不同交角疊交隧道盾構施工地層變形規律研究

周建軍，楊振興，郭 璐

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

不同交角疊交隧道盾構施工地層變形規律研究

周建軍1,2，楊振興1,2，郭 璐1,2

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為了研究交疊隧道不同交角下后建隧道盾構施工對地表及既有隧道圍巖的影響，建立三維彈塑性有限元模型進行非線性靜力應力應變分析。結果表明：地表沉降等值線形狀與疊交隧道平面投影類似；隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂(仰拱)沉降逐漸變小，但變化量不大；交角為15°～45°時，既有隧道圍巖變形沿軸線的變化率增大。研究成果可為今后交疊隧道線路規劃和設計的優化提供參考，同時為優化盾構施工參數，有效進行施工過程控制，保證科學合理、安全優質地完成隧道施工提供借鑒。

地鐵；交疊隧道；隧道交角；盾構法；地層變形

0 引言

伴隨著城市地鐵的廣泛應用，城市軌道交通網趨于完善，地鐵隧道之間的距離越來越小，后建隧道經常會以不同的角度下穿既有隧道。大量的研究計算表明，無論采用何種方法開挖下部后建隧道，后建隧道的埋深設計、與已建隧道的設計夾角都會對既有隧道及圍巖產生不同影響[1-3]。

水平平行及垂直交疊隧道是地鐵建設中經常遇到的設計形式，關于隧道圍巖變形、應力-應變發展規律等方面的研究成果較多，其施工工藝及處治措施已比較成熟。Liman E S等[4]通過二維和三維數值模擬，對近距離平行隧道施工期間的相互影響進行了研究；王國波等[5]以武漢軌道交通2號線與4號線在洪—中區間4孔緊鄰交疊隧道為研究對象，將交疊隧道簡化為平行重疊和垂直交叉隧道，分析了緊鄰多孔交疊隧道的三維地震響應。

由于地質條件的限制及地下空間的綜合開發利用，在城市交通規劃中不可避免地會產生近距離斜交隧道。對于這種型式的隧道，后建隧道是在既有隧道完成之后修建的，后建隧道的施工必然會影響既有隧道結構的受力狀態，引起既有隧道變形及地層變形。由于目前工程經驗較少，斜交隧道中后建隧道對既有隧道及圍巖的影響規律還未明確，準確預測后建隧道施工引起的地層變形規律、影響范圍以及對既有隧道的影響規律等，對設計和施工安全十分重要。孫鈞等[6]研究了上海市明珠線二期工程上、下行線近距離交疊區間隧道盾構施工過程對地面及圍巖的位移影響，并提出地層加固措施；包德勇[7]對平面交角為54°的交疊隧道進行了有限元分析，揭示了既有隧道結構受力及位移隨后建隧道施工推進的變化規律；勒曉光等[8]對重慶市渝中區朝天門大型互通式地下立交的平交(15°)和上下正交進行了動態施工力學研究。綜合國內外對于平面斜交隧道的研究，大部分都是針對某一特定工程，按照施工過程考慮后建隧道對既有隧道和地層的變形影響。

本文以某市地鐵上、下行線近距離交疊區間隧道盾構施工地質條件、隧道設計、施工參數為依據，按照“先上后下”的盾構推進過程，采用三維彈塑性有限元法Midas GTS程序軟件，對不同交角后建隧道引起的地層位移變化及既有隧道位移變化進行研究，得出一些有益的結論，以期為今后類似工程設計提供參考。

1 分析模型建立

1.1 計算模型及邊界條件

為了研究施工過程中的空間效應，計算中采用三維有限元模型，分析采用Midas GTS有限元程序。根據隧道設計尺寸，盾構開挖直徑為6 m，襯砌管片厚0.3 m、寬1.5 m，盾構每掘進1.5 m拼裝一環管片，掘進面距離拼裝管片6 m。圍巖采用4節點三維實體單元模擬，管片采用二維板單元模擬，不考慮管片環間接頭和縱向接頭的相對位移。

為了減少邊界效應的影響，模型沿既有隧道縱向取75 m，橫向取66 m，既有隧道埋深為12 m，后建隧道下方取24 m計算范圍，既有隧道中心軸線與后建隧道中心軸線的垂直距離為11 m。既有隧道軸向平行于Y方向，后建隧道與既有隧道平面交角分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°。當平面交角為30°時，隧道計算模型如圖1所示。

模型上邊界取為自由邊界，下邊界約束Z方向的位移，左右邊界約束X方向的位移，前后邊界約束Y方向邊界。

1.2 材料物理力學參數選取

根據隧道沿線的地質勘察報告，研究范圍內的隧道以土和軟巖為主，將隧道沿線各地層概化為3層(素填土、粉質黏土和軟巖)，厚度分別為3，6，41 m，既有隧道及后建隧道下穿軟巖地層。

(a)

(b)

隧道結構采用預制裝配式鋼筋混凝土單層內襯，錯縫拼裝，管片混凝土強度等級為C30，螺栓強度等級為4.6級。各層材料及管片物理力學參數如表1所示。

表1 材料及支護物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters

1.3 計算荷載及施工過程

計算荷載主要考慮地層的自重應力場和混凝土襯砌的重力。對未擾動地層進行應力初始化，位移清零。既有隧道和后建隧道均以每步1.5 m的速度掘進及管片支護，管片距離掘進面6 m。為避免邊界擾動，對隧道端面進行分步應力釋放，荷載釋放率分別為30%，20%，20%，20%和10%。

1.4 屈服準則及變形模式

土體和巖體均采用摩爾-庫侖破壞準則，如圖2所示。破壞包絡線函數定義為：

式中：Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)；c為黏聚力；φ為內摩擦角；σt為材料的抗拉強度。

圖2 摩爾-庫侖破壞準則

2 計算結果分析

2.1 既有隧道開挖

既有隧道(上隧道)開挖過程中，拱頂發生沉降最大，最大豎向位移為-2.30 mm，隧道正上方地表沉降-0.80 mm；隧道底上揚，上揚位移2.44 mm；隧道兩幫水平相對收斂位移為2.60 mm。既有隧道開挖至43.5 m時，圍巖豎向位移量如圖3所示。

2.2 地表沉降規律

既有隧道開挖導致地表沿隧道軸線方向發生沉降，最大沉降-0.80 mm，垂直于軸線的平面內，地表沉降呈漏斗狀。

圖3 既有隧道開挖圍巖豎向位移Fig.3 Vertical displacement of existing tunnel induced by excavation

與既有隧道呈一定交角的后建隧道開挖過程中，地表繼續產生沉降位移。隧道夾角不同，后建隧道導致的地表沉降走向也不同。當隧道交角為30°，60°和90°時，隧道開挖支護完畢后地表沉降位移如圖4所示。地表最大沉降位移為-1.76 mm，發生在2條隧道相交的正上方地表，為既有隧道開挖導致地表沉降的2.20倍。因此，交疊隧道對地表的影響遠大于單隧道對地表沉降影響之和，隨著隧道夾角變化，地表最大沉降量變化不大。

比較隧道交角為30°，60°和90°，后建隧道開挖使得地表沉降槽方向軸發生一定角度的偏移。隨著隧道交角的變大，地表相同沉降值圍成的面積逐漸變小，形狀與交疊隧道平面投影類似；當隧道交角為90°時，地表沉降等值線呈橢圓狀，沉降槽主軸仍沿既有隧道軸向方向。由此可見，隧道埋深越大，對地表的沉降影響越小。

圖4不同交角隧道開挖導致地表沉降分布云圖

Fig.4 Contour of ground surface settlement caused by excavation of overlapping tunnels with different intersection angles

提取隧道不同交角下，既有隧道開挖支護及后建隧道開挖支護導致的地表中心點沉降位移，如圖5所示。可以看出：隧道交角從0°變化到90°，地表中心點沉降位移變化不大；當交角為45°時，地表中心點沉降位移最大，為-1.8 mm。

2.3 既有隧道圍巖變形規律

后建隧道開挖支護必定會對既有隧道拱頂、仰拱的豎向位移及兩幫的水平位移產生影響。

交疊隧道交角為60°時，隧道開挖支護完畢后圍巖豎向位移分布如圖6所示。從圖6中可以看出：既有隧道拱頂最大沉降為-3.30 mm，沿軸線方向沉降逐漸減小；仰拱最小上揚位移為0.5 mm，沿軸線方向上揚逐漸變大。

圖5 地表中心點豎向位移隨交角變化規律Fig.5 Vertical displacement of center point of ground surface Vs intersection angle

圖6 交角為60°時隧道開挖圍巖豎向位移Fig.6 Vertical displacement of surrounding rock under 60° intersection angle

不同隧道交角下，后建隧道開挖支護導致既有隧道拱頂沉降沿隧道軸向方向的變化擬合曲線如圖7所示。從圖7中可以看出：既有隧道拱頂沉降沿隧道軸向呈漏斗狀分布，距離隧道交疊處越小，拱頂沉降越大，即后建隧道對既有隧道的影響越大。比較隧道不同交角下既有隧道的拱頂沉降，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂沉降逐漸變小，但變化量不大，最大為-1.02 mm，最小為-0.92 mm；隨著交角變大，既有隧道拱頂沉降沿軸線的變化率越大，交角為15°～60°時，變化率改變量最大。

圖7 既有隧道拱頂位移變化曲線

不同隧道交角下，后建隧道開挖支護導致既有隧道仰拱沉降沿隧道軸向方向的變化擬合曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，既有隧道仰拱沉降呈漏斗狀分布，距離隧道交疊處越小，仰拱沉降越大。比較隧道不同交角下既有隧道拱頂沉降，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂沉降逐漸變小，其變化量比對拱頂的影響變化量稍大，最大變化量為-1.42 mm，最小變化量為-0.98 mm。隨著交角變大，既有隧道拱頂沉降沿軸線的變化率越大，交角為45°～90°時，變化率改變量最大。

圖8 既有隧道仰拱位移變化曲線

因此，在隧道線路規劃設計與施工中，應特別注意隧道交角為15°～45°的區間。

2.4 后建隧道圍巖變形規律

交疊隧道交角為60°時，隧道開挖支護完畢后圍巖豎向位移分布云圖如圖9所示。后建隧道拱頂最小沉降-2.75 mm，沿軸線方向沉降逐漸增大，最大沉降-3.5 mm；仰拱最小上揚位移3.7 mm，沿軸線方向隨著離隧道間的交疊點距離變大，上揚逐漸減小。

圖9 交角為60°時隧道開挖圍巖豎向位移Fig.9 Vertical displacement of surrounding rock of new tunnel with 60° intersection angle

后建隧道開挖支護后拱頂沉降位移如圖10所示。從圖10中可以看出：后建隧道拱頂沉降受既有隧道影響明顯，交疊處拱頂沉降明顯小于沿軸線兩側拱頂沉降，拱頂最小沉降為-2.50 mm，最大沉降為-3.90 mm；隧道交角為15°～60°時，距離交疊處相同的后建隧道拱頂某點沉降量變化明顯。

圖10 后建隧道拱頂位移變化曲線

后建隧道開挖支護后仰拱上揚位移如圖11所示。從圖11中可以看出，后建隧道拱頂沉降受既有隧道影響不明顯，仰拱上揚位移差為0.18 mm。

圖11 后建隧道仰拱位移變化曲線

比較后建隧道拱頂和仰拱的位移變化量，距離交疊處越遠，既有隧道和交角對后建交疊處影響越小，而且對拱頂的影響比仰拱的大。

綜合上述分析可知，后建隧道開挖支護對交疊圍巖豎向位移變化較大，距離交疊處越遠，圍巖位移影響越小。

3 結論與討論

通過對后建隧道以不同交角下穿既有隧道的有限元計算，分析了后建隧道對地表沉降及既有隧道圍巖位移的影響，以及隧道交角變化對隧道圍巖的位移影響規律。主要結論如下：

1)交疊隧道開挖對地表的沉降位移影響遠大于單隧道對其影響之和，不同交角隧道地表最大沉降點為交疊處正上方。

2)隨著隧道交角的變大，地表相同沉降值圍成的面積逐漸變小，形狀與交疊隧道平面投影類似。

3)同一隧道交角下，既有隧道拱頂(仰拱)沉降呈漏斗狀分布。不同隧道交角下，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂(仰拱)沉降逐漸變小，但變化量不大；交角為15°～45°時，既有隧道圍巖變形沿軸線的變化率增大。因此，在工程線路規劃中，應特別注意交角為15°～45°時隧道的設計與施工。

4)既有隧道的存在對后建隧道拱頂位移影響明顯，交疊處拱頂沉降明顯小于沿軸線兩側拱頂沉降，但對仰拱變形影響不大。

淺埋交疊隧道施工是目前隧道施工的重難點問題之一，合理的隧道線路規劃和埋深設計對隧道安全施工至關重要。本文以某地鐵隧道為研究對象，其研究數據具有局限性，但結論具有普遍規律性，可為今后交疊隧道線路規劃和設計的優化提供參考。

針對淺埋交疊隧道施工研究課題，以本文作為研究基礎，需要考慮更多的影響因素，從而進一步探討隧道之間的影響規律。同時，根據各隧道工程的異同，在普遍規律的基礎上，有必要進行針對性研究，以提高工程施工的安全性。

[1]王清標，蔣金泉，路林海，等.不同開挖方式對近距離交疊隧道影響模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32(10)：138-146.(WANG Qingbiao，JIANG Jinquan，LU Linhai,et al.Numerical simulation for influence law of different excavation methods on adjacent overlapping tunnels[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013，32(10): 138-146.(in Chinese))

[2]吳克新.青島地鐵交疊隧道施工力學響應與地面建筑變形控制研究[D].泰安：山東科技大學土木建筑學院，2010：42-59.(WU Kexin.Research on the mechanical response of overlapped tunnels and the deformation control of building in Qingdao Metro construction[D].Taian: School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology,2010: 42-59.(in Chinese))

[3]張海波，殷宗澤，朱駿高.近距離疊交隧道盾構施工對老隧道影響的數值模擬[J]，巖土力學，2005，26(2)：116-120.(ZHANG Haibo，YIN Zongze，ZHU Jungao.Numerical simulation of influence of new tunnel on short distance overlapped old tunnel during shield tunneling[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(2): 116-120.(in Chinese))

[4]Liman E S,Duddeck H，Ahrens H.Two-dimensional and three-dimensional analysis of close spaced double-tube tunnels [J].Tunnelling and Underground Space Technology,1993,8(1): 13-18.

[5]王國波，陳梁，徐海清，等.緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究[J].巖土力學，2012，33(8)：248-255.(WANG Guobo,CHEN Liang,XU Haiqing,et al.Study of seismic capability of adjacent overlapping multi-tunnels[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8): 248-255.(in Chinese))

[6]孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構法施工土體變形的三維數值模擬[J].同濟大學學報：自然科學版，2002，30(4)：3-9.(SUN Jun，LIU Hongzhou.3-D numerical simulation of ground surface settlement under overlapped shield tunneling[J].Journal of Tongji University：Natural Sciences,2002,30(4): 3-9.(in Chinese))

[7]包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數值模擬[J].地下空間與工程學報，2011，7(1)：131-136，210.(BAO Deyong.Numerical simulation on effect of construction in closely overlapped tunnels[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(1): 131-136,210.(in Chinese))

[8]勒曉光，張憲鑫，李勇，等.大型地下立交動態施工過程3D有限元分析[J].地下空間與工程學報，2009，5(2)：13-17.(LE Xiaoguang,ZHANG Xianxin,LI Yong,et al.3D finite element research on dynamic construction mechanics for a large-sized underground interchange[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009,5(2): 13-17.(in Chinese))

StudyonStrataDeformationCharacteristicsofDynamicConstructionofOverlappingShieldTunnelswithDifferentIntersectionAngles

ZHOU Jianjun1,2,YANG Zhenxing1,2,GUO Lu1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

A 3D elastic-plastic finite element model is established and nonlinear static stress and strain analysis is made so as to analyze the influence of the construction of the overlapping tunnel on the ground surface and surrounding rocks of the existing tunnel under different intersection angles.Conclusions drawn are as follows: The shape of the contour of the ground surface settlement is similar to the projection of the overlapping tunnel; As the intersection angle increases,the crown (invert)settlement of the existing tunnel at the overlapping point reduces gradually,however the change value is small; When the intersection angle ranges from 15° to 45°,the change rate of the deformation of the surrounding rock of the existing tunnel along the tunnel axis increases.The research results not only can provide reference for the plan and design of similar overlapping tunnels in the future,but also can provide reference for the optimizing of the shield boring parameters so as to achieve scientific,rational,safe and high-quality tunneling.

Metro; overlapping tunnel; intersection angle; shield method; strata deformation

2014-07-10;

2014-09-16

863計劃課題(2012AA041802，2012AA041803)；國家國際科技合作專項(2011DFB71550)；洛陽市應用技術研究與開發資金項目(1301065A)；隧研合2013-10

周建軍(1969—)，男，湖南株洲人，2006年畢業于法國里爾科技大學，土木工程專業，博士，教授，主要從事巖石力學地下工程技術方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.003

U 455

A

1672-741X(2014)11-1031-05