软土层小净距顶管隧道施工地表沉降研究

随着我国经济、人口的日益增长，越来越多的城市交通问题亟待解决，加大城市地下空间交通建设成为必然。在我国东部及沿海地区，城区所在的地层主要为软弱土层，地下工程建设必须要考虑到环境影响和地下空间利用率，因此小净距的顶管或盾构等非开挖技术越来越受到青睐。

目前城市大断面矩形顶管隧道设计施工面临诸多困难，最主要的是如何选取隧道净距提高地下空间利用率和确保施工过程既有结构环境安全。因而控制周边建筑物沉降和地表路面沉降则成为重中之重。

由于顶管法施工和盾构法施工有一定的相似之处，都属于非开挖技术，因此盾构法施工的一些理论和环境控制研究成果，可供顶管隧道借鉴。关于盾构隧道施工引起的地表沉降有很多研究成果，顶管隧道施工方面的研究有：文献[7]~[10]研究了顶管施工对周围土体变形的影响，文献[1l]、[12]介绍了曲线顶管沉降的监测及控制；文献[13]、[14]介绍了顶管施工中大堤、地下管线的沉降控制；文献[15]介绍顶管沉降的分析及控制措施。

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综上所述，针对软土地层繁华城区小净距顶管隧道群施工过程中横向和纵向地表沉降变化规律的数值模拟分析还很少，因此本文将以某软土顶管隧道工程为依托，采用三维有限元数值模拟计算的方法，通过设定不同的工况来研究：①顶管隧道不同净距对横向地表沉降的影响规律；②后行隧道掌子面不同的跟进距离对先行隧道纵向轴线上方地表沉降的影响规律，并将计算结果和实测数据做了对比验证。其结论具有很大的工程应用价值。

依托某城市双洞小净距顶管隧道工程，工程线路全长约25.83km，双洞隧道，顶管法施工。隧道净间距6m，隧道断面为圆形，直径为5.5m，采用钢筋混凝土管节，管节厚度为0.3m。隧道埋深约为9.8m。

工程地质条件：所处地层为淤泥质软土地层，地下水位高。地层自上而下依次为：淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土层，其中隧道洞身所在地层主要为淤泥层。具体见图1。

采用有限元法进行数值模拟计算。模型见图2。

计算范围取水平方向54m，垂直方向40m，隧道埋深为9.8m，隧道形状为圆形。

（1）边界条件。在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型两侧的位移，顶部承受上覆土层的自重应力。

（2）初始地应力场。仅考虑自重应力场。

（3）本构关系的选择。对地层采用摩尔-库伦弹塑性模型，对管片结构采用弹性模型。

（4）计算参数的选取。根据地质勘查资料，地层参数见表1。管片结构采用C30混凝土。具体参数根据规范取值，见表1。

为了研究①小净距顶管隧道净距变化对横向地表沉降的影响规律；②不同后行隧道跟进距离对先行隧道纵向轴线上方地表沉降的影响规律，设定两条隧道之间的净距分别为1D、0.7D、0.5D（D为隧道直径），以及后行隧道跟进距离分别为1D、2D、4D、8D等不同工况。通过计算，得到了相应的结论。

图3为不同净距条件下，双洞顶管隧道横向地表沉降曲线图。为了更切合实际施工，计算时现行掘进一条隧道（左洞），待某一横向地表沉降变形稳定时，再模拟后行隧道（右洞）掘进施工，直到横向地表沉降变形稳定。单润掘进（仅有左洞掘进，而没有右洞掘进）的情况用来对比其他不同净距条件下对横向地表沉降的影响大小。

由图3可以看到，由于左洞现行掘进，右洞后行掘进，因此横向地表沉降曲线表现为不对称的偏态曲线，左洞轴线位置地表沉降更大。这主要是由于后行隧道掘进时，随着净距减小，两隧道之间的地层土体约束变形的能力也减小。另外，从图中可以看到，随着隧道净距的减小（单洞掘进可视为右洞隧道与左洞隧道的净距为无穷大），地表沉降也逐渐增大，同时地表沉降曲线的偏态特性也逐渐消失，在达到0.5D时，可以看做正态沉降曲线，这说明在净距很小的情况下，开挖引起的地表沉降大小不再受到两隧道之间地层土体的约束作用。探讨 | 隧道施工中的分包纠纷和控制措施！

3. 净距对纵向地表沉降的影响分析

图4为后行隧道在不同跟进距离（1D、2D、4D、8D）下，隧道净距对纵向地表沉降的影响规律。图中纵坐标为，由于后行隧道的跟进掘进，导致现行隧道轴线上方地表沉降量增加的百分比，横坐标为距离先行隧道掌子面的距离，以掌子面为零点，向开挖面前方（未开挖）为负，向开挖面后方为正（已开挖）。

由图可以看到，在后行隧道掌子面前方，先行隧道的纵向地表沉降量增量很小，并且随着跟进距离增大，这种影响也越来越小，在跟进距离为8D时，先行隧道这一部位的纵向地表沉降量增量几乎为0，这是因为后行隧道掘进面前方的待开挖地层对沉降变形有所约束。在后行隧道掌子面后方范围内，由于后行隧道开挖土体，卸荷作用导致临近的先行隧道地表沉降量增量变大，这印证了图3中，单洞掘进的沉降值明显小于双洞掘进的沉降值这一结果，即由于后行隧道的开挖，两隧道之间的地层土体的约束变形能力减弱，同时可以看到，随着净距的减小，该部位的纵向地表沉降量增量百分比也变大，从净距为0.7D减小到0.5D，纵向沉降量增量百分比由大约40%增加到120%，说明隧道之间地层土体的约束变形能力急剧衰退。最后，可以看到，不管后行隧道跟进距离多大，在先行隧道掌子面后方9D之后，先行隧道纵向地表沉降增量百分比开始减小，这是因为该部位在后行隧道掘进之前，其已经沉降变形稳定，其引起的沉降量增量仅仅是由于后行隧道的掘进造成的。由此，后行隧道跟进施工对先行隧道地表沉降影响明显的部位是在后行隧道掌子面后方与先行隧道掌子面后方变形已经稳定（此次计算工况中为掌子面后方9D位置）之间，在施工过程中，要考虑双洞隧道不同步掘进施工时此部位的加固措施，可以有效控制施工对周边环境的影响。

4. 结语

（1）随着净距减小，两隧道之间的地层土体约束变形的能力也减小，横向地表沉降也由偏态形状逐渐变为正态形状，且沉降量逐渐变大。

（2）后行隧道掌子面前方部位，由于待开挖地层土体的约束变形能力，先行隧道轴线位置纵向地表沉降增量不大；而后行隧道掌子面后方部位，随着净距的减小，先行隧道轴线位置纵向地表沉降增量急剧增加，这是由于两隧道之间地层土体的约束变形能力急剧衰退导致的。

（3）在先行隧道掌子面后方9D之后，先行隧道纵向地表沉降增量百分比开始减小。