多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法

摘要

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法。本方法的操作步骤为：第一步确定土体本构模型，第二步模拟初始自重应力场，第三步模拟等代层结构，第四步模拟隧道管片结构，第五步模拟浆液硬化过程，第六步模拟盾构推进对运营地铁隧道影响过程。本模拟方法详细考虑了多线叠交隧道施工的复杂工况，采用了刚度迁移法来模拟盾构推进过程，其中在衬砌和土体扰动带中预设生死单元，采用在不同施工步激活生死单元改变单元材料力学特性的方法来反映盾构施工的动态过程。在本模拟方法中，采用薄层单元来模拟多线叠交隧道以任意角度斜交施工工况，可以避免常规有限元方法在模拟此类施工工况时较难收敛的缺陷。

说明书

技术领域

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法。

背景技术

随着城市化进程加快，地铁及轨道交通成为我国大城市重要的快捷便利公共交通方式。按照现有规划，到2020年我国28个城市建成运营的线路将达177条，总里程将达6100多公里。盾构法隧道在软土地区城市地下铁道、越江隧道等工程建设中得到广泛应用，然而，在实际施工中，由于地表建筑物及地下桩基、管线和既有隧道等构筑物制约，隧道施工中将不可避免地出现盾构上下叠交穿越的特殊施工工况，如：上海地铁2号线穿越地铁1号线，最小净距仅1.2m；上海地铁4号线浦东南路站～南浦大桥站区间隧道双线叠交，两条隧道的最小净距仅为2m，叠交长度约为437.7m；上海地铁11号线北段二期工程双线隧道分别从运营的地铁4号线隧道上、下方穿越，形成四线叠交的特殊工况。在这样叠交工况众多，叠交距离较长，甚至多线叠交的情况下进行隧道施工，存在极大的施工风险和安全隐患。因此，亟待针对软土地区多线叠交盾构隧道施工的影响效应，尤其是针对多线叠交隧道施工引起临近运营地铁隧道的变形影响进行理论研究，从而为地铁隧道的现场施工和后期运营提供良好咨询和建议。

目前，国内外关于叠交隧道的理论研究一般仅针对双线叠交，施工工况也仅仅局限于双线平行或垂直施工，其研究对象和叠交工况相对单一，研究机理还不够充分和深入，对于近期出现的三线甚至四线等多线叠交问题还很少研究，针对以任意角度斜交穿越的相互作用机理还没有进行系统研究，其设计和施工还无具体规范标准可循。本发明中的多线叠交隧道施工过程及对运营地铁隧道变形影响数值模拟方法，可以提供多线叠交盾构隧道穿越对周围土体以及既有隧道的变形影响机理，可以有效模拟掘进隧道与既有运营隧道呈现一定夹角进行斜交穿越施工的复杂工况。本发明对于类似多线叠交工程施工具有重要的现实指导意义，对于制定多线叠交隧道施工安全穿越技术标准以及临近既有建（构）筑物的安全保护措施也具有重要的理论参考价值。

发明内容

本发明目的在于针对既有叠交隧道的研究尚未涉及近期出现的三线甚至四线等多线叠交问题，同时针对常规数值模拟方法在模拟大角度斜交隧道施工工况时较难收敛的缺陷，提出一种适用于软土地区的多线叠交隧道施工过程及对地铁隧道变形影响数值模拟方法，从而加深对多线叠交盾构隧道施工土工环境效应的影响机理认识。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多线叠交隧道施工过程及对地铁隧道变形影响数值模拟方法，是针对软土地区多线隧道叠交施工、大角度斜向穿越施工以及超近距离既有构筑物施工的复杂工况,建立了能够同时考虑盾构推进、盾尾注浆、内衬施工等施工工况的多线叠交三维动态有限元数值模拟方法。其特征在于操作步骤和实施的技术方案如下：

第一步，确定土体基本物理力学参数并采用Drucker-Prager准则模拟土体本构关系：土体基本物理力学参数为各层土体重度、内聚力、内摩擦角、压缩模量和泊松比，通过现场原位测试结合室内试验共同确定；目前常用的土体本构关系有：Drucker-Prager准则，Mohr-Columb准则，Duncan-Chang准则以及剑桥准则等。在数值模拟计算中，Drucker-Prager准则能较好反映土体非线性特性，同时可避免其他准则屈服面在棱角处引起数值计算上的困难，从而避免奇异结果的出现。因此，本模拟方法中采用Drucker-Prager准则来模拟土体本构关系。

第二步，模拟场地初始自重应力场：在本模拟方法中，初始地应力场是随后隧道开挖模拟计算的基础，只有采用与实际相符的初始地应力场，才可能得出较为真实的解答。初始应力场通常为土体自重应力场，其在任意深度处土体竖向应力值为土体重度与该处土体深度的乘积，而该处土体水平向应力值为该处土体竖向应力值与静止土压力系数的乘积；静止土压力系数值可采用室内三轴仪测得，在原位可采用自钻式旁压仪测试得到。

第三步，模拟等代层结构：等代层是隧道周围土体扰动、隧道壁面土体向盾尾空隙的移动以及回填注浆作用的抽象概括，针对一定的地层结构条件和施工工艺，其厚度及其力学参数是一定的。等效层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其组成比例与土的性质、浆体材料和注浆压力等有关，可将等效层作为弹性材料看待，其参数包括厚度、弹性模量和泊松比。

等代层的弹性模量和泊松比可参考水泥土的力学特性来取。等代层的厚度并不等于盾尾空隙的理论值。如果隧道壁面土体较硬，不被扰动，仅向盾尾空隙产生少许位移，其余空隙都被浆体充填，则等代层的厚度略小于盾尾空隙的理论值；如果隧道壁面的土体较软，则当衬砌脱出盾尾后，土体迅速向盾尾空隙移动、充满盾尾空隙，隧道壁面土体受扰动。同时在压力作用下，水泥浆渗入到软土中，形成土与水泥浆的混合材料，考虑到软土的易扰动性且隧道壁面位移较大，等代层的厚度将大于盾尾空隙的理论值。

等代层厚度δ计算公式如下：

δ=ηA

其中：A为盾尾计算空隙，即盾构半径与衬砌半径的差值；

η为等代层计算系数，其取值范围为0.7～2.0，对硬土层，可取其下限；对极软的土层，可取其上限。针对不同土质中的盾构隧道，其η值一般可取为：硬粘土，0.7～0.9；密砂，0.9～1.3；松砂，1.3～1.8；软粘土，1.6～2.0。

第四步，模拟隧道衬砌管片结构：衬砌采用钢筋混凝土衬砌，一般为通用环楔形管片。管片混凝土强度一般为C55级，混凝土抗渗等级为一般S12。衬砌一般采用全圆周通缝或者错缝拼装工艺，管片环与环之间采用高强螺栓相连接。在本模拟方法中不考虑衬砌管片分块间的横向连接，衬砌取为环向连续环形模型，将模型中衬砌弹性模量折减为原来强度的85%，泊松比保持不变。同时考虑到混凝土管片衬砌一般在弹性阶段工作，所以在本模拟方法中采用弹性模型来模拟衬砌管片结构。

第五步，模拟盾尾注浆以及浆液硬化过程：浆体由液态逐渐硬化，但液态难以模拟，采用改变等代层结构的物理力学参数来模拟，选取三个典型抗压强度值来模拟本模拟浆液硬化过程，具体为：0.1MPa、1MPa和10MPa；同时布置等效均布力，即在挖掉土体后形成隧道洞室的土体和衬砌单元面上分别施加均布压力。

第六步，模拟盾构推进对临近既有运营地铁隧道的影响过程：在所述第一至第五步骤工作基础上采用刚度迁移法来模拟盾构推进的全过程。隧道盾构动态施工整个过程的模拟是将盾构跳跃式向前推进作为一个非连续过程来研究，在本模拟算法中采用改变单元材料类型的方法来实现，也就是采用刚度迁移法来完成模拟，即将盾构向前推进看成是刚度和载荷的迁移过程。数值模拟过程中，在盾构机壳和管片周围土体扰动带均设有预制单元，土体开挖采用杀死土体单元来实现，开挖面推进盾构机壳逐渐深入，土体扰动带的单元刚度降低到很小，即趋向于10^-6，随后注浆体的硬度逐渐发生变化，另外衬砌的支护开始作用，这种情况下采用激活预先设置的死单元来实现其作用。

刚度迁移法的具体操作过程为：首先，挖去第一环土体，考虑卸荷作用，释放第一环土体应力，激活第一环等代层和衬砌层，此时等代层为盾构机壳；其次，挖去第二环土体，释放第二环土体应力，激活第二环等代层和衬砌层，考虑盾尾脱出及注浆，第一环等代层此时变为注浆层，弹性模量为0.1MPa；然后，挖去第三环土体，释放第三环土体应力，激活第三环等代层和衬砌层，考虑盾尾脱出及注浆，第二环等代层此时变为注浆层，弹性模量为0.1MPa，考虑注浆硬化，第一环等代层弹性模量加大为1MPa；然后，挖去第四环土体，释放第四环土体应力，激活第四环等代层和衬砌层，考虑盾尾脱出及注浆，第三环等代层此时变为注浆层，弹性模量为0.1MPa，考虑注浆硬化，此时第一环等代层弹性模量加大为10MPa，第二环等代层弹性模量加大为1MPa；接下来，进行其他环隧道掘进过程模拟。当掘进隧道与既有运营隧道既不平行也不垂直施工，而是呈现一定夹角进行斜交穿越施工时，在单元离散过程中，既有运营隧道所在区域单元离散类型与掘进隧道区域单元离散类型尽管一致，但由于斜交工况，三个区域接触面内单元节点并不自然耦合在一起，为此在本模拟方法中设置薄层单元来实现不同离散区域的节点耦合。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

本发明可提供软土地区多线叠交隧道施工过程及对临近运营地铁隧道变形的精确模拟计算。本模拟方法特点如下：（1）本模拟方法可以考虑软土地区多线隧道叠交施工以及超近距离既有构筑物施工的复杂工况,可以同时模拟盾构推进、盾尾注浆以及内衬施工等复杂施工工况；（2）本模拟方法不仅能够考虑隧道平行或者垂直施工的常规工况,还能够较好考虑隧道以任意角度斜交施工的工况；（3）本模拟方法得到的模拟计算结果可以较好地指导实际施工，确保多线叠交隧道施工安全穿越既有构筑物；（4）利用本模拟方法进行隧道施工环境土工效应的理论研究，可以促进地下工程等相关专业学科发展，同时可为隧道工程现场施工及运营提供良好的咨询与建议。

附图说明

附图1为本发明的模拟多线叠交隧道施工过程及对地铁隧道变形影响数值模拟方法操作程序框图。

附图2为本发明的等代层结构示意图。

附图3为本发明的薄层单元示意图。

附图4为本发明的多线叠交隧道施工模拟单元离散示意图。

附图5为本发明的施工盾构下行线叠交穿越完毕后既有隧道纵向变形规律示意图。

附图6为本发明的运营隧道外圈纵向变形监测值与计算值对比结果示意图。

具体实施方式

结合附图，通过优选实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例一：

参见图1，本多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法，其特征在于，该模拟方法操作步骤如下：

第一步，确定土体基本物理力学参数并采用Drucker-Prager准则模拟土体本构关系：土体基本物理力学参数为各层土体重度、内聚力、内摩擦角、压缩模量和泊松比，通过现场原位测试结合室内试验共同确定；Drucker-Prager准则能较好反映土体非线性特性，同时可避免其他准则屈服面在棱角处引起数值计算上的困难，从而避免奇异结果的出现；

第二步，进行初始自重应力场模拟：软土地层初始应力场通常为土体自重应力场，其在任意深度处土体竖向应力值为土体重度与该处土体深度的乘积，而该处土体水平向应力值为该处土体竖向应力值与静止土压力系数的乘积；静止土压力系数值可采用室内三轴仪测得，在原位可采用自钻式旁压仪测试得到；

第三步，进行等代层结构模拟：将与隧道施工密切相关但又不易量化的变量——盾尾空隙的大小、注浆充填程度以及隧道壁面土体受扰动的程度和范围等效为一层均质等厚的等代层，使这些不易量化的因素在理论算法中得以实现；等代层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其组成比例与土的性质、浆体材料和注浆压力等有关，可将等代层作为弹性材料看待，其参数包括厚度、弹性模量和泊松比；

第四步，模拟隧道衬砌管片结构：衬砌一般采用全圆周通缝或者错缝拼装工艺，管片环与环之间采用高强螺栓相连接；将每环隧道管片在横向假设为一均质圆环，在纵向上考虑环与环之间连接对隧道整体刚度的降低，将模型中衬砌弹性模量折减为原来强度的85%，泊松比保持不变；考虑到混凝土管片衬砌一般在弹性阶段工作，可以采用弹性模型来模拟衬砌管片结构；

第五步，进行盾尾注浆以及浆液硬化过程模拟：浆体由液态逐渐硬化，但液态难以模拟，采用改变等代层结构的物理力学参数来模拟，选取三个典型抗压强度值来模拟浆液硬化过程，具体为0.1MPa、1MPa和10MPa；同时布置等效均布力，即在挖掉土体后形成隧道洞室的土体和衬砌单元面上分别施加均布压力；

第六步，模拟盾构施工过程及其对临近既有运营地铁隧道的变形影响过程：在所述第一至第五步骤工作基础上，采用刚度迁移法来模拟盾构推进的全过程；将盾构向前推进作为一个跳跃式非连续过程来研究，在衬砌、等代层和土体扰动带中预先设置生死单元，用在不同时机激活生死单元改变单元材料力学特性的方法来反映盾构开挖和注浆以及施衬的动态过程；实际操作中，在盾构机壳和管片周围土体扰动带设定预制单元，开挖面推进时，盾构机壳逐渐深入，土体扰动带的单元刚度降低到很小，即趋向于10^-6，随后注浆体的硬度逐渐发生变化，另外衬砌的支护开始作用，这种情况下激活预先设置的死单元来实现其作用；当掘进隧道与既有运营隧道呈现一定夹角进行斜交穿越施工时，采用薄层单元来实现不同离散区域的节点耦合，实现盾构对临近既有运营地铁隧道的穿越影响模拟。

实施例二：

本实施例选取上海市某轨道交通区间隧道工程为实例。在隧道掘进过程中，施工双线盾构将先后从运营轨交隧道上下方穿越，形成四线叠交的特殊工况。其中上行线盾构与既有隧道之间最小竖向净距为1.82m，下行线盾构与既有隧道之间最小竖向净距为1.69m，属于超近距离既有构筑物施工；同时，施工双线盾构穿越方向与轨交运营隧道夹角为75°，属于大角度斜交穿越施工。如图1所示，本多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法的操作步骤如下：

第一步，确定施工场地的土体基本物理力学参数，如表1所示。采用能较好反映土体非线性特性的Drucker-Prager理想弹塑性模型，单元采用六面体八节点减缩积分单元C3D8R。

表1 土层物理力学参数

第二步，进行场地初始自重应力场的模拟。以地表以下6.6m深度处为例，该处的土体竖向自重应力σz=2×18+1.3×18.5+3.3×17.4=117.47kN/m²；土体水平向自重应力σh=0.63×36+0.46×24.05+0.48×57.42=61.3kN/m²。在本实施例中，平衡初始自重应力场后的位移场量级在10^-6～10^-9之间。

第三步，确定等代层结构模拟参数，其结构示意图如图2所示。等代层密度为取为1900kg/m³，弹性模量取为与土体近似，泊松比为0.2。盾尾计算空隙为：A=(6.34-6.2)/2=0.07m,等代层计算系数为：η=1.5，故等代层厚度取为：δ=1.5×0.07=0.105m。等代层结构采用弹性模型，单元采用六面体八节点减缩积分单元C3D8R。

第四步，确定衬砌管片混凝土强度参数，其结构示意图如图2所示。衬砌外径6.2m，内径5.5m，环宽1.2m，管片厚350mm。混凝土强度C55级，弹性模量取为3.55×10⁴MPa，泊松比取为0.2，衬砌为考虑环与环之间连接对隧道整体刚度的降低，将模拟方法中的衬砌弹性模量取为C55的85%，即折减后衬砌弹性模量为3.02×10⁴MPa，泊松比不变。衬砌采用弹性模型,单元采用六面体八节点减缩积分单元C3D8R。

第五步，模拟盾尾注浆以及浆液硬化过程。为了获取等代层在不同施工步中具有的不同弹性模量，针对实际施工中两种典型配比浆液1＃和2＃制成的试块进行了浆液抗压强度测定，测试结果如表2所示。根据测试结果，选取三个典型抗压强度值来模拟本模拟方法中的浆液硬化过程，具体为：0.1MPa、1Mpa和10MPa。

表2浆液抗压强度测试结果

第六步，模拟盾构推进对临近既有运营地铁隧道的影响过程。在本模拟方法中采用刚度迁移法来模拟盾构推进的全过程，将盾构向前推进作为一个跳跃式非连续过程来研究，在衬砌、等代层和土体扰动带中预先设置生死单元，用在不同时机激活生死单元改变单元材料力学特性的方法来反映盾构开挖和注浆以及施衬的动态过程。在单元离散过程中，既有隧道所在区域单元离散类型和施工盾构上下行线单元离散类型尽管一致，但是由于75°斜交工况，三个区域接触面内单元节点并不自然耦合在一起，为了实现不同区域的节点耦合，在既有隧道所在区域与施工盾构上行线所在区域之间以及既有隧道所在区域与施工盾构下行线所在区域之间各设置了一层特殊的薄层单元，如图3所示。

针对本实施例，离散后的多线叠交三维动态数值模型如图4所示。数值离散模型X方向取为95m，Y方向取为144m，Z方向取为120m，整个模型大小为：X×Y×Z=95m×144m×120m。其中尺寸选择时充分考虑多线叠交施工工况，上下行线共涉及120环盾构掘进，模型上行线从946环到1065环，模型下行线从950环到1069环。此外，尺寸选择时也充分考虑了施工场地不同土质，包括粉质粘土、淤泥质粉质粘土以及淤泥质粘土等土质。模型上下行线各穿越两层土，上行线穿越⑤₁粘土和⑤₃粉质粘土两层；下行线穿越③淤泥质粉质粘土和④淤泥质粘土两层。

根据本模拟方法，可以计算得到在不同施工工况下，盾构施工引起的运营轨交隧道的变形规律。图5所示为盾构下行线叠交穿越完毕后既有隧道纵向变形曲线图。从图5可以看出，运营隧道内外圈最大下沉出现在盾构下行线的正下方，其最大值分别为3.8mm和3.7mm。运营隧道内外圈的下沉量随着远离盾构上行线向两端呈递减趋势，在距盾构下行线30米处，运营隧道内外圈的沉降已趋于稳定，其值分别为1.2mm左右。

将运营隧道纵向变形监测值与数值模拟计算结果进行了对比分析，如图6所示，验证了本模拟方法的正确性与适用性。从图6可以看出，盾构施工所引起的运营隧道外圈纵向变形监测值曲线和计算值曲线形态基本一致，在盾构推进至与运营隧道外圈相交时，运营隧道外圈下沉达到最大值，此处计算值与监测值吻合较好。以上对比分析表明，本模拟方法所建立的三维数值模型的计算结果是比较符合工程实际的。同时，通过本模拟方法获取的多线叠交工况下既有运营隧道变形影响规律，对于指导现场安全施工以及降低施工风险具有重要的实际指导意义。