红砂岩卵石地层盾构穿越暗挖隧道施工数值分析*

赵俊杰，李 忠，何越磊，李 博

(1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620；2.中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

21世纪是一个城市地下空间大开发的黄金世纪，我国城市地铁的建设已步入快速发展阶段，因此新建隧道在进行近距离并行或交叠式贯穿既有隧道施工过程中往往会遇到一些问题，新建隧道的施工对周边地层的干扰必然会直接导致既有隧道结构的应力场及地应力场重新分布，从而直接影响结构体的安全性和稳定性[1-3]。

针对新建隧道穿越既有隧道施工的影响问题，目前主要采用现场勘测、建模计算分析和室内模型试验等方法进行研究。例如，孟庆军等[4]通过对地表沉降的监测，验证了施工中采取的各项地层加固措施的可行性；朱蕾等[5]通过分析衬砌结构实测数据，探究在盾构扰动影响下隧道变形机理；刘亮等[6]对盾构正交、平行上穿既有隧道进行数值模拟，分析了盾构施工对既有隧道变形与地表沉降的影响；武铁路[7]利用数值软件分析了盾构隧道近接并行施工引起的地表沉降规律；钟可等[8]采用数值软件，对比分析了地层不加固、地表注浆加固及MJS工法加固等多种措施对既有隧道的影响；王超东等[9]通过室内模型试验模拟不同角度穿越时盾构上穿施工对既有隧道稳定性的影响；陈春来等[10]基于Peck公式，对由双线盾构隧道平行施工中因土体损失造成的三维土体沉降计算方法进行了研究；张晓清等[11]采用排液法分析了盾构多线叠交施工对地表沉降与既有隧道纵向变形的影响规律，并构建动态模型验证试验结果；李学峰等[12]通过设计室内试验模型装置，研究隧道间距及埋深对既有隧道位移的影响。

综上所述，虽然学者们针对隧道近接施工的相关问题进行了一系列研究，但针对复合地层下新建隧道近接半施工状态隧道的研究还很少。本文依托兰州地铁2号线公交五公司出入线区间，以盾构近接并行暗挖段隧道施工为研究对象，根据现场施工进度与实测数据，利用三维数值模拟分析，揭示在红砂岩砂卵石复合地层中，盾构近接并行暗挖隧道施工的影响规律，同时对变更方案及措施进行验证分析，以期为类似工程提供借鉴。

1 施工作用机理

对于既有暗挖隧道，隧道内原有开挖土被替换，由超前支护、喷射混凝土及二次衬砌组成的结构体，在刚度和自重等方面与原状土有着很大差异。因此，当暗挖隧道开挖施作完毕后，在原有初始地应力场上形成了一个新的应力场，即地应力重分布。在新建盾构隧道近距离穿越施工中，对已应力重分布的地层再一次进行扰动即二次应力重分布，使土体产生位移和变形，而土体的改变又会对邻近既有隧道产生影响。

盾构隧道、土体、暗挖隧道三者间交互影响，新建隧道开挖使周边土体产生应力和位移变化，受影响的土体又对既有隧道产生扰动，受扰动的既有隧道在原有状态基础上产生一定程度的变形和应力变化，而反过来既有隧道又会通过中间土体对盾构掘进开挖产生一定影响，三者作用如图1所示。

图1 盾构穿越施工作用机理

2 存在的工程问题

2.1 工程概况

以兰州市地铁2号线一期工程2-KC-2标段为例，排洪南路停车场出入线采用明挖+暗挖法施工，暗挖区间总长358m，起点为公交五公司站，正线公交五公司站—定西路站区间采用盾构法施工。出入线与正线区间在出公交五公司站紧密并行后下穿，空间关系呈平行立交下穿交叠敷设。隧道位置平面与地质剖面如图2，3所示。

图2 盾构区间与出入场线位置平面示意

图3 地质纵剖面

2.2 工程问题

区间盾构近距离并行暗挖隧道存在的施工难题有：①盾构主要穿越由红砂岩与砂卵石层两种结合的复合地层，砂卵石层存在粒径≥60cm的漂石且地下水丰富；②隧道间最小水平净距仅为1.156m，属于超近接状态施工；③受工期影响，所并行的暗挖隧道处于在建状态，衬砌结构未施作完毕，未形成完整的支护体系。

考虑上述原因及工筹计划安排，需采取方案措施将并行风险限定在可控范围内，确保主线公定区间隧道如期贯通。

2.3 拟采用加固方案

原设计方案为：如图4 所示，在盾构与暗挖结构净距<4.5m范围内采用径向注浆方式对盾构与暗挖隧道间土体进行加固处理，注浆管长2.5m，环向间距1.2m，纵向间距1.2m，浆液采用水泥浆，注浆管采用φ32×3.25钢焊管；加固后土体的无侧限抗压强度应≥1MPa。

图4 径向注浆横断面

当前施工进度：①盾构 已掘进至接收端45m并行段；②出入线暗挖隧道 中导洞已贯通，左边洞未开挖，右边洞上台阶已开挖，下台阶未开挖；③衬砌 中隔墙已衬砌，右边洞上台阶拱墙已施作初衬。

拟采用方案为：根据现场调查及以往类似工程实例分析，拟对该工程采取以下3种措施。

1)暗挖隧道与公定区间左线接收端45m并行段部分，北侧边洞从车站往东30m范围，加固里程L/RK0+024.300—L/RK0+054.300，采用洞内深孔无收缩双液注浆(WSS)加固地层，加固范围为暗挖结构拱顶以上2m、拱底以下1m，侧边结构外扩2m。洞内深孔无收缩注浆方式如图5所示。

图5 WSS全断面注浆横断面

2)中导洞中隔墙做完后的临时换撑须及时架设。

3)增加与正线区域夹土层的土体测斜孔布置，车站端须加密布置。中导洞内增加水平位移监测点，盾构通过时须增加监测频率。各项测点布置如图6所示。

图6 监测点布置平面

为了盾构安全如期穿越在建隧道，并且使得变更方案经济合理，通过地层沉降、隧道净空收敛、地层测斜、衬砌应力几方面，对如下4种不同工况进行计算分析。

1)工况1 盾构施工对未修建隧道的影响，分析在暗挖隧道未修建时盾构施工对地层的扰动范围，是否对拟建暗挖隧道位置产生影响。

2)工况2 盾构施工对已完工隧道的影响，分析盾构施工对完工后暗挖隧道的影响规律，如是否需要加固、应加固位置、原加固方案是否合理。

3)工况3 盾构施工对半施工隧道的影响，分析对于未采取注浆加固的在建隧道，盾构施工引起的地层及衬砌结构变形规律。

4)工况4 盾构施工对加固后隧道的影响，分析对于注浆加固后的在建隧道，盾构施工产生的影响是否得到改善，验证拟采用加固方案的可行性。

3 数值模型与计算参数

3.1 数值计算模型建立

根据工程实际，选取公定区间左线接收端45m范围的盾构与出入场隧道作为施工模拟对象。在进行建模分析时，对模型尺寸的选取应充分考虑到盾构影响区域与盾构对出入线隧道扰动的有效影响区域及边界影响，模型尺寸取90m×45m×40m(x×y×z)。为保证计算结果的精确性，对模型进行边界尺寸控制，研究主体盾构隧道与暗挖隧道网格划分尺寸为1m，其余网格划分尺寸为3m，中间土体由1m过渡到2m，中心向四周呈放射状。计算模型如图7，8所示。

图7 模型整体三维网格

图8 盾构与暗挖隧道位置关系

3.2 本构模型与计算参数选取

计算中对地层采用了修正莫尔-库仑本构模型，相较于莫尔-库仑本构模型，更加适用于大型挖掘工程的数值模拟，被广泛应用于松散、胶结的小块颗粒状原子材料与土体及钢筋混凝土结构的剪断和破坏性能分析，依托该工程所在地层特点，符合本构使用要求。

盾壳、管片、注浆层及暗挖支护结构采用弹性结构材料，盾壳、管片、暗挖衬砌分别赋予2D板单元属性。其中，暗挖隧道超前小导管、格栅钢架的模拟，按刚度等效原则折算给喷射混凝土的弹性模量，从而可将暗挖隧道超前支护与喷射混凝土作为初期支护的整体进行研究分析。

根据地质勘察报告，以及当地土层的性质对参数进行适当简化，模型中选取的各项参数如表1所示。

表1 模型计算参数

3.3 隧道施工模拟方案

根据正线区间盾构施工的特点，并考虑暗挖区段盾构施工影响的具体情况，数值模拟计算流程如图9所示。

图9 数值计算流程

4 数值计算与分析

4.1 地表沉降分析

沿隧道轴线方向，盾构近穿在建隧道竖向位移云图如图10所示，地表横向位移曲线如图11所示，可看出，盾构施工会对周围土体产生扰动，引起隧道周围土体产生变形，地层最大沉降发生在隧道轴线正上方，最大值为6.5mm，此时暗挖隧道未采取任何加固措施。通过对几种工况沉降曲线对比发现，盾构隧道偏右侧的沉降槽宽度要大于左侧，说明暗挖隧道施工造成一部分地层损失，同时，工况1，4在隧道施工范围内的地表沉降曲线基本重合一致，说明在左侧暗挖段采取WSS全断面注浆措施后，使得暗挖隧道施工区域地表沉降无异于盾构施工对地表的影响，体现了注浆加固效果的有效性。而工况2盾构对已建成隧道地表的影响，在暗挖左侧隧道正上方沉降曲线出现了拐点，说明暗挖隧道在二衬施作完毕全支护状态下，盾构近穿还是对其产生影响，从侧面更加反映了注浆加固措施对在建暗挖隧道的必要性。

图10 盾构近穿在建隧道竖向位移云图

图11 地表横向位移曲线

结合Peck曲线，对不同工况下的横向位移曲线进行拟合，计算出每种工况对应的沉降槽宽度i和最大沉降值Sv及地层损失体积Vs(见表2)。

表2 不同工况下Peck拟合曲线计算值

由表2可看出，工况4的沉降槽宽度最小，相较于工况3，最大沉降值与地层损失体积也较小，再次说明WSS注浆加固措施的有效性。

4.2 隧道净空收敛分析

选取第2断面XSL2，盾构近穿在建隧道横向位移云图如图12所示，通过对比WSS全断面注浆前后云图，可看出未采取加固措施的左线边洞，盾构并行穿越时对其的横向位移影响范围延伸到了地表，同时由于盾构掘进时对前方地层的顶推作用，导致盾构上方地表沿着相反方向移动，而在采取加固措施后，无论开挖地层还是地表，横向位移影响区域都变小。这说明注浆加固使得盾构开挖对抑制暗挖隧道横向移动起到了一定作用。

图12 盾构近穿在建隧道横向位移云图

隧道断面净空收敛曲线如图13所示，从曲线趋势可看出，开挖1～15步，盾构与暗挖隧道水平净距由远到近，因盾构扰动围岩和顶推共同作用，使隧道净空收敛维持在相对稳定状态；开挖16～19步，盾构掌子面在距开挖断面6m时，在盾构扰动围岩和顶推共同作用下保持平衡，但盾构顶推作用占优，所以产生较大净空扩容；开挖至20步时，盾构刚好通过开挖断面，在盾构扰动围岩和沉降影响区域的作用下，隧道净空扩容速率变大；当盾构离开该断面一段距离直至30步时，隧道净空收敛将逐渐趋于稳定。

图13 隧道断面净空收敛曲线

通过对比几条曲线不难看出，采取加固措施后每阶段的净空收敛值要小于未采取加固措施的净空收敛值，同时对于已建暗挖隧道来说，隧道整体支护已施作完毕，使隧道周围形成较强的围岩强度，在盾构掘进至隧道断面前方5环即开挖第15步，对暗挖隧道开始产生影响，直至隧道断面后方10环即开挖第30步，逐渐趋于稳定。根据此规律，可推断出盾构并行侧穿暗挖隧道的影响范围，以此可提前对所穿越暗挖隧道采取相应的加固预防措施。

4.3 地层测斜分析

由图14可知，盾构出洞过程对周边地层影响范围较大，呈扇形对称向两边扩散，开挖区域两侧受挤压作用，为卸载地层横向土压力，致使盾构正上方地表土层向中间移动。从两种工况云图可看出，WSS注浆加固后的暗挖隧道，横向影响区域范围明显缩小，说明注浆加固措施的可行性。

图14 洞口地层水平方向位移云图

如图15所示，布设在洞口端土体分层水平位移监测点，沿不同深度，土体水平位移变化差异较大，整体呈现水平位移随深度不断增加趋势，并在深度14～15m处水平位移出现最大值，该区域正是盾构隧道埋深区域。对比工况1，3，4的整体倾斜趋势较为稳定，WSS注浆加固有效缓解了盾构开挖导致中间土体的水平位移，再参考工况2的已建隧道，盾构开挖对其的影响主要位于14～18m处，该区域刚好处于暗挖隧道拱腰及仰拱埋深位置，验证了原设计方案采取径向注浆加固的合理性，同时也可为盾构右线隧道出洞对暗挖入场线隧道影响提供参考。

图15 土体沿深度水平位移变化曲线

4.4 应力影响分析

为研究不同隧道间距条件下，盾构开挖对在建暗挖隧道衬砌结构应力状态的影响，分别计算当盾构到达位置相距暗挖隧道1～9m时，暗挖隧道衬砌结构应力分布情况。随着隧道间距的增大，暗挖隧道支护结构受到的最大Mises应力逐渐减小，当隧道间距达到8，9m时，最大Mises应力分别为15 780.6， 13 498.9kPa，与盾构未开挖状态(隧道间距为0)时接近(14 688.3kPa)；而当隧道间距<8m时，最大Mises应力逐渐增大，直至1m时达到最大值17 126kPa，位于中导洞出口段如图16所示。这表明，当隧道间距<8m时，盾构开挖对暗挖隧道结构应力影响较大；当隧道间距>8m时，已基本无影响。

图16 暗挖隧道衬砌应力云图

对不同隧道间距下暗挖隧道结构应力数据进行拟合得到以下关系式：

y=16 893.77+0.49e0.99x

(1)

式中：y为截面上最大Mises应力(kPa) ；x为两条隧道距离(m)。

拟合的相互关系公式如图17所示，总体上可决系数达到0.95以上,表明式(1)能简单预测出隧道间距对暗挖隧道结构最大Mises 应力的影响。

图17 不同隧道间距下暗挖隧道结构应力拟合关系

5 结语

1)通过对地表沉降、净空收敛、地层测斜的几种工况分析，确定WSS全断面注浆有效缓解了盾构施工对在建暗挖隧道的影响，验证了兰州地铁2号线出入线暗挖隧道与主线公定区间盾构隧道并行施工的变更方案和措施可行性，按计划工期实现了盾构左线与暗挖隧道并行段安全出洞。

2)对于盾构近接并行已建暗挖隧道施工，随着盾构的推进，在盾构扰动围岩和顶推作用下，对距开挖断面前方6m位置开始产生影响，离开断面12m位置后渐趋稳定。根据此规律，可提前对所穿越暗挖隧道采取相应的加固预防措施。

3)沿不同深度，对各地层水平位移进行对比分析，随着深度的增大，水平位移值也跟着增大，对于在建暗挖隧道，在盾构埋深区域及暗挖隧道拱腰处达到峰值；对于已建暗挖隧道，在暗挖隧道拱腰与仰拱交叉处达到峰值。结合两者，可为盾构右线隧道出洞对暗挖入场线隧道影响提供参考。

4)随着隧道间距的减小，盾构施工对暗挖隧道的结构应力影响逐渐增大，当隧道间距<8m时，最大Mises应力集中在16 000～17 000kPa，最大值出现在洞口处；当隧道间距>8m时，最大Mises应力和盾构未施工状态近似，影响基本可忽略。

5)由于兰州地区复合砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，卵石层结构松散，且地下水位高、渗透性强，文中未考虑颗粒间的离散作用及渗流影响，将作为后续的研究方向。