盾構下穿施工對既有城市道路沉降影響研究

南 鈺，嚴 中，陳 凱，翟朝嬌

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041；3.中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011）

在城市化進程的加速推動下，地面交通已不能滿足人們日常出行需要，因此在大中型城市建設地下軌道顯得至關重要[1]。由于大中型城市地鐵線路密度大，且市區范圍內公路、鐵路及管道分布密集，在復雜地質條件以及日漸增加的地下空間利用率下合理施工成為我們研究的關鍵。

盾構下穿對既有結構影響的研究近年來已經取得了不小的成就，并且指導了多個相關工程案例順利實施。20 世紀60 年代，Peck[2]研究得出，地面以U 型槽形式發生沉降，基于對大量數據的分析，提出了Peck 公式。甘曉露等[3]利用Pasternak 彈性地基梁模型和 Loganathan-Polous 解，證明了隧道間距變化會引起地表沉降和隧道彎矩變化。王忠凱等[4]在運用應力路徑法預測地表變形的基礎上，結合隧道間距和沉降的關系，證明了應力路徑法的特殊性。杜明芳等[5]基于洛陽市軌道交通2號線的現場監測數據，對大粒徑卵石地層中盾構開挖對上部道路沉降影響規律進行研究。宋衛東等[6]通過建立三維數值模型，揭示了在盾構開挖過程中，土體的豎向和橫向位移都會由于擠壓作用而產生變化，且開挖面附近最為劇烈。趙麗雅等[7]研究并總結了鐵路軌道走向與地表沉降變化之間的關系，并得出可以通過增大注漿體彈性模量的方式來減小地表變形。

以上研究主要論證隧道間距，隧道所處地層性質以及隧道周圍注漿條件等因素對道路沉降的影響，但目前涉及作為主要影響因素的隧道埋深和開挖距離的研究還不充分，為此，本文將針對這兩種因素下的各類工況，基于數值分析的方法，揭示盾構下穿施工時城市道路的沉降規律，以期為國內類似工程案例提供參考和借鑒。

1 工程概況

以合肥市軌道交通四號線天水路站—翠柏路站盾構區間工程為依托，區間分別經過合肥東編組站及其北側空地、規劃銅陵北路到達翠柏路站。盾構隧道內徑為Φ5 400 mm，管片厚度為300 mm，寬度為1 500 mm，管片混凝土為C50P10。共觀測到兩層地下水，地下水類型為上層滯水、基巖裂隙水。盾構區間標準斷面及土層物理力學性質參數如圖1 和表1 所示。

表1 土層物理力學性質參數

圖1 盾構區間標準斷面圖

2 有限元模型建立

2.1 計算模型建立

本模型各參數確立擬依據現場施工情況。為了滿足隧道開挖的邊界條件，依據圣維南原理，在隧道周邊填充的邊界應不小于隧道外徑的三倍且不大于隧道外徑的五倍[8]。為了盡量減小邊界效應的影響，本模型長度取10D=60 m（左右邊界各取4.5D），寬度取5D=30 m，總高度取7D+0.8 m=42.8 m（上下邊界各取3D）。本模型最上部為一層厚度0.8 m 的路基，路基下為四種不同性質的土層，自上而下分別為雜填土、黏土、粉質黏土、全風化泥質砂巖，厚度依次為3 m、3 m、26 m、10 m。隧道拱頂至地表距離為12 m，隧道間距為12 m。按照上文對模型的描述，建立如圖2 和圖3 的模型。

圖2 道路與隧道相對位置圖

圖3 注漿環視圖

模型有32 125 個單元，150 831 個節點。其中土層和路基采用修正-摩爾庫倫本構關系，管片、盾殼等均視為線彈性本構模型[9]。施工過程中依次采用改變屬性功能將注漿層原先為土體的地方更改為注漿材料屬性。前、后、左、右四個邊界面采用法向約束，模型最下層施加縱向位移約束以起到約束土層不橫向變形的作用[10]。各材料物理力學性能參數（參考現場施工報告和資料）如表2所示。

表2 各材料物理力學性能參數

2.2 施工過程模擬

本模型全長30 m，每次開挖一環管片襯砌，寬度為1.5 m，且左線先行。開挖過程中盾構外殼先行，注漿和開挖區域同時鈍化，并激活作用在下一開挖面上的掌子面壓力。在此基礎上，每條線開挖從第二步開始，都要依次激活管片、千斤頂力和注漿壓力，并且將原注漿區域的參數轉化為注漿材料，同時鈍化前一階段的盾構外殼和千斤頂力。

2.3 計算工況

為了研究隧道在不同埋深以及開挖不同距離時，盾構施工對既有城市道路沉降變形影響，擬采用不同工況進行分析，不同埋深的工況（保持隧道間距恒定，埋深取1.5D～3.5D 范圍內偶數值）如表3 所示。

表3 計算工況

同時，固定隧道埋深和間距均為12 m 時，按照先開挖左線的順序，每開挖7.5 m 設置一個工況，直至全線貫通。

2.4 模型驗證

通過實測及模擬數據的對比，驗證了模型的正確可行性，對比結果如圖4 和圖5 所示。由圖可知，不論是在左線貫通還是全線貫通時，所得到的規律曲線都是保持相同的形態（左線“單谷”，全線“雙谷”），且左線貫通的最大沉降差不超過2 mm，全線貫通的最大沉降差不超過3 mm，均不超過實測沉降最大值的30%[11]。這是由于實際施工中土體參數和施工方式的各項差異導致，在合理范圍內。因此，本數值分析模型基本符合實際施工情況。

圖4 左線貫通時Y=0 斷面處路基沉降曲線

圖5 雙線貫通時Y=0 斷面處路基沉降曲線

3 計算結果分析

3.1 隧道開挖距離的影響研究

為有效控制施工過程中隧道上方土層的變形，在隧道埋深為12 m、間距為12 m 的條件下，研究不同開挖距離與路基沉降之間的規律。通過分析不同工況下路基的沉降數值，可以得到如圖6 所示的沉降值對比圖以及路基沉降結果匯總表4。

表4 路基沉降結果匯總表

圖6 不同開挖距離下的路基沉降對比圖

通過研究表中數據變化可知，當左線開挖到第五環也就是7.5 m 處時，左線隧道上方的路基部分已經出現了顯著的沉降，量值為4.13 mm；開挖不斷加強土層擾動，從7.5 m 到15 m 的過程中擾動最強，從4.13 mm 突增至6.80 mm，沉降量差值超過了2 mm，而此后每一步最大沉降差值都不超過0.6 mm。這說明隧道在初始開挖階段對上部土體變形的影響要大于開挖深入階段，原因是隨著管片的拼裝，注漿總壓力增大，注漿部分的漿液也逐漸凝結，從而限制了上部土體的下沉。

由圖6 可知，隨著左線開挖完成，路基最大沉降的位置仍然在左線隧道中心線處，但右線隧道上方土體也開始出現少量沉降。并且隨著左線貫通，右線隧道開挖，路基沉降的最大值逐漸向雙線隧道中心線方向移動，沉降值由兩側隧道向雙線隧道中心線處減小，這是由于雙線隧道開挖過程中，左右隧道之間的土體可能會產生垂直地面向上的擠壓作用。并且左線隧道上部的土體始終保持著一定的下沉速率，這說明隧道開挖并非是各自獨立的。

3.2 隧道不同埋深的影響研究

周圍土體會因為開挖的推進而受到擾動，從而產生地層損失，而這種損失傳遞到地表則產生了沉降?，F將隧道埋深依次取為10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m，并將工況一至六依次添加進模型計算，分別得到各工況下的路基沉降對比圖，如下圖7 和8 所示。

圖7 左線貫通時六種工況下路基沉降值對比圖

如圖7 所示，當左線全部貫通之后，沉降最大值出現在左線隧道中心處。隧道對上部路基沉降的影響隨著埋深的增大越來越小，曲線峰值不斷減小，從7.08 mm 減小到2.68 mm，并且發現沿X 軸正方向距離左線中心線左側最遠處的沉降量始終大于距離左線中心線右側最遠處的沉降量，這說明離盾構隧道越近的土層受到施工的影響越大。

從圖8 看出，全線貫通時，當隧道埋深較淺，沉降曲線呈現“雙谷”的形式[12]，并且“谷底”始終分布在左右線隧道中心處。同時隨著埋深的增大（從10 m 增加到20 m），“谷峰”逐漸平緩，沉降槽逐漸增大，說明盾構施工對土層的影響逐漸減小。當埋深達到14 m 時，曲線又重新恢復為“單谷”形式。同時，從圖中也可以明顯看出，在埋深為10 m時，最大沉降值出現在左線隧道中心處。而隨著埋深增大，最大沉降值位置逐漸平移到雙線隧道中心處，這說明先行隧道上部土體會受到來自后行隧道開挖過程的影響，從而導致累計沉降量始終較大（埋深從10 m 到20 m 的過程中，左線隧道中心處沉降量占雙線最大沉降量的比例是93%～67%）。但當埋深大到一定程度時，這種影響幾乎可以忽略，屆時最大沉降的位置一定是出現在兩隧道中心線正上方。表5 統計了六種埋深下路基的沉降結果。

圖8 全線貫通時六種工況下路基沉降值對比圖

由表5 可知，全線貫通時的路基沉降最大值始終大于同埋深下的左線貫通，并且隨著埋深的增加，全線貫通時沉降曲線的沉降槽寬度也在逐漸增大，說明對上部路基的影響越來越小。

表5 六種隧道埋深下路基沉降結果統計

4 結論

本文主要采用數值模擬的方法，以合肥軌道交通四號線天水路站—翠柏路站區間工程為依托，對隧道在不同埋深和不同開挖距離下對城市道路產生的影響進行研究，得出主要結論如下：

（1）左線隧道在開挖第五環到第十環內，沉降差值最大。超過2 mm，并且隨著右線隧道開始動工，路基沉降最大值逐漸向兩隧道中心線方向移動。

（2）由于開挖過程中雙線隧道間的互相作用，導致埋深在2D 以內時，隧道間的土體會受到擠壓而向上移動，使得沉降曲線隨著開挖的進行逐漸變為“雙谷”形式，但沉降峰值始終出現在左線隧道中心線附近。

（3）當埋深增加至2D 到3.5D 之間時，左線貫通的曲線峰值出現在左線隧道中心線處，全線貫通的曲線峰值出現在雙線隧道中心線處并且埋深與影響范圍成正比，與影響程度成反比。本文僅研究了埋深在1.5D～3.5D 的情況，建議增加隧道埋深的范圍，并研究施工時的其他參數對路基沉降有何種影響。