肜增湘1,余炳臻2,戴灏卿3,李旋1,罗学东2*,付超2
(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司,湖北武汉430051;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074;3.武汉市市政建设集团有限公司,湖北武汉430023)
摘要：为了研究新建盾构隧道上穿既有隧道引起的地表沉降和隧道变形规律,以武汉轨道交通5号线一期工程施工为背景,利用FLAC3D软件进行了数值模拟,分析了新建左线隧道上跨施工对下卧左线和上跨右线隧道及地表土体变形的影响,并与现场实测结果进行了对比分析。结果表明:新建盾构隧道上穿对既有隧道水平变形的影响较小,需重点关注既有隧道竖向变形和盾构区变形监控工作;随着新建隧道掌子面推进,既有隧道距离掌子面越近处变形速率越大;开挖引起的隧道外地表沉降符合正常开挖沉降规律,即离隧道中心点越近,地表沉降量越大,开挖至中部时地表变形速率较快,接近稳定阶段开挖时地表变形速率较慢;交叠段开挖完成后地表沉降数值模拟结果与实际盾构施工现场地表监测数据之间的误差最大仅为4.32mm,在误差允许范围内。研究结果对同类工程应用具有一定的指导价值,能为类似工况下的工程施工提供参考。
随着城市地下空间开发的不断深入,长江Ⅰ级阶地的复杂地下空间结构逐年增加,交叠结构隧道便是其常见工况之一。城市地铁隧道穿越间距小,相互影响大,其工程施工必然会对近距离既有隧道和周边土体产生扰动,使下卧既有隧道发生纵向变形或地表沉降等危害,严重影响地铁运营安全。因此,以长江Ⅰ级阶地地层为背景,针对新建盾构上穿隧道引起既有隧道的变形和地表沉降规律开展研究,有着非常重大的理论意义和施工应用价值。
目前,针对盾构隧道施工对既有隧道变形和地表沉降的影响,学者们采用数值模拟法、现场监测法、理论解析法、模型试验法开展了研究。随着数值计算软件的发展,数值模拟法被广泛采用。如:王渭明等[1]运用数值模拟方法对不同开挖间距下交叠隧道变形进行了分析,研究了确保极小间距下交叠隧道安全施工的方案;徐良等[2]通过数值模拟方法分析了不同地质条件下开挖对围岩、土体应力场和位移场的变化影响,得出地表沉降曲线与Peck沉降理论曲线吻合较好;包德勇[3]采用三维弹塑性数值计算法,对既有隧道结构受力和位移随新建隧道施工推进的变化规律进行了研究;陈孟乔等[4]对新建隧道近距离穿越既有隧道条件下既有隧道的结构变形提出了控制措施;高书通[5]研究了新建隧道掘进引起的既有隧道管片变形规律,分析了不同注浆措施下管片变形的控制效果。
为了更加准确地验证数值模拟结果的准确性,研究者将数值模拟方法与现场监测法等相结合来研究新建隧道施工对既有隧道变形的影响。如:张自光等[6]通过有限元数值计算方法对地铁隧道近接建筑施工工程影响分区进行了研究,并结合具体案例分析了影响分区的适用性;江华等[7]将有限元模拟与现场监测相结合研究了上跨隧道施工下既有隧道水平和竖向变形规律;Lai等[8]基于FDM(有限差分方法)数值模拟和监测数据,对交角较小的近距离斜交盾构隧道的沉降特性进行了研究;陈培煌[9]通过将数值模拟结果与现场监测结果对比分析得出了上跨隧道对下卧既有隧道的力学影响规律;马文辉等[10]利用数值模拟和现场监测研究了盾构下穿隧道开挖施工参数的取值对既有隧道变形的影响。同时,现场监测法也为隧道变形和地表沉降研究提供了依据。如:韩煊等[11]通过现场监测研究了双线盾构区间隧道施工引起的不同深度处地层沉降规律;蔡伟阳等[12]采用现场监测方法,分析了先下后上穿越施工引起的既有隧道变形规律,并采用三次样条插值法对变形曲线进行拟合,得到了穿越段全长纵向变形曲率;罗鑫等[13]通过数值模拟法计算了基坑开挖时,下卧隧道在非加固条件下和不同加固措施下的变形,并与实际工程监测数据进行了对比,证明了压力注浆+水泥土搅拌桩综合加固对下卧隧道隆起和横断面收敛变形控制效果良好。
理论解析法的运用为相关研究带来了更好的支撑,如:Wang等[14]通过理论解析法对浅埋流变性地层中新老隧道的相互作用引起的地面应力和位移提出了新的解析解;Liu等[15]利用理论解析基于Mindlin法确定了最佳盾构掘进速度与隧道围岩稳定性的关系;俞涛[16]通过模型试验对典型隧道交错方式的研究,提出了相应的盾构隧道近接施工控制措施。
综上所述,交叠隧道变形规律的研究成果较多,且采用的方法多样,然而对于较小间距下的交叠隧道方面的研究成果相对较少。鉴于此,本文基于武汉市轨道交通5号线一期土建工程四标积玉桥站—新生路站区间,针对新建地铁5号线上跨既有地铁2号线形成双线交叠的特殊工况,使用数值模拟法对该过程引起的既有隧道变形规律进行深入研究,分析土体变形规律以及既有隧道受到的影响,为其他类似近接交叠隧道工程提供参考。
1工程概况
本文主要研究对象位于武昌区和平大道地铁5号线与既有2号线的交叠区域,该区域采用盾构法施工,交叠段穿越既有2号线的盾构区间长度约为60m,两区间隧道交叠段平面关系如图1所示,交叠段剖面关系如图2所示。实际施工方案为5号线右线隧道施工完成后再开挖5号线左线隧道,故考虑新建上跨隧道左线对既有下卧隧道和上跨右线隧道的影响。该工程隧道穿越段地层环境条件复杂,区间场地沿线地貌形态为堆积平原区,由长江冲洪积物构成的Ⅰ级阶地。交叠区地层主要位于黏土和粉质黏土层,多呈软塑状,受扰动易发生沉降,施工难度较大。该部位地下水对隧道围岩物理力学性质的影响较小,且周边已做降水处理,故本文不做主要研究。
2数值模型建立
2.1数值模型建立
研究采用FLAC3D软件进行数值模型参数赋值和模拟计算。模型尺寸设置为100m(长)×60m(宽)×70m(高),约束X轴和Y轴方向两侧以及Z轴底部,新建5号线与既有2号线在交叠区的交角大约为25°,最小竖向净距为5.5m。选取5号线的积玉桥站—新生路站区间左线隧道、右线隧道与2号线的江汉路站—积玉桥站区间左线隧道作为研究对象建立数值模型。交叠隧道模型示意图见图3,交叠隧道结构示意图见图4。
模拟开挖过程中,管片厚度为0.35m,模拟盾构的施工长度为60m,开挖模拟总共分为20步,每一步推进3m,每次盾构机推进完成后即加装管片,随后注浆加固,其中注浆压力为0.22MPa,注浆厚度为200mm。盾构施工对隧道影响的核心在于新建隧道、土体、既有隧道三者间的相互作用,盾构掘进过程中周围土体产生扰动,并产生相应的位移场和应力场,土体将产生的位移、应力场传递到既有隧道上,既有隧道结构由于受外力作用产生一定的变形,如既有隧道的竖向变形和水平收敛变化。
2.2盾构掘进模拟
模拟步骤如下:
通过FLAC3D软件对隧道施工过程进行模拟,步骤如下:①建立模型,计算初始应力;②清零初始位移,对地应力进行平衡;③开挖2号线,计算该隧道应力分布,对位移清零;④对5号线盾构开挖,每次开挖3m,边开挖边施作管片与注浆;⑤重复步骤④直到隧道开挖到60m埋深后结束计算。
在模拟过程中,需要将实际盾构机动态的过程转化成施工步中静态的过程。为更准确地模拟盾构机的实际工作状态,采用盾构机掘进一环然后拼装管片最后注浆的模拟过程。完成一环的掘进需要3个静态步骤:首先在设置盾壳先行的同时对注浆层施加掘进压力;接着激活管片,在盾构机推进一环后施加千斤顶力将管片向掘进方向推进一环距离;最后施加注浆压力注浆填充管片与土层间的间隙。
盾构刀盘前方土压力发生变化时,刀盘前方土体内的应力会重新分布,从而引起地表变形,产生隆起或下沉。在实际施工过程中土压力与出土量紧密联系,需要及时得出最合理的土压力及出土量,尽量减小施工过程对土体的扰动,使土体位移量最小。正面土压力的理论设定值计算公式为：
P0=K0(γH+q) (1)
式中:P0为土压力(包括地下水);γ为土体的平均重度;H为隧道中心埋深;q为地面荷载。
上跨隧道时,土仓顶部土压力值根据埋深及土层情况设定为0.08～0.09MPa,在施工中做好监测工作,调整掘进参数到合理值。在盾构穿越隧道过程中控制切口平衡土压力。在推进过程中匀速推进,控制推进速度在20～40mm/min范围内,并保持推进速度、出土速度和注浆量相匹配。
2.3参数选择
为研究新建盾构隧道对既有线路和土体变形的影响,选取该工程隧道交叠段中部前后共60m部分为研究对象。隧道结构使用预制钢筋混凝土管片,隧道管片采用弹性本构模型,其相关物理力学参数见表1。
本模型中穿越土层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,各土层物理力学参数详见表2。数值模型中隧道交叠段掘进压力和注浆压力分别设置为100、220kN/m²。
3数值模拟计算结果分析
3.1新建上穿盾构隧道对既有2号线左线隧道竖向变形影响分析
对新建盾构隧道上穿既有2号线隧道进行模拟时,因两者垂直距离仅为5.5m,新建隧道近距离施工必然对土体造成扰动继而影响既有隧道结构,因此监测既有隧道拱顶变形非常重要。根据数值模拟结果,新建盾构隧道开挖完毕后,可得既有2号线左线隧道竖向变形量,如图5所示。
为进一步研究新建上穿盾构隧道对既有2号线左线隧道拱顶沉降的影响,令新建隧道初始开挖位置为0m,根据既有2号线左线隧道拱顶部位5、15、25、35、45、55m处在盾构施工中的位移情况,得出既有2号线左线隧道拱顶竖向变形量随开挖步变化的曲线图,见图6。
如图6所示,既有2号线左线隧道拱顶各个位置随着盾构推进先后发生沉降变形。距离盾构施工区越近处,拱顶沉降速率越大,远离盾构区域处,拱顶沉降速率逐渐减缓,最终趋于稳定,沉降速率呈现缓-急-缓的变化规律。开挖结束后,最大拱顶竖向变形量为-3.49mm。施工时需注意盾构区域内的变形速率,以便及时在盾构区到达前做好支护工作。
3.2新建上穿盾构隧道对既有2号线左线隧道水平变形影响分析
新建隧道施工必然对既有2号线左线隧道水平方向产生影响,新建隧道开挖完毕后,得到既有2号线左线隧道水平变形量,如图7所示,拱底处最大水平变形量为0.008mm,拱顶处最大水平变形量为-0.035mm。5号线左线盾构区间施工完毕后,下卧既有2号线左线隧道水平变形量主要集中在隧道拱顶左右两侧,两侧基本呈对称状态,均受盾构掘进扰动土体传递的力的影响,最大水平变形量位于接近隧洞洞口处。
本文以既有2号线左线隧道拱顶和拱底处水平变形量为主,探究新建隧道上穿施工对既有隧道水平变形的影响,令新建隧道初始开挖位置为0m,选取既有隧道距新建隧道最近侧和最远侧5、15、25、35、45和55m处的水平变形量情况,分析盾构施工对既有2号线左线隧道水平变形量的影响,既有2号线左线隧道远侧拱底和近侧拱顶水平变形量分别见图8和图9。
由图8可见,既有2号线左线隧道远侧拱底水平变形程度比较平稳,整体上曲线变化先急后缓,6个监测点处水平变形量曲线呈先减后增趋势,拱底最大水平变形量未超过±0.01mm,新建隧道施工对既有隧道影响极小。由图9可以看出,既有隧道拱顶水平收敛变化相比拱底较为明显:①新建隧道上跨前,既有隧道拱顶同样存在可忽略不计的微小水平变形;②新建隧道上跨时,新建隧道推进至接近既有隧道时,既有隧道水平变形速率越来越快,并在新建隧道掌子面推进至既有隧道区域时达到曲线峰值;③新建隧道上跨通过后,盾构机向前推进导致既有隧道近处水平变形量继续增大,而已通过区域既有隧道水平变形量趋于平稳。既有隧道受新建隧道施工影响,拱顶和拱底水平变形量曲线近似“S型”,各曲线峰值点均出现在新建盾构隧道掌子面区域,而后盾构管片注浆减小了土体扰动,隧道近侧拱顶最大水平变形量约为-0.035mm,大于隧道远侧拱底的水平变形量。同时,从图7中可见,既有隧道两侧水平位移同样较小,既有隧道最大水平位移不超过±0.1mm,因此新建隧道掘进过程中对既有隧道水平方向变形量不会产生较大扰动。
3.3新建5号线左线隧道对右线隧道竖向变形影响分析
由于5号线开挖顺序为先右后左,5号线左线隧道的开挖对周围土体的扰动必然对右线隧道产生影响,应对既有5号线隧道右线拱顶变形量进行监测。5号线左线隧道开挖完毕后,得到既有5号线右线隧道竖向变形量,如图10所示,其拱顶最大竖向变形量为-4.66mm,近侧拱腰部位最大竖向变形量为5.32mm。
为了探讨新建5号线左线隧道对既有5号线右线隧道拱顶变形的影响,以交叠起始处为开挖0m位置,记录既有5号线右线隧道5、15、25、35、45和55m6处点位随开挖产生的位移,分析盾构施工对既有5号线右线隧道拱顶竖向变形量的影响,结果见图11。
由图11可见,随着隧道开挖,既有5号线右线隧道拱顶靠近盾构区开始出现沉降,距离盾构区域越近其沉降速率越快,由于开挖的进行,盾构区域逐渐远离,此时拱顶沉降逐渐平稳。
新建5号线左线隧道盾构施工过程中对既有5号线右线隧道的影响随着盾构隧道开挖距离的变化而改变,越靠近新建隧道区域受到的影响越大。既有5号线右线隧道最大竖向变形量的位置更加靠近左侧拱腰部位,而拱顶竖向变形量为-4.66mm。相较于拱顶,近侧靠近新建隧道拱腰处竖向变形量更大,在类似工程中应注意近侧拱腰因掘进产生的竖向变形。
3.4新建5号线左线隧道对右线隧道水平变形影响分析
5号线两隧道为同一埋深隧道,属非交叠隧道,故对右线隧道不考虑拱顶和拱底的水平变形,主要分析右线隧道两侧水平变形量。5号线左线隧道开挖完毕后,得到既有5号线右线隧道水平变形量,如图12所示。隧道近侧最大水平变形量为2.07mm,近侧拱底处最大水平变形量达2.31mm,远侧拱顶处最大水平变形量为0.13mm。
为了探讨新建5号线左线隧道对右线隧道两侧水平变形的影响,以交叠起始处为开挖0m位置,记录右线隧道6处点位随开挖产生的位移。分析新建5号线左线盾构施工对右线隧道近侧拱底和远侧拱顶水平变形量的影响,结果见图13和图14。
对比图13和14可以发现,既有5号线右线隧道远侧拱顶水平变形量较小,最大水平变形量仅0.13mm,既有5号线右线隧道近侧拱底水平变形量远远大于远侧拱顶。由图13可知：开挖前,右侧隧道近侧存在微小的朝向隧内的水平收敛;开挖中,随着开挖步的增加各曲线相继达到峰值点,即新建隧道掌子面区域;开挖后,由于施作管片与注浆导致水平变形量略有减小,最终趋于稳定。
随着新建隧道的开挖,既有5号线右线隧道水平变形量均未超过预警值,对地铁运行中造成的影响相对可控,后续可通过监测下卧隧道地铁动荷载对新建隧道的影响来进一步研究新建隧道的变形规律。
4现场地表监测对比分析
4.1地表监测点布置
参考武汉地铁5号线与2号线交叠区域监测数据,现场沿隧道方向使用精密水准仪在隧道顶部进行拱顶竖向位移的监测,每20m设一个断面,共设156个监测点,在交叠段中部和前端分别设置5组间距为15m的地表监测点,隧道断面和地表土体监测点布置图分别如图15和图16所示。
4.2地表监测结果分析
选取施工过程中接近交叠段中心的DK14+336断面,另选取交叠段前端里程DK14+311断面为研究对象,整合出两断面左线监测点近一个月地表沉降量变化曲线分别如图17和图18所示。
由图17和18得出以下规律:
1)从变形趋势来看,交叠段中部断面与前端断面变形趋势接近,交叠段中部断面在盾构机即将到达时变形较快,前端断面变形较为缓慢,其原因是施工方对交叠段前端加固措施更为严格使之影响不够明显,交叠段前端断面2、3、4号测点变形量基本一致。
2)从变形时间来看,当盾构机到达断面时,地表监测点沉降发生显著变化,但盾构机到达断面大约10d时间后,两断面地表监测点沉降值基本趋于稳定,因此推断从地表监测点开始变化到沉降完成历时15d左右。
选取DK13+311与DK13+336断面中3号监测点,即地表沉降监测点,记录该点从变形开始15d内随时间变化的沉降量数据,如图19所示。
由图19可见,地表沉降点随时间变化呈现为近似一条“S”型曲线,两头变化较为平缓,中间部分较为陡峭。从数值来看,交叠段前端地表沉降量均小于同时期交叠段中部地表沉降量,交叠段前端拱顶最终沉降量为21.10mm,历时15d后沉降量为19.68mm,比较接近最终沉降量;交叠段中部拱顶最终沉降量为23.30mm,历时15d后沉降量为23.6mm,超过最终沉降量,后续继续固结达到最终沉降量。
4.3数值模拟结果与地表监测结果对比分析
通过将数值模拟计算结果与现场地表监测数据进行对比,选取位于交叠段中部的DK14+336断面作为研究对象,将盾构掘进20、40、60m时的地表沉降量模拟值与实测值绘制如图20所示。
由图20可以看出,实际施工时既有隧道上方地表沉降量略大于数值计算结果,其中实测开挖60m与模拟开挖60m的地表沉降量差值最大,其原因是数值模拟仅考虑到土体自重,而路面活荷载、土体固结等因素未考虑,在模拟设计管片注浆参数时均为理想化设计,因此数值模拟与现场监测数据之间存在一定程度的误差。但出现的误差在允许范围内,并未对既有2号线隧道结构产生影响,说明数值模拟过程能有效反映现场施工时的实际情况。
5结论
本文以武汉市新建5号线左线隧道与既有2号线隧道的交叠段工程为研究背景,通过对新建交叠隧道上跨施工情况下地表及既有隧道的变形规律进行研究,得出以下结论:
1)上跨隧道对下卧既有隧道的竖向位移影响主要发生在盾构区内沉降速率加速阶段,需注意盾构区域内的变形速率,及时在盾构区达到前做好支护工作。下卧既有隧道水平变形较小,拱顶最大水平位移为-0.035mm、拱底最大水平位移为0.008mm、隧道最大水平位移集中在拱顶两侧不超过±0.1mm,可见下卧既有隧道水平方向变形影响不大,着重做好下卧既有隧道竖向变形监控即可。
2)既有5号线右线隧道在新建隧道掘进中,隧道两侧呈现向隧内收敛变形,近新建隧道侧水平变形量远大于远侧,但其产生的变形均属于安全范围内,比拱顶沉降量要小,故对后续地铁线路开通后产生的影响可控。
3)随着新建隧道掌子面的推进,既有隧道距离掌子面越近处变形速率越大。既有隧道变形速率呈现前期和后期平缓、中期较大的规律。后续可进一步监测下卧隧道地铁动荷载对新建隧道的影响,研究新建隧道变形规律。
4)新建5号线左线盾构施工引起的附近地表竖向变形符合正常开挖沉降规律,即离隧道中心点越近,地表沉降越大,开挖至中部时地表沉降速率较快,接近稳定阶段时地表沉降速率变化较慢。
5)地表沉降模拟值与实测值相比,最大差值出现在隧道60m开挖完成后,最大误差为4.32mm,此误差量位于允许范围内,对实际工程影响较小,说明数值模拟过程能够有效反映现场施工的地表沉降实际情况。
转载文献来源：中国知网-安全与环境工程
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