薛华坤1，李晓飞1，许万丰2，林本清3
（1.中交一公局厦门工程有限公司，福建厦门361021；2.中交三航局第六工程（厦门）有限公司，福建厦门361006；3.福建理工大学土木工程学院，福建福州350118）
摘要：在地铁隧道施工中，为提高施工效率，双线同步施工法被广泛采用。然而，该施工方法在加速施工进程的同时会增加对土体的扰动，尤其是面对软土地层等复杂多变的地质条件时，扰动更为显著，进而影响施工安全。文章以厦门地铁3号线为研究对象，采用ABAQUS有限元模拟软件，模拟盾构掘进的不同工况（单线掘进、不同掘进间距的双线同步掘进）。通过结合现场监测数据，验证模型的合理性。同时，分析不同工况施工对土体地表横截面的变化以及沿着开挖方向沉降的影响，结果表明：当双线同步掘进间距保持在30 m以上时，地表沉降现象得到有效控制，其影响程度显著降低，处于安全可接受的范围内。相关研究可为其他类似工程施工提供参考和借鉴。
1研究背景
随着地铁工程在各城市中不断建设与发展，各种复杂土层问题也随之不断涌现，例如在软土地区盾构施工中可能出现管片错台[1]、管片环失稳坍塌[2]、黏土地层盾构开挖面失稳[3]、软土地区管片上浮[4]等问题。因此，需要对软土及上软下硬土层在盾构掘进过程中引起的地表沉降问题进行深入研究。针对复杂土层盾构施工问题，何华飞等[5]以济南地铁R2左线工程为例，采用机器学习技术，对复合地层条件下盾构施工过程中的复杂掘进参数进行研究。张秋彬等[6]以苏州市轨道交通6号线工程为例，结合现场监测数据进行分析，提出富水粉砂层地质下盾构掘进建议参数值。张海[7]以苏州市轨道交通5号线和2号线工程为例，研究在富水软土地质条件下，盾构机近距离始发下穿既有线路所面临的风险及相关应对措施，为安全施工提供技术参考。
在双线同步盾构施工问题方面，林志等[8]采用MSC.MARC有限元软件，并基于Drucker-Prager本构模型，总结了隧道间距、地层损失率对重叠隧道相互影响的规律。吴峰波等[9]则针对不同地层区域的沉降槽，通过Peck公式拟合参数进行统计分析，得出地层损失率和宽度参数的分布形态。杨均[10]采用FLAC3D有限差分软件进行三维建模，研究施工参数对软土地层变形的影响。
本文以厦门地铁3号线工程为背景，运用ABAQUS建立精细的有限元模型，模拟隧道单线开挖与双线保持不同间距（6m、18m、30m、42m、54m、66m、78m、90m）的同步开挖施工全过程。通过分析双线同步施工对地表沉降的影响并将其与单线开挖结果进行对比，得出盾构双线施工安全间距的关键结论，以期为盾构双线施工提供参考和借鉴。技术路线如图1所示。
2工程概况
2.1工程简介
以厦门地铁3号线双沪站—空港经济区站区间为研究对象，该区间位于厦门市翔安区大嶝岛内，线路起于双沪站，沿机场大道西南侧向机场方向布置，在穿越规划水系后，通过路基段过渡进入地下明挖段。进入盾构段后，线路转向北方，横穿机场大道并切换至机场大道北侧敷设，最终接入空港经济区站。盾构区间左右线总长分别为2 283.042m和2 305.795m，线间距范围为11.25～16.9m，隧道埋深范围为7.7～18m。
该盾构隧道为圆形，由预制管片拼装而成。隧道结构内径为5500mm，外径为6200mm，结构厚度为350mm，每块管片的宽度为1200mm。每个衬砌环由封顶块K、邻接块B以及标准块A组成，采用错缝拼装方式，衬砌环采用通用楔形环，楔形量为4mm。管片与管片之间通过16根M30纵向弯螺栓连接，块与块之间则通过12根M30环向弯螺栓连接。管片采用C50高强度混凝土，其抗渗等级为P10。
2.2地质概况
该工程所在位置地势相对平缓，在盾构隧道穿越的区段内主要涉及以下土层：吹填淤泥混砂、淤泥质砂、残积砂质黏性土以及全风化花岗岩。
3数值模拟
3.1基本假定
在进行数值模拟时，设置基本假定如下。
（1）管片拼装为错缝拼接，不考虑管片错缝拼装及管片接头的影响。
（2）注浆层完全填满土体与管片空隙，无体积损失，为一个连续均匀的弹性环片。
（3）模拟不考虑水系渗流问题。
（4）不考虑土体的构造应力。
3.2模型建立
使用有限元软件ABAQUS进行模拟计算时，依据实际工程情况建立模型。选择盾构机穿越残积砂质黏性土的区域作为盾构穿越地层，即3号线300～400环范围，模型长度为120m。该区域内的土层自上而下分别为吹填淤泥混砂、淤泥质砂、残积砂质黏性土和全风化花岗岩。考虑到模型涵盖从土层到岩层的范围约30m，而盾构区域位于两者之间的中间土层，故模型高度定为30m。为准确模拟盾构开挖过程，确保盾构区域土体能够充分变形，模型宽度定为100m。
为减小计算误差，同时模拟最不利工况，对土层分布进行平滑处理。根据3号线工程实际断面情况，在建模时划分土层自上而下为5m厚吹填淤泥混砂层、19m厚残积砂质黏性土层及6 m厚全风化花岗岩层。管线尺寸参考实际工程情况，两侧线路管片圆心至土体表面距离为12.5m，管片圆心之间距离为13m。
综上所述，模型设计总长度为120m，等同于实际工程中100个环的长度。横截面尺寸为30m×100m。管片内径为5.5m，外径为6.2m，结构厚度为0.35m。在管片和土体之间设置外径为6.3m、厚度为0.05m的注浆层，详细尺寸如图2所示。
3.3材料属性及边界
土体部分采用实体单元进行模拟，采用MohrCoulomb本构模型来描述土体材料属性，土体参数依据现场工程地质勘探所得数据设置，如表1所示。盾构管片和注浆层采用实体单元进行模拟，而盾壳则采用板单元进行模拟，这些构件均基于线弹性本构进行定义，具体的材料参数如表2所示。
有限元模型上表面为地表自由面（未设定约束），侧面施加水平约束，底部设置为铰接，具体示意如图3所示。模型的网格划分采用自动划分的六面体网格。
3.4加载方案
本研究所采用的模型加载方案使用ABAQUS自带的“Geo-static”（地应力）和“Static,General”（静力通用）分析步骤。加载方案主要包括地应力平衡、掌子面力施加以及注浆压力施加3个方面。
地应力平衡是岩土开挖模拟的关键步骤。为准确模拟地层的情况，在初始分析步的基础上建立地应力分析步，从而得出土体的初始应力场。当地应力平衡完成后，土体的位移最大值会达到10-6量级，趋近于零，这一微小位移的观测结果验证了模型内的应力分布已达到与实际地层相近的稳定状态。
在地应力平衡完成后，采用ABAQUS软件相互作用模块中的“生死单元”功能，来逐步模拟盾构隧道的分步开挖过程。具体的步骤如下：①在土体上施加掌子面力；②钝化该环土体；③激活盾壳；④在下一环土体施加掌子面力；⑤钝化该环土体和上一环盾壳；⑥激活上一环管片及注浆层，施加注浆压力。以上步骤会循环进行，直至整个开挖过程结束。根据以上步骤，模型以6m/次（实际施工过程中5环）的长度进行掘进。为模拟土体被不断开挖、管片和注浆层不断安装的过程，预设左侧管片和左侧盾壳并在接触区域设置绑定的接触关系（包括土体与注浆层、注浆层与管片之间）。根据实际的施工荷载，设计掌子面压力为500kPa，注浆压力为200kPa。
3.5模拟工况
本研究对2种工况进行数值模拟，具体如下。
（1）工况1：在该工况下，模型按照6m/次的方式进行开挖，而开挖线路仅限于右线单独开挖。
（2）工况2：在该工况下，模型同样按照6m/次的方式进行开挖，但是右线会先行开挖。当右线开挖到一定距离（6m、18m、30m、42m、54m、66m、78m、90m）时，左线开始开挖。之后，双线保持一定的间距并同步进行开挖。
4结果分析
4.1工况1
工况1条件下，各阶段土体竖向位移的云图如图4所示。由图可知，在开挖阶段的初始阶段，土体出现明显的沉降。出现这种现象主要有2个原因：①边界条件的存在导致模型中应力的集中；②盾壳部分的重量较大，超过了管片和注浆层的重量。总体而言，从开挖初期到开挖结束，土体结构呈现出先下沉后回升的过程。这是因为随着地铁线路的逐步开挖，盾壳持续推进，远离盾壳的线路部分由管片和盾壳共同承载的状态逐渐转变为只由管片独立承载的状态，从而引发了土体的回弹现象。虽然土体可能发生回弹，但整体仍处于下沉状态中。
工况1条件下，隧道地表沉降如图5所示。由图可知，隧道地表沉降变化趋势与整体土体沉降的变化趋势一致。随着盾壳的持续推进，土体经历了先下沉后回弹的现象，尽管如此，整体上土体仍保持下沉状态。此外，在整个开挖过程中，最大位移达到了18.18mm，而在最终稳定状态下，土体的最大位移为10.08mm。
同时，根据GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]的相关标准，可以判定该工程的监测等级为二级。此外，根据TB10181-2017《铁路隧道盾构法技术规程》[12]的相关规定，可以得出3号线在地表最大沉降允许取值为35mm，而地表最大隆起允许取值为10mm。
为进一步验证单线开挖对土体沉降的影响，以距离初始开挖面60m处断面为例，通过观察工况1中不同开挖阶段的沉降变化来分析土体的沉降规律。从距离初始开挖面60m处的断面位移云图（图6）可以得出以下规律：随着盾壳靠近该断面，土体的沉降量逐渐增大；当盾壳远离该断面时，断面土体开始回弹，沉降量逐渐减小。该现象的产生是由于盾壳的质量较大，而后续布置的管片相对较轻，故而出现土体先沉降后回弹的情况。
距离初始开挖面60m处的地表沉降如图7所示。由图可知，开挖线路上方土体沉降最为明显，沉降量向两侧逐渐减小，影响区域大约为40～50m，这与蔡佳愿等[13]得出的结论近似；同时，该断面土体竖向位移大体上沿隧道中心呈现正态分布，符合Peck公式[14]预测土体位移分布规律。
工况1隧道不同掘进距离地表位移如图8所示。由图可知，隧道在初始开挖位置地表沉降值最大，为26.56mm，一方面由于土体较软而盾构机重，另一方面由于边界条件所限制，造成位移偏大。随着掘进距离的增大，初始开挖位置地表沉降量开始回弹，当盾构机继续开挖36m后，数值趋于稳定，表明盾构机影响区域大致为30～40m。
4.2工况2
对工况2中保持左线、右线横向间距不变，不同开挖间距（6m、18m、30m、42m、54m、66m、78m、90m）进行与工况1同尺度的建模分析，其中选取与实际工况相符的工况2中掘进间距为30m，右线掘进114m，左线掘进84m模型进行对比分析。模拟数据与现场右线84m位置监测点实测数据对比如图9所示，各阶段竖向位移云图如图10所示，距离初始开挖面60m处断面竖向位移云图如图11所示，距离初始开挖面60m处地表沉降如图12所示。
由图9可知，实测沉降最大值与模拟沉降最大值均出现在隧道中轴线位置处，且随着远离中轴线不断减小，可以看出模拟值与实测值基本相同，但边缘位置实测值波动略大，可能存在一定的施工扰动，对比结果可以验证数值模拟的合理性。
对比图4与图10可知，当左、右线保持掘进间距30m同步开挖时，相同位置的沉降量进一步增大，这表明双线同步掘进对土体的扰动增大。随着两侧掘进距离的增大，土体开挖末端边界处出现一定程度的隆起，这是由于边界条件限制，土体受双线扰动引起的变形无法释放，从而产生隆起。土体整体沉降值均位于-35～10mm区间，满足相关规范要求[12]。
对比图6与图11可知，在左、右线保持30 m掘进间距并实施同步开挖的工况下，随着盾构掘进作业的持续推进，双线同步掘进对隧道上方土体的竖向位移影响显著，特别是当左线开挖逐渐接近所截取面（距离初始开挖面60m处）时，这种现象越明显，表明双线同步开挖会增大土体的扰动范围，但从数值上看，扰动影响不大。
对比图7与图12可知，当左、右线保持掘进间距30m同步开挖时，随着掘进距离的增大，土体沉降呈先增大后减小的趋势，距离初始开挖面60m处断面距离盾构机近，沉降增大，距离盾构机远，沉降减小；同时，双线同步开挖对最大沉降值无影响，但会增大影响沉降区域，沉降回弹时会偏向双线隧道中轴线处。
右线掘进完成时，双线在不同掘进间距下，位于距离初始开挖面90 m断面处的土体地表沉降曲线如图13所示。由图可知，与工况1单线开挖相比，当双线同步掘进间距超过30m时，地表沉降几乎未受到影响；但当双线同步掘进间距缩小至30m时，地表沉降影响显著，其地表沉降数值明显增大，且在掘进间距为18m时沉降明显，表明此间距下的双线同步掘进对地表产生了更为强烈的扰动效应；而当掘进间距缩减至6m时，此时沉降曲线发生变化，呈现出“W”形曲线趋势[15]。
不同掘进间距下，右线隧道地表沉降随右线掘进的变化曲线如图14所示。由图可知，与工况1单线开挖相比，当双线同步掘进间距超过18m时，对地表沉降基本无影响，且沉降规律基本一致。而当掘进间距缩减至6m时，对土体沉降的影响明显，但整体上沉降幅度较小，不影响施工安全。
5结论
本研究使用ABAQUS有限元软件，模拟2种不同施工条件以分析隧道掘进间距对地表沉降的影响。研究得出以下结论。
（1）模拟结果与实际监测结果基本一致，验证了所采用的模拟方法的适用性，可以用来总结和分析隧道开挖引起的地表沉降规律。
（2）地表沉降在隧道开挖线路上方最为显著，沉降量逐渐减小至两侧，影响区域约为40～50m，地表沉降在隧道中心呈正态分布。
（3）初始开挖位置的地表沉降最大，在掘进距离逐渐增大后，该位置的地表沉降量开始回升。随着盾构机继续掘进36m后，数值稳定，显示盾构机的影响范围约为30～40m。
（4）当双线同步掘进间距大于30m时，对隧道中心正上方所产生的沉降影响微小，可为类似地下工程的同步施工安全距离提供参考。
转载文献来源：中国知网-现代城市轨道交通
