近年来地铁工程发展迅速, 由此产生了大量的盾构隧道工程, 且盾构环境愈益复杂, 盾构隧道长度不断增加。为满足隧道通风防火等要求, 长隧道的施工往往需要设置区间风机房, 盾构机需要从中间直接穿越, 施工过程对周围环境影响较大, 易发生涌水、涌砂及风机房倾覆等险情, 因此成为施工过程中风险控制的重点与难点^[1]。目前, 国内外对于盾构直接穿越工作井的分析相对较少。如RUID DAHU等^[2]、DUN ZHILIN等^[3]研究了南水北调穿黄工程中盾构进出工作井过程中土体加固的稳定性及风险评估。YANG X等^[4]基于弹性力学相关理论, 对北京地铁4号线盾构进洞过程进行了相关理论计算, 进而提出了合理的支护材料的参数。姚占虎等^[5]通过数值模拟的方法, 分析了盾构穿越梅子洲风井的施工过程, 总结了盾构穿越对圆形风井结构的影响。丁德云等^[6]以北京地铁14号线高家园站为背景, 研究了大直径盾构穿越风道过程的影响。陈应举^[7]针对盾构穿越短加固区间风井工程, 总结分析了先临时回填风井地层, 盾构直接穿越回填砂浆的施工技术。然而, 目前为止, 对于盾构穿越风井对周围地下管线的影响以及不同回填方式对穿越过程的影响的研究十分少见。

　　 本文将依托天津地铁1号线东延至国家会展中心项目双林站-李楼站盾构直接穿越区间风机房工程为背景, 利用大型通用有限元软件ABAQUS进行三维流-固耦合模拟, 并与既有监测数据进行对比分析, 在此基础上, 深入研究不同临时回填措施对盾构穿越既有区间风机房工程所产生的环境效应影响, 得出相对安全经济的回填加固方式, 为类似的盾构穿越工程采取何种临时回填措施提供参考与借鉴。

　　 天津地铁1号线东延至国家会展中心项目双林站-李楼站从李楼站小里程出发, 侧面穿过双港大桥桥桩, 西南方向先后下穿南水北调管涵、外环路、外环河、沿景盛路下穿渌水道至双林站明挖段接收。区间线路平面上自李楼站直线出发, 先后经半径400, 600, 2 000m曲线段, 而后再转直线进入双林站明挖段。本区间线路纵断面呈“V”字坡, 区间结构顶部覆土厚度为4.94～17.629m, 区间长度为2 121.979m。两隧道间的净距为6.65m, 属于小净距盾构隧道。该区间盾构筹划为:采用两台中铁建重工集团生产的ZTE6410复合式土压平衡盾构机分别从李楼站小里程端始发, 穿越区间风机房, 向双林站方向掘进, 到双李区间明挖段解体、吊出, 如图1所示。该区间包含2座暗挖联络通道, 一座区间风机房, 兼做盾构过站使用。区间风机房位于景胜路与外环线交口处, 主体呈南北向设置, 长16m, 宽36.6m。风机房剖面图如图2所示, 其主体结构为地下三层, 基坑开挖深度23.81m, 地连墙厚1.0m, 深47m。

　　 本次工程采用风机房底层修建4道平行于盾构方向的钢筋混凝土挡墙进行左右线分仓, 三轴搅拌桩对洞口处土体进行加固, 风机房围护结构外进行高压旋喷桩加固, M2.5砂浆临时部分回填风机房底层结构, 盾构直接穿越风机房及回填砂浆的施工方法。由于附近管线较为复杂, 故加固区长度仅取6m (常规情况下为11m左右) , 加固范围为洞圈上、下、左、右各3m, 加固体指标q_u28为1.0～1.2MPa (常规情况下为0.8～1.0MPa) , 且渗透系数不大于10^-9m/s。M2.5砂浆的配比 (1m³回填材料用量) 为:水泥:砂:水:矿粉:粉煤灰:减水剂=20∶1 200∶300∶50∶325∶6.4, 其回填量为:7.86m×7.68m×14m×2=1 690m³。

　　 根据现场地质勘察报告, 该盾构区间分布有黏性土、粉土、粉砂等各种地层。盾构掘进主要在粉质黏土中进行, 其土质软硬不均, 上部易变形坍塌。且该区间黏性土层属于含水量较高、中～高压缩性、低强度、低渗透性的饱和黏性土, 蠕变量较大, 土层的蠕动易造成开挖面失稳, 同时由于土层黏性较大, 易黏着盾构设备或造成管路堵塞, 给掘进带来困难。同时, 盾构施工穿越粉质黏土、粉土等不同地层时, 软弱层的大量排土也会对盾构线路方向造成一定的影响。

　　 区间风机房东侧为外环线, 附近埋设有多条地下管线, 其具体分布情况如表1所示。由于各管线埋深较浅, 施工过程中必须采取有效措施保证风机房周边管线安全。

　　 现场共设置28个监测点, 如图3所示。其中雨水管、中水水管、输配水管和天然气管处均各布设7个监测点。具体布置为:在各地下管线上方与左右隧道中心轴线交叉点处及两条隧道中点附近各布设一个监测点, 在远离隧道轴线处沿各自管线走向每隔10m布设一个监测点。

　　 由于钢筋混凝土、砂浆、铸铁、钢材等材料的弹性模量要远远大于土体的弹性模量, 因此风机房自身结构、回填区、衬砌、注浆体以及各地下管线等均采用线弹性模型, 其参数如表2所示。加固区土体整体指标大于常规加固体指标, 考虑到其弹性模量同样远大于开挖区土体, 而修正剑桥模型的参数无法直观有效地反映出土体弹性模量的具体数值, 因此在不影响计算结果精度的情况下, 对加固区采用Mohr-Coulomb本构模型, 根据现场的勘测报告及土体的加固指标确定其参数, 如表3所示。盾构掘进主要是在粉质黏土中进行, 土质相对较软, 土层为正常固结状态, 因此对于非加固区这些软土地层, 均采用修正剑桥模型^[8], 根据现场土体的室内试验结果确定其参数如表4所示。由于砂土层不适合用修正剑桥模型^[9,10], 因此对⑧₃粉砂土层采用Mohr-Coulomb本构模型, 其参数如表5所示。

　　 土体模型尺寸为X×Y×Z=276.6m×56m×80m, 其中Y轴正向为盾构前进方向, Z轴负向为土层深度方向, 如图4所示。假设土体为饱和土, 施工过程中不考虑地下水位的变化, 采用C3D8P单元来模拟, 将地表设为排水面。风机房位于土体正中, 大小为36.6m×16m×23.81m, 外围地连墙宽度为1m, 深度为47m, 砂浆的回填量为7.86m×7.68m×14m×2=1 690m³, 内部不透水, 采用C3D8单元来模拟。隧道开挖直径为6.8m, 注浆层厚0.1m, 衬砌厚0.35m, 每环衬砌宽1.4m。衬砌之间用高强度螺栓连接, 考虑到衬砌与衬砌之间的接头对整体衬砌结构刚度的影响, 根据类似工程的经验, 对衬砌结构的刚度折减15%, 由于注浆层及衬砌相对其他部件厚度方向较薄, 因此采用C3D8I单元来模拟, 并假设注浆层与土体之间、注浆层与衬砌之间没有空隙。盾构机简化为一刚度足够大的钢壳, 长为14m, 人为地增大钢壳的密度来模拟盾构机的实际质量, 采用S4单元来模拟。各个地下管线各管线横向贯穿整个土体, 采用C3D8单元模拟。

　　 沿盾构前进方向对模型前后两个平面施加Y向的水平约束, 垂直于盾构前进方向对模型左右两个平面施加X向的水平约束, 模型底面施加X, Y, Z三个方向上的约束, 模型顶面为自由面。同时, 为防止出现孔压自由度 (第8自由度) 不收敛的情况, 初始状态时假设地下水位线处 (假设地表为地下水位线处) 的孔压为零。

　　 各个部件之间的接触关系通过接触对来实现, 接触特性设置:法向为硬接触, 切向为库伦摩擦接触, 其摩擦系数为0.3。

　　 本次盾构穿越区间风机房工程采用“单元生死法”来模拟, 共设置了104个施工步骤, 首先应进行地应力平衡, 其中初始地应力场中侧压力系数通过υ/ (1-υ) 进行计算, υ为泊松比。然后再开始盾构掘进。每一次盾构掘进为瞬间完成, 长度为衬砌环宽, 即1.4m。盾构机长14m, 从左线隧道开始盾构掘进第一环, 待第10个施工步骤完成后即盾构机尾部离开第一环位置处时开始组装第一环衬砌及添加注浆层, 依此类推, 待左线隧道施工完成后再开始对右线隧道进行施工, 直至所有施工步骤全部完成。

　　 此外, 在每一个分析步中的开挖面上施加荷载来模拟泥浆压力的分布, 梯度为泥浆的重力梯度。同时, 为了考虑注浆层的凝固过程, 采用场变量的方法调整注浆单元的弹性模量, 从而近似模拟注浆层的凝固过程。浆液硬化前的弹性模量近似取完全凝聚硬化后的45%。

　　 盾构穿越过程中各地下管线竖向位移云图如图5所示, 图中只截取开挖区域附近部分。由于各地下管线是平行分布的, 且其变形形态相似, 仅最大沉降值存在略微差异, 鉴于本文篇幅有限, 故仅对雨水管的变形结果进行分析。

　　 图6为盾构开挖后雨水管沉降的实测值与模拟值对比曲线, 其中图纵坐标为负表示向下沉降, 为正表示向上隆起。通过对比发现雨水管沉降的模拟值均比较接近实测值, 除远离隧道的个别监测点外, 其余各监测点处竖向累计沉降量的模拟值均略大于实测值, 两者相差约10%～15%, 在合理误差范围之内, 模拟结果与实际工程吻合程度较高。雨水管的累计沉降量不是很大, 小于20mm, 在允许范围内。

　　 无论是左线盾构掘进时还是右线盾构掘进时, 雨水管的竖向变形均以向下沉降为主, 未发生明显的向上隆起现象, 其沉降曲线近似为正态分布曲线, 与地表沉降槽曲线相似。在左线隧道盾构推进完成后, 靠近左线隧道中轴线处的沉降值较大, 最大值在左线隧道中轴线附近处, 远离左线隧道中轴线处其沉降值逐渐减小, 沉降主要集中在左线隧道中轴线附近3倍隧道外径范围内, 且最大累计沉降量主要发生在1.5倍隧道外径范围之内, 约占全部沉降的60%～70%。

　　 在右线隧道盾构推进完成后, 雨水管的沉降规律与左线盾构推进时基本相似。不同的是, 由于左右线两次盾构推进的影响以及管线的累计沉降, 右线推进后, 左线隧道处管线继续沉降。由于是小净距隧道开挖, 最大沉降值并不在右线隧道轴线处, 而是在左、右线隧道轴线中点附近, 并且略微靠近右线隧道处。

　　 在盾构穿越风机房的过程中, 要注重洞门附近的加固与监测, 重点防止前进破除洞门时发生向洞内涌水涌砂等事故。因此, 可通过观测洞口附近土体超孔压的变化情况来分析穿越施工过程中洞口附近的安全状况。其加固区及风机房内部回填模型如图7所示。

　　 由于刀盘切削土体导致土体的超孔隙水压力的变化十分复杂, 为了更好地分析其变化情况, 在风机房前后洞门附近土体处共设置16个观测点, 如图8所示, 其中P₁～P₄, P₉～P₁₂为左线前后洞门处的观测点, P₅～P₈, P₁₃～P₁₆为右线前后洞门处的观测点。鉴于篇幅有限, 且左线盾构穿越过程中, 风机房前侧洞门各观测点附近土体的超孔压变化规律基本相似, 后侧洞门各观测点附近土体的超孔压变化规律也基本相似, 故仅对观测点P₃和P₁₁进行分析。对于右线盾构穿越过程同样如此, 故仅对观测点P₅和P₁₃进行分析。

　　 假定每天前进一个分析步, 第0d时盾构机前盾位于左线隧道距风机房外围地连墙前侧洞门20m处;第11d时, 盾构机抵达左线前侧洞门附近;第18d时, 盾构机抵达左线后侧洞门附近;左线隧道穿越结束时盾尾距风机房后侧洞门20m, 全程共计38d。

　　 图9为左线洞门处观测点P₃和P₁₁的超孔压变化曲线。可以看出, 对于前侧洞门附近土体而言, 无论采取何种回填方式, 当盾构机前盾距风机房较远时, 洞口处土体超孔压几乎为0, 盾构对其土体扰动较小。当盾构机抵达风机房附近时, 洞口处土体超孔压已出现波动, 且距离越近, 波动越大。第11d时, 盾构机抵达洞口处开始穿越风机房, 超孔压开始急剧变化。其变化规律为随着土体的开挖卸载效应以及盾构机身的通过、注浆压力的施加和衬砌的拼装, 土体超孔压先急剧下降后急剧上升。在穿越前洞门时, 超孔压数值波动幅度最大, 此时也是较危险的时刻。随后, 盾构机继续前进, 超孔压继续波动, 但波动幅度逐渐减小, 当第20d后, 孔压逐渐消散, 超孔压趋于稳定。但最终的超孔压数值并不为0, 而是要比未穿越时的略大, 这是因为土体的固结、超孔压的消散是一个长期过程, 而此次仅模拟盾构穿越风机房前后一段距离, 其超孔压还未完全消散。

　　 对比采用三种不同回填方式 (全部临时回填、部分临时回填和不回填) 时超孔压随时间的变化曲线可以看出, 当采用全回填和部分回填时, 二者的超孔压随时间变化曲线几乎重合, 说明就土体超孔压而言, 这两种回填方式的区别不是很明显。而采用不进行临时回填的施工方式时, 超孔压的波动幅度要明显大于前两种施工方式, 说明前两种回填方式的效果还是比较明显的。

　　 对于后侧洞门附近土体而言, 可以看出, 无论采取何种回填方式, 在盾构刚刚穿越前侧洞门时, 后侧洞门处土体超孔压几乎没有变化。当第18d盾构机接近后侧洞门并开始准备穿出风机房时, 超孔压开始出现波动, 且波动一直在持续, 但波动的幅度在逐渐较小, 说明出洞过程对临近土体的开挖对观测点处土体超孔压仍有影响, 其影响效果随着开挖距离的增大而减小。

　　 同时, 对比三种回填方式可以发现, 在盾构穿出后侧洞门时, 三者的超孔压变化曲线几乎重合, 且其变化幅度要明显小于穿进前侧洞门时的变化幅度。

　　 对于右线, 同样假定每天前进一个分析步, 第38d开始分析时, 盾构机前盾位于右线隧道距风机房外围地连墙前侧洞门20m处;第48d时, 盾构机抵达右线前侧洞门附近;第55d时, 盾构机抵达右线后侧洞门附近;右线隧道穿越结束时盾尾距风机房右线后侧洞门20m, 全程共计38d。

　　 图10为右线洞门处观测点P₅和P₁₃的超孔压变化曲线。可以看出, 对于前侧洞门附近土体而言, 无论采取何种回填方式, 右线隧道穿越风机房时, 前侧洞门附近土体超孔压的变化规律与左线隧道穿越时的基本相似, 均是在盾构机抵达风机房附近至穿进前侧洞门时的变化幅度较大。不同的是, 右线穿越时, 在盾构机离风机房相对较远时各观测点的超孔压就已出现波动, 说明已修建的隧道对新建隧道还是有一定影响的。

　　 对比三种回填方式, 同样发现采取全部回填和部分回填时, 超孔压随时间的变化曲线基本相同, 而采取不回填方式时, 其波动幅度最大。

　　 对于后侧洞门附近土体而言, 可以看出, 无论采取何种回填方式, 右线隧道穿越风机房时, 后侧洞门附近土体超孔压随时间变化规律同样与左线隧道穿越时的基本相似, 三种回填方式的区别不是很大且其变化幅度均明显小于前侧洞门的。

　　 本文依托天津地铁1号线延长线盾构穿越双林站-李楼站区间风机房工程, 结合现场监测数据, 利用ABAQUS软件建立不同回填方式的三维流-固耦合模型进行分析, 其结果表明:

　　 (1) 对于小净距隧道而言, 在穿越的过程中, 风机房附近各地下管线沉降曲线均呈正态分布形状, 且其变形均小于20mm。在左线穿越的过程中, 各管线沉降最大值位移左线隧道中轴线附近, 而右线穿越的过程中, 各管线沉降最大值位于左右线隧道中轴线中点附近且略微靠右。

　　 (2) 在盾构穿越过程中, 就洞口附近土体超孔压的变化幅度而言, 前侧洞门处的变化幅度较大, 而后侧洞门处的土体超孔压变化幅度要明显小于前侧的。相对而言, 在盾构穿越前侧洞门时较为危险, 易发生涌水涌砂等危险。

　　 (3) 对比三种临时回填方式, 无论是在左线穿越风机房过程中, 还是在右线穿越风机房的过程中, 采用全部回填方式时的土体超孔压变化幅度最小, 其次为采用部分回填方式的, 二者相差不是很大, 而不采用任何回填措施时的要明显大于前两种方式的。相对而言, 采用部分回填方式的较为经济合理。