开挖面支护压力造成隧道前方Y= 60 m、120 m 地表沉降曲线如图 3 所示。

从图 3 可以看出，土仓压力的大小对地表沉降的影响其实较小，这是由于本次计算中上覆土厚度较厚（14.5 m），即使在较大的开挖面支护压力作用下，开挖面前方地层也未发生隆起变形。实际工程中，当重叠隧道上覆土厚度较薄时，在较高的开挖面支护压力作用下，极有可能发生地层隆起变形。因此，实际施工应该结合现场监测数据合理确定开挖面支护压力的大小。

图3 不同土仓压力情况下开挖面前方Y断面地表沉降曲线

2.3.2 管片应力

除地表沉降外，开挖面支护压力通过地层土体扩散传递给管片，会造成管片内部应力的变化。开挖面位于Y = 60 m 时，下洞 Y = 50～90 m 范围不同开挖面支护压力下管片应力云图如表 3 所示。

从表 3 中应力云图可以看出，上洞隧道开挖使得下洞隧道管片内部应力总体释放，最明显表现为盾构前方一定距离范围内的下洞隧道管片 Y 方向的应力和 Z 方向的应力明显减小，从减小的量值看，开挖面支护压力越大，减小的量值越小。

表3 不同土仓压力情况下下洞隧道管片应力云图 Pa

续表 3

由于下洞拱顶管片承受正弯矩，管片初始应力状态为拉应力，在上洞开挖过程中卸载，拉应力水平减小。图 4 给出了不同土仓压力情况下下洞拱顶拉应力曲线。从图 4 中看出，不同土仓压力情况下，下洞拱顶管片拉应力卸载水平不一样，支护压力越大，卸载作用越不明显。主动支护情况下，拱顶管片应力并不随P/P0线性单调增加，而是逐渐减缓。

图4 不同土仓压力情况下下洞拱顶管片拉应力曲线

2.4 不同注浆压力时地表沉降及管片应力

2.4.1 地表沉降

施工中施加不同注浆压力时地表沉降情况如图5所示。从图 5 可以看出，注浆压力的大小对控制地表沉降影响非常显著。当G/G0小于 0.5 时，比值越小，沉降越大，最终地表沉降大于 30 mm；而当G/G0的大于 0.8时，最终地表沉降随注浆压力的增大而减小，但减小幅度减缓。

图5 不同注浆压力情况下开挖面前方Y断面地表沉降曲线

对比开挖面支护压力（土仓压力）及注浆压力对地层沉降的影响可知，注浆压力对地层沉降的控制效果更加明显。实际施工中，宜将注浆压力控制在 0.8～1.0 倍地层原始应力范围内。

2.4.2 管片应力

注浆压力对下洞已成型管片应力的影响如表 4 中应力云图所示。从表 4 应力云图可以看出，注浆压力对下洞管片受力有一定影响，主要表现为对 Y 向和 Z 向应力的影响，影响趋势与前述分析结果一致。最明显表现为盾构前方一定距离范围内的下洞隧道管片 Y 方向的应力和 Z 方向的应力明显减小，从减小的量值看，开挖面支护压力越大，减小的量值越小。

表4 不同注浆压力情况下下洞隧道管片应力云图 Pa

续表 4

3 结论

（1）从施工参数（土仓压力和注浆压力）对地表沉降和下洞管片应力的影响分析可知，施工参数控制对于重叠隧道施工安全和结构安全都有重要影响。施工中除进行必要的监控量测与施工参数控制外，为避免局部应力集中造成的衬砌损坏，还需采取必要的辅助施工措施。

（2）计算分析表明，注浆压力影响较为明显。因此，应保证开挖面支护压力不小于地层原始水平应力，同时，注浆压力应控制在 0.8～1.0 倍地层原始应力范围内。实际施工中，还应视施工情况，结合监控量测结果，有针对性地采取辅助施工措施，保证施工安全。