姚懿煊1刘永超1，2武岳3江红4张闯1李雨3
摘要：为研究软土地区交叠盾构隧道在不同施工顺序下对地层的影响，本研究模拟了六组盾构法上下交叠盾构隧道施工模型，对比了粉土、粉砂、粉质黏土三种典型天津软土的土质情况，并分别分析了在三种土质条件下，“先上后下”和“先下后上”两种施工方法引起的地层变形情况，结合工程中先建隧道的现场监测数据，得出如下规律：相同土层中“先下后上”顺序施工在隧道上部的地层位移均小于“先上后下”顺序施工，但隧道下部深层土体的位移均大于“先上后下”顺序施工；当需要控制夹层土体的竖向位移时，可以在深厚粉土层或粉砂层中选择“先上后下”顺序施工，在深厚粉质黏土层中选择“先下后上”顺序施工。
随着城市化进程的加快，盾构施工在有限空间内建设所呈现的问题愈加多元化。由于既有结构及地下各类管线的限制，上下交叠的隧道工程愈发常见。崔蓬勃等[1]对比分析了“先上后下”及“先下后上”两种施工顺序下的地层变形。Zhang Z.等[2]分析了土压平衡式盾构在交叠隧道施工中不同施工顺序下先建隧道的变形，说明了多线掘进时盾构施工参数的设置方法。史天龙等[3]使用有限元软件单因素对比了交叠隧道间净距和土体参数对不同施工顺序下先建盾构隧道的变形影响。Rahim A.E.等[4]、Yang J.等[5]采用数值模拟与模型实验，并考虑开挖速度影响，对先建隧道结构的竖向位移和内力进行了监测和分析。郭晨[6]、吕奇峰等[7]对深圳市一交叠盾构隧道区间进行三维数值模拟，分析了后建隧道施工的二次扰动对先建隧道围岩的位移和应力，以及衬砌管片的环向轴力影响。谢雄耀等[8]设计了4组常重力模型试验，通过监测先建隧道的位移及内力，验证了先建隧道附加内力的临时性和波动性。对于交叠盾构隧道的二次扰动影响区的划分问题，已有较多学者对此进行了研究，根据后建隧道掘进对地表沉降的影响范围和对先建隧道的围岩位移影响来看，“先下后上”施工顺序下的影响范围比“先上后下”施工顺序下的影响范围小0.5D（D为隧道外径）。综上，对上下交叠盾构隧道对地层影响的研究大多是讨论交叠隧道在不同施工顺序下的地表横向沉降槽，对盾构施工产生的地层纵向沉降研究还不够充分。本文以天津市河西区一双洞单线交叠盾构隧道的工程为例，通过有限元模拟并结合监测数据，分析在粉土、粉质黏土、粉砂三种典型天津软土的单一土质情况下，采用不同施工顺序进行施工时对地层的影响。
1工程概况
天津地铁10号线某区间位于河西区，区间线路自大里程端出发，出站后逐渐转为左下右上重叠形式，10号线盾构隧道外径为6.2m，内径为5.5m，管片采用C50混凝土，厚度为0.35m，环宽1.5m。隧道采用土压平衡盾构机开挖，左线施工完成后再进行右线施工，单线共953环。左、右线拱顶埋深分别为20.4m、7.4m，隧道间净距为6.8m。沿线既有地下结构密布，道路两侧建筑物密集，施工难度较大。
2交叠盾构施工有限元模拟
天津软土工程地质条件差，往往存在大量淤泥质的、富水的软弱地层，而土质条件的差异对于盾构法隧道施工可能造成较大影响，盾构施工往往会根据设计隧道埋深的需要穿越不同的土层，在实际工程中盾构隧道施工引起位移的变化往往是不同土层共同作用的结果。如果可以建立不同的单一土质条件下盾构法交叠隧道且施工顺序不同的模型，对比仅由于土质差异造成的最终的位移差异，就能得出不同土层、不同施工顺序下盾构法交叠隧道施工对周围环境的影响规律。
2.1有限元模拟
采用Plaxis 3D软件模拟，建立单一土层中“先上后下”和“先下后上”两种不同施工顺序的上下交叠盾构隧道模型，土体本构模型选用HSS模型。盾构掘进X方向长45m；因盾构模型关于X轴对称，故选取左侧一半进行建模，为消除边界效应，Y方向盾构中线一侧长30m，Z方向深50m，地下水位设为-1m，计算域内盾构共30环，模型底部施加固定约束，侧面施加法向约束。计算模型建立如图1所示，采用空间4节点单元，共划分为62884个单元，96876个节点。
张宗俊[9]指出不排水模型下施工引起的负超孔压会使土体有效应力变大，这会导致土体及隧道更难产生隆沉变形，使计算结果与实际工程不符，故本文土体全部选用排水模型。如表1所示，土体参数通过地勘报告并结合相关文献[10，11]获得。
2.2材料参数选取
盾构机、衬砌管片采用板单元模拟，注浆体采用实体单元模拟，考虑到装配式衬砌导致的刚度折减，本文采用相关文献[12]的折减系数，将衬砌刚度折减15%；注浆体材料随时间变化逐渐硬化，将注浆体硬化过程中弹性模量设置为3种状态：初期0.5MPa、中期1.5MPa、稳定期15MPa。结构材料的物理力学参数选取如表2所示。
2.3模型计算步骤
模拟掘进过程如表3所示，既有相关文献[13]证明，在模拟盾构施工时，开挖步长的大小对计算结果的影响较小，故本章选用开挖步长为每步3环，即每步4.5m，单线从开始施工至盾尾脱出及注浆材料硬化共19步。
2.4数值计算结果
2.4.1地层影响分析
分别读取单线隧道施工完成后，掘进方向中部第15环处地表及埋深4.3m（上洞隧道中心轴线上方1D深度）、17m（交叠隧道中点深度）、29.7m（下洞隧道中心轴线下方1D深度）、35.9m（下洞隧道中心轴线下方2D深度）共五个深度的土体竖向位移。图2、图3分别为交叠隧道中点4.3m、17m埋深处的土体竖向位移。
可以看出，交叠隧道上方的土体竖向位移受施工影响呈现的规律性较强，相同土层中“先下后上”的施工顺序对土体竖向位移的影响均小于“先上后下”的施工顺序，分析其原因为下洞施工完成后，上洞位于下洞施工引起的主沉降槽内，该部分土体在下洞施工期间受到扰动后压缩固结，在上洞施工期间进一步压缩变形较原地层小。相同土层中，“先下后上”施工时隧道上方的土体沉降较“先上后下”施工的减小比例由大到小依次为粉质黏土、粉土、粉砂；相同施工顺序下，隧道上方土体沉降由大到小依次为粉砂、粉土、粉质黏土。
夹层土体的竖向位移呈现出的规律性较差，“先下后上”顺序施工隧道施工时，会使原本因下洞盾构而沉降的土体产生隆起；而“先上后下”顺序施工隧道施工时，会使原本因上洞盾构而隆起的土体产生沉降。当为深厚粉土、粉砂层时，交叠隧道施工顺序选择先施工上线夹层土体竖向位移更小；当为深厚粉质黏土层时，选择先施工下线夹层土体竖向位移更小。
下洞隧道中心轴线下方1D（29.7m）、2D（35.9m）深度处的土体竖向位移如图4、图5所示。
可以看出，交叠隧道下方的土体竖向位移受施工影响呈现的规律性较强，相同土层中“先下后上”的施工顺序的影响大于“先上后下”施工。“先下后上”的施工顺序时隧道下方土体隆起由大到小为粉质黏土、粉土、粉砂；“先上后下”的施工顺序时隧道下方土体隆起由大到小则略有不同，依次为粉质黏土、粉砂、粉土。在单一粉砂层中，两种施工顺序下，深层土体的竖向位移相差不大，这就可以指导交叠隧道施工之前的埋深选择，当遇到较为深厚的粉砂层时，尽量让隧道从粉砂层以上通过，并且选择“先下后上”的施工顺序，使浅层土体的沉降较小以满足施工要求。
2.4.2先建隧道变形
先建隧道在双线施工完成后，会朝向后建隧道方向移动一定的距离（见图6）。将各土层中不同施工顺序下先建隧道中部第15环处的衬砌管片水平、竖向收敛放大200倍，并与无变形的衬砌管片半圆进行对比（见图7、图8）。
当采用“先上后下”施工时，粉砂中的上洞先建隧道因土体压缩模量最大，其衬砌结构向下的位移也最大，隧道轴线向下7.38mm；粉土中的上洞先建隧道因土体压缩模量与粉砂相比较小，隧道轴线向下3.66mm；粉质黏土因拱底土体的隆起较大，与拱顶土体的沉降相互抵消，管片结构的隆沉位移较小，值为0.30mm。粉砂中管片结构净空收敛最大，粉土中管片结构净空收敛最小。当采用“先下后上”施工时，先建隧道衬砌结构的变形与“先上后下”施工不同，当土体压缩模量较大时，浅层土体在上洞施工期间引起的第二次压缩变形较小，仍呈现为沉降，如粉砂；当土体压缩模量较小时，浅层土体受下洞施工产生的沉降较小，上洞施工完成后，拱底土体的隆起较大，如粉土、粉质黏土。粉砂中的下洞先建隧道衬砌结构产生向下的位移，隧道轴线向下1.16mm；粉土中的下洞先建隧道轴线向上0.17mm，整体位移较小；粉质黏土因土体压缩模量最小，拱底土体的隆起较大，两次盾构开挖卸荷叠加，管片结构的隆起位移较大，值为6.56mm。粉质黏土中管片结构净空收敛最大；粉砂中管片结构净空收敛最小，拱底处无竖向位移。
2.5下洞隧道监测分析
通过对盾构隧道横向地表沉降槽、下洞隧道收敛的连续监测，对数值模拟的准确性进行验证。当双线掘进完成时，下洞左线隧道500~660环的竖向位移的现场监测如图9所示。实际工程中，上洞隧道主要穿越粉土层，夹薄层粉质黏土或与粉砂互层；下洞隧道主要穿越粉砂及粉质黏土层，中点以上多为粉质黏土夹薄层粉土，中点以下多为粉砂层与夹薄层粉土。
可以看出，监测值的变化规律较符合单一土层中的计算值，拱底监测值和计算值最大误差都在580环处，监测值为3.3mm，拱顶监测值和计算值最大误差在560环处，监测值为-2.7mm。监测值差异较大的原因为监测间隔为10环，即15m，场地土层有变化，下洞隧道的中心轴线深度以上多为粉质黏土，以下多为粉砂，故拱顶竖向位移符合单一粉质黏土层的计算值，拱底的竖向位移符合单一粉砂层的计算值。如图9所示，500~660环拱顶的竖向位移值在-2.7~1.2mm，拱底的竖向位移值在-1.5~3.3mm。双线掘进完成时的下洞净空收敛的现场监测如图10所示。因模型建立时选用了对称分析，故采用上文中隧道水平收敛的2倍，净空收敛最大处位于560环处，其值为4mm。
3结论
本文采用数值分析方法计算了六组盾构法上下交叠盾构隧道模型，对比了三种典型软土地层及“先上后下”和“先下后上”两种施工方法引起的地层及先建隧道变形情况，并结合工程中先建隧道的现场监测数据，得出如下规律：
（1）在三种单一典型软土层中，盾构法交叠隧道施工结束后，对于隧道上部的地层沉降，相同土层中“先下后上”的施工顺序的影响均小于“先上后下”施工；相同施工顺序下，隧道上方土体沉降由大到小为粉砂＞粉土＞粉质黏土。对于隧道下方的地层沉降，“先下后上”的施工影响大于“先上后下”施工；“先下后上”的施工顺序时土体隆起由大到小为粉质黏土＞粉土＞粉砂；“先上后下”的施工顺序时土体隆起由大到小为粉质黏土＞粉砂＞粉土。
（2）在三种单一典型软土层中，不同的施工顺序会使夹层土体的隆沉发生改变，因土体压缩模量的差异，夹层土体隆沉量较小的工况有粉土层中“先上后下”顺序施工、粉砂层中“先上后下”顺序施工及粉质黏土层中“先下后上”顺序施工。
（3）在三种单一典型软土层中，“先上后下”的顺序施工结束后，上洞先建隧道衬砌结构向下的位移由大到小为粉砂＞粉土＞粉质黏土，衬砌结构的净空收敛由大到小为粉砂＞粉质黏土＞粉土。“先下后上”的施工结束后，下洞先建隧道在粉砂中向下位移，而向上位移粉质黏土＞粉土。下洞先建隧道衬砌结构的净空收敛由大到小为粉质黏土＞粉土＞粉砂。
转载文献来源：中国知网-建筑技术·应用
