孟 娟， 顏庭成， 陳曉飛， 高新南

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，南京 210007； 2.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司，南京 210007；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210031）

在地下工程建設(shè)中，軌道交通是開發(fā)利用地下空間的主要形式. 在軌道交通建設(shè)中，主要采用盾構(gòu)法施工. 盾構(gòu)法施工的最大優(yōu)點是不影響地面交通的正常通行，但盾構(gòu)法施工也有不利之處，如隧道上方一定范圍內(nèi)的地表沉降尚難完全避免，尤其在軟土地區(qū)，盾構(gòu)法施工對周邊建（構(gòu)）筑物影響較大. 因此，盾構(gòu)法施工對地面建（構(gòu)）筑物的保護是施工中需要解決的主要問題之一［1-10］. 軟土地區(qū)由于土體工程性質(zhì)較差，盾構(gòu)法施工對地面建（構(gòu)）筑物，尤其是古建筑的保護壓力日趨增大. 關(guān)于盾構(gòu)法施工對地面建（構(gòu)）筑物影響的問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多研究，研究成果大多為盾構(gòu)機下穿橋梁樁基、多層高層建筑等，但幾乎沒有關(guān)于盾構(gòu)機尤其是雙線隧道盾構(gòu)機側(cè)穿時對地面石塔影響的研究. 由于土體性質(zhì)的復(fù)雜性、多變性及各種計算模型的局限性，僅依靠理論分析和經(jīng)驗估計很難準(zhǔn)確預(yù)測盾構(gòu)法施工在不同施工階段的地表變形特征，從而也不能為后續(xù)安全施工、監(jiān)測點布設(shè)及預(yù)防等提供依據(jù)，所以國內(nèi)外學(xué)者大多采用數(shù)值模擬方法［11-20］.

本文以杭州某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工為工程背景，通過大型巖土仿真分析軟件FLAC3D，從三維立體模擬研究了雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿時石塔地基及石塔自身的變形規(guī)律，從而為安全施工、監(jiān)測點布設(shè)及預(yù)防等提供依據(jù)，也為同行類似工程的安全施工提供參考.

1 工程概況

本工程為雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿杭州香積寺古石塔，古石塔為清康熙年間建造，隧道位于石塔南側(cè). 隧道采用盾構(gòu)法施工，圓形隧道外徑11.3 m，雙管雙向布置，線間距16.8 m，隧道埋深12.9～13.1 m. 北線盾構(gòu)隧道側(cè)穿該石塔，距離香積寺石塔中心水平凈間距約8.35 m，兩者豎向間距約13.1 m（圖1、圖2）.

圖1 隧道與石塔平面關(guān)系圖Fig.1 The plane position between tunnel and tower

圖2 盾構(gòu)隧道與香積寺石塔立面關(guān)系圖Fig.2 The elevation relationship between tunnel and tower

2 計算模型建立

2.1 幾何模型及邊界條件

FLAC3D 軟件是美國ITASCA 咨詢集團根據(jù)拉格朗日元法設(shè)計、針對巖土體問題而開發(fā)的三維計算軟件，可用于岸坡、隧道、地下采場、洞室等分析. FLAC3D軟件采用顯式的有限差分技術(shù)來解決巖土問題，可以模擬多種情形下巖土體或者其他材料經(jīng)歷塑性流動到達(dá)屈服極限時的行為，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在解決非線性問題和大變形問題以及模擬物理上的不穩(wěn)定過程上，適宜巖土體. 鑒于此，本文數(shù)值模擬決定采用該軟件進(jìn)行分析，模擬雙側(cè)盾構(gòu)隧道施工過程中石塔地基及石塔自身的變形規(guī)律.

根據(jù)本工程隧道與香積寺石塔的空間相互關(guān)系建立三維模型（圖3），Y 方向為隧道開挖方向，Z軸為深度方向，X軸為寬度方向. 模型X方向長100 m，Y 方向?qū)?20 m，Z 方向深40 m. 地層采用實體單元模擬，管片單元和盾殼單元均采用Shell單元模擬，香積寺塔為砌石結(jié)構(gòu)，塔身和基礎(chǔ)采用彈性模型進(jìn)行模擬.

2.2 本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖土物理力學(xué)試驗結(jié)果，計算中采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則判斷巖土體的破壞.

圖3 模型網(wǎng)格圖（單位：m）Fig.3 Grid diagram of the model

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，c、φ 分別是黏聚力和內(nèi)摩擦角. 當(dāng)fs＞0時，材料將發(fā)生剪切破壞.在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準(zhǔn)則（σ3≥σT）判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞.

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)勘察資料揭露的地層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)，上部土層為新近人工堆積的填土和海相沉積的淤泥質(zhì)軟土層，中、下部為沖湖積、海積的黏性土層、砂層，場地下臥基巖為凝灰?guī)r，地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1. 隧道管片單元和盾殼單元均采用Shell單元模擬，管片采用C60P12的高強防水鋼筋砼，數(shù)值取值如表2.

表1 隧道通過地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the tunnel through the stratum

表2 隧道管片單元和盾殼單元參數(shù)Tab.2 Parameters of tunnel segment unit and shield unit

3 數(shù)值計算結(jié)果

在工程實踐中，盾構(gòu)施工引起地層某一斷面的變形時間曲線依次劃分為5個階段：盾構(gòu)到達(dá)該斷面前、盾構(gòu)到達(dá)該斷面、盾構(gòu)通過該斷面、盾構(gòu)通過該斷面后、盾構(gòu)通過該斷面較長時間后. 一般來說，盾構(gòu)到達(dá)該斷面前、盾構(gòu)通過該斷面、盾構(gòu)通過該斷面較長時間后3個階段對地面變形的影響最為明顯. 為了更好地分析盾構(gòu)開挖推進(jìn)過程中對石塔的影響，將模擬過程分為三個階段：①盾構(gòu)靠近石塔前，即開挖面距離香積寺塔45 m時，對應(yīng)于前述的盾構(gòu)到達(dá)該斷面前；②盾構(gòu)側(cè)穿石塔，即開挖面處于香積寺塔正南，對應(yīng)于盾構(gòu)通過該斷面時；③盾構(gòu)穿越石塔后，即開挖面穿過香積寺塔45 m，對應(yīng)于前述的盾構(gòu)通過該斷面較長時間后.

3.1 位移分析

圖4為隧道施工過程中的豎向位移云圖. 在北線盾構(gòu)掘進(jìn)至距離石塔45 m時，石塔產(chǎn)生4.0～4.2 mm的豎向位移；當(dāng)北線盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)至石塔正南位置時，石塔豎向位移增加至7.0～9.0 mm；當(dāng)盾構(gòu)逐漸遠(yuǎn)離石塔至塔45 m 時，石塔豎向位移增加至11.4 mm（圖4a、b、c）. 而當(dāng)南線盾構(gòu)開始掘進(jìn)并掘進(jìn)至距離石塔45 m時，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，石塔沉降位移達(dá)到11.5 mm，沉降數(shù)值增加不大；當(dāng)南線盾構(gòu)分別掘進(jìn)至石塔正南位置時、逐漸遠(yuǎn)離石塔至塔后45 m時，石塔豎向位移數(shù)值增加不大，且沉降開始有收斂趨勢（圖4d、e、f）.

從石塔的豎向位移云圖以及沉降數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)期間石塔并不是均勻沉降的，而是沿著隧道的橫剖面方向發(fā)生了差異沉降，且靠近隧道的一側(cè)沉降要大于遠(yuǎn)離隧道的一側(cè)，說明盾構(gòu)掘進(jìn)期間石塔發(fā)生了朝隧道一側(cè)的傾斜. 不過傾斜量很小，北線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，基座的差異沉降僅為0.3～0.4 mm；南線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，基座的差異沉降僅為0.1～0.3 mm.

圖4 雙線隧道盾構(gòu)施工中豎向位移云圖（單位：m）Fig.4 Cloud maps of vertical displacement when double-line tunnel shield construztion

由圖4可知，當(dāng)北線盾構(gòu)開挖面與石塔距離較遠(yuǎn)時，由于施工對土體的擾動，石塔在自身重力下出現(xiàn)了4 mm左右的沉降. 當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)至石塔正南時，受石塔自身重力影響，地表最大沉降點并不是隧道中軸線正南的點，而且偏向石塔一側(cè)，石塔沉降達(dá)到7 mm左右. 當(dāng)盾尾遠(yuǎn)離石塔后，石塔豎向沉降繼續(xù)增大，最大沉降出現(xiàn)在石塔南側(cè)與隧道北側(cè)之間3～4 m的區(qū)域，沉降量達(dá)到11.5 mm. 由于地表沉降量隨著北線盾構(gòu)開挖掘進(jìn)過程不斷增大，而南線盾構(gòu)推進(jìn)過程中，由于其距離石塔較遠(yuǎn)，其施工對石塔沉降影響較小.

3.2 石塔傾斜分析

圖5為出現(xiàn)最大差異沉降時石塔塔身的豎向沉降云圖. 從圖5 中可以看出，兩線盾構(gòu)掘進(jìn)完成之后，石塔沿Z方向的最大差異沉降量為3.15 mm.

圖6和圖7分別為最大傾斜發(fā)生時的X向與Y向位移云圖. 由圖6、圖7可知，塔頂至塔底的最大X向傾斜量為12.2 mm，最大Y 向傾斜量為0.9 mm，Y 向傾斜量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X方向的傾斜量.

綜上分析可知，盾構(gòu)側(cè)穿施工過程中，地表最大沉降約為11.5 mm；對于香積寺石塔變形來說，塔頂X、Y 方向水平位移分別為12.2、0.9 mm，Z 方向最大差異沉降量為3.15 mm，最大傾斜率為0.001 1.

從數(shù)值計算分析結(jié)果來看，本工程盾構(gòu)隧道施工在理論上是可行的，但考慮地下工程地質(zhì)情況較復(fù)雜，施工過程中風(fēng)險因素較多，在施工過程中應(yīng)及時采取一定的控制措施，以保證盾構(gòu)法施工及香積寺石塔的安全.

圖5 最大差異沉降時的塔身豎向位移云圖（單位：m）Fig.5 Vertical displacement cloud diagram of tower body during maximum differential settlement

圖6 最大X向傾斜時塔身X向位移云圖（單位：m）Fig.6 Tower X-displacement cloud with maximum X-direction tilt

圖7 最大Y向傾斜時的塔身Y向位移云圖（單位：m）Fig.7 Tower Y-displacement cloud with maximum Y-direction tilt

為此，建議對香積寺石塔的變形進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖8 所示：石塔底面的4 個測點，石塔中心線頂端、中部以及底部各1個測點.

4 結(jié)論與建議

本文通過FLAC3D軟件，針對雙側(cè)隧道盾構(gòu)側(cè)穿香積寺石塔建立數(shù)值計算模型，對雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿時石塔地基及石塔自身的變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬. 通過分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地基沉降、石塔變形等數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論.

1）在軟土地層中，盾構(gòu)隧道側(cè)穿石塔安全風(fēng)險可控.

圖8 香積寺石塔監(jiān)測點布置圖（單位：m）Fig.8 Layout of monitoring points of Xiangji Temple stone tower

2）從計算結(jié)果看，地表最大沉降點位于隧道與石塔之間，偏向石塔一側(cè)，石塔傾斜主要表現(xiàn)為垂直隧道掘進(jìn)軸線方向.

3）地表最大沉降值出現(xiàn)在雙側(cè)隧道中離石塔較近側(cè)隧道盾構(gòu)機盾尾遠(yuǎn)離石塔后，符合盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層擾動、松弛等引起，在軟弱黏性土地層中盾構(gòu)通過該斷面較長時間后仍有明顯的地面沉降的規(guī)律.

結(jié)合實際工程，給出以下建議.

1）嚴(yán)格控制同步注漿壓力，注漿壓力應(yīng)略大于地層土壓和水壓之和，以達(dá)到對環(huán)向空隙有效充填而非劈裂注漿，以免擾動管片周圍的原狀土而引起地面甚至隧道的沉降.

2）加強洞內(nèi)二次注漿，確保注漿壓力與注漿量.

3）加大監(jiān)測頻率，密切觀察地層變化速率，及時反饋信息，修正施工參數(shù).