地鐵盾構法隧道正交下穿施工對既有隧道影響分析

康 佐，代光輝

（1.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著我國城市地鐵的廣泛修建，新建隧道近距離穿越既有線路的情況大量出現，其中主要包括正交與斜交2種形式，同時又分為新建隧道上穿與下穿既有隧道2種情況。盾構施工近距離穿越既有隧道時不可避免地引起既有結構的附加內力與位移，同時也會對地表產生一定的影響，施工不當往往會對既有隧道造成較大破壞，影響其正常使用，新建隧道對既有隧道的影響不容忽視，對其進行深入研究具有重要的工程實踐意義。

國內一些學者對此展開了一系列研究，方勇等［1-2］運用三維有限元方法對平行隧道和正交下穿隧道的施工進行了模擬，模型中考慮了盾構與管片襯砌的相互作用，以及管片襯砌結構的橫觀各向同性性質，分析了既有隧道位移、變形和內力的變化規律；姚捷等［3］在剛度遷移原理的基礎上，提出了求解各施工步影響的沉降差值法，由單步增量求得相鄰線路盾構施工對既有隧道影響的全量，并對此進行了仿真計算；汪洋等［4］采用室內相似模型試驗和三維有限元數值計算相結合的手段，引入了橫向與縱向等效剛度折減系數，對既有隧道附加彎矩、軸力等進行了研究；文獻［5-7］通過三維數值模擬分析，對基坑施工全過程進行了動態模擬，分析了基坑開挖對既有隧道的變形及內力的影響；文獻［8-10］分別使用有限元數值方法模擬了盾構隧道施工對既有近距離運營隧道的影響。文獻［11-12］使用現場實測數據分析了近距離隧道施工對既有平行隧道的影響特征。

綜上所述，雖然很多學者針對新建隧道近距離穿越既有隧道中的一些問題進行了分析研究，但是從地層位移、既有隧道位移及管片襯砌的受力變形特征多方面綜合分析的卻相對較少。本文以西安地鐵某區間盾構隧道為研究背景，運用三維有限元數值分析方法，對新建盾構隧道正交下穿施工所引起的上部地層位移、既有隧道位移及管片襯砌的受力變形特征進行了深入分析，以期對類似工程的設計和施工起到一定的借鑒和指導作用。

1 地層條件

西安地鐵區間隧道場地土層主要有人工填土、老黃土、飽和軟黃土、古土壤、粉質黏土及砂夾層等，總體特征為土類多，空間分布變化大，土體的均一性較差，且大多數土體分布在地下水位以下，受地下水的影響較大。各土層多為可塑狀態，局部為軟塑狀態，飽和軟黃土為軟塑-流塑狀態，易坍塌下陷及變形。由地表向下，填土性質較差，新黃土及在水位附近的飽和軟黃土土質相對較軟，向下各層土的性質隨深度的增加相對漸好，古土壤中裂隙發育。根據現場地質勘探報告，選擇如表1所示的地層參數進行模擬。

表1 模型中的材料參數Table 1 Material parameters

2 數值模型

2.1 模型的建立

采用ANSYS有限元軟件對盾構掘進過程進行模擬，根據盾構隧道與既有隧道的相對位置關系建立三維模型，模型尺寸：L×W×H=60 m×60 m×47 m，如圖1所示。既有隧道埋深6 m，新建隧道埋深18 m，新建隧道正交下穿既有隧道，二者相距6 m，如圖2所示。管片襯砌外徑為6 m，內徑為5.4 m，管片厚30 cm，管片幅寬為1.5 m，模型中沿盾構推進方向每3 m（兩環管片）劃分一個單元，模型共12 960個實體單元，14 415個節點。隧道管片和地層均采用Solid 45單元，土體的本構模型采用摩爾庫侖彈塑性模型，模型前后左右為水平約束，下部為豎直約束，地表為自由邊界。

圖1 整體計算模型Fig.1 Calculationmodel

圖2 模型正視圖Fig.2 Front view ofmodel

2.2 盾構掘進模擬

對于盾構施工過程的動態模擬，可以采用單元“生”、“死”和改變材料屬性的方法來完成，其中盾構單元、襯砌單元和擾動層單元都是預設單元。當盾構推進時，將前方的土體設為盾構的參數，并殺死盾尾空隙處單元，同時沿徑向施加注漿壓力（取0.3 MPa）。為了綜合考慮土艙壓力、刀盤面板作用力等因素對掘削面的作用，在掘削面施加頂進壓力（取0.311 MPa，對應的頂進力為10 000 kN），同時在盾構后方管片上施加頂進反力。盾尾脫出一段距離后，激活管片襯砌單元和擾動層單元。

2.3 工況約定

為了觀測地表沉降的動態變化，在地表設置了2個觀測斷面，分別為斷面1與斷面2，如圖3所示。選取4個位于不同位置的盾構開挖面來研究地表及既有隧道結構的動態變化過程，其中位置4為盾構掘通，如圖4所示。

圖3 地表監測位置Fig.3 Monitoring points on ground surface

圖4 選取的分析位置Fig.4 Analysis positions selected

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

新建隧道開挖引起的地表沉降值如圖5所示，地表沉降曲線類似Peck曲線。由圖5可知，盾構掘進至位置1時，斷面1的地表沉降量要大于斷面2，斷面1的最大地表沉降量達到了24 mm，斷面2的最大地表沉降量為6 mm；盾構掘進至位置2時，隨著盾構的不斷推進，地層損失不斷增大，地表沉降也在不斷增加，其中，斷面1的最大沉降量達到了27 mm，斷面2的最大沉降量達到了14 mm，斷面2的增幅要大于斷面1；當開挖面到達位置3時，斷面1的沉降量逐漸趨于穩定，斷面2的沉降量持續增加，斷面1與斷面2的最大地表沉降量分別為30 mm和24 mm；新建隧道貫通后，斷面1與斷面2的沉降曲線趨于重合，其中斷面1的最大地表沉降量為29 mm，斷面2的最大地表沉降量為27 mm。

3.2 管片位移分析

選取既有隧道與新建隧道交界處管片上、下、左、右4個位置進行觀測（如圖6所示），并分析新建隧道在掘進過程中管片上4個位置的位移變化情況。

由圖7可看出，隨著盾構的推進，既有隧道沉降量不斷增加，最大沉降量達到了32mm。根據《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》，要求對既有隧道沉降量的控制要小于20 mm，可看出新建隧道的施工已經對既有隧道的結構安全造成了較大影響。同時，管片襯砌結構各結點的沉降量之間存在差異，它們之間產生了相對沉降。左、右結點的相對沉降說明管片環發生了扭轉，上、下結點的相對沉降說明管片環發生了變形。左、右結點的相對沉降先隨盾構的掘進而逐漸增大，當掘進到既有隧道正下方時，相對沉降值達到最大值8.15 mm。此后，左、右結點的相對沉降逐漸減小，最后趨于穩定值1.43 mm。在盾構推進過程中，先是上結點比下結點沉降的多，說明上、下結點在向內變形，根據圓形襯砌的受力和變形特點可知，既有隧道受到“加載”作用，向內變形在掘削面距既有隧道1.5D（D為隧道外徑）處達到最大值0.46mm。盾構通過既有隧道后，下結點比上結點沉降的多，說明上、下結點在向外變形，既有隧道受到“卸載”作用，向外變形達到最大值2.42 mm，此后卸載作用減弱，向外變形逐漸減小，最后穩定在1.94 mm。

圖5 不同工況下的地表沉降Fig.5 Ground surface settlement in different cases

圖6 既有隧道觀測位置Fig.6 Observation positions of existing tunnel

圖7 既有隧道沉降隨盾構掘進變化Fig.7 Settlement of existing tunnel Vs shield boring

由圖8可看出，各結點的側移量（Z方向位移）是不同的，各結點之間產生了相對側移。其中，上、下結點的相對側移說明管片環發生了扭轉，左、右結點的相對側移說明管片環發生了變形，上、下結點的相對側移先隨盾構的掘進而逐漸增大，當掘進到既有隧道正下方時，相對側移值達到最大值7.00 mm。此后上、下結點的相對側移逐漸減小，最后趨于穩定值1.96 mm。

圖8 既有隧道側向位移隨盾構掘進變化Fig.8 Lateral displacement of existing tunnel Vs shield boring

在盾構推進過程中，先是右結點比左結點側移的多，說明左、右結點在向內變形；然后出現左結點比右結點側移的多，說明左、右結點在向外變形。根據圓形襯砌的受力和變形特點可知，既有隧道受到加載作用，向外變形在削掘面距既有隧道0.5D時達到最大值0.36 mm。隨著掘進的繼續，右結點比左結點側移的多，說明左、右結點在向內變形，既有隧道受到卸載作用，向內變形最大值0.27 mm，此后卸載作用減弱，向內變形逐漸減小，最后穩定在1.79 mm左右。

3.3 管片內力分析

由應力云圖9—12可以看出（應力受拉為正，受壓為負），開挖面到達既有隧道之前由于盾構開挖對土體的卸載作用，使得土體對既有隧道管片的向上支撐作用減小，最大第一主應力出現在管片下部，為4.94 MPa；既有隧道管片結構的最大第三主應力出現在右側拱腰，為-7.33 MPa；開挖面到達既有隧道正下方時，最大第一主應力與最大第三主應力都有一定程度的減小，分別為4.79 MPa和-7.17 MPa；盾構通過既有隧道后，第一和第三主應力均持續增加，盾構掘通后，管片第一和第三主應力區位置變化不大，既有隧道結構最大第一主應力與最大第三主應力分別為4.9 MPa和-7.33 MPa，滿足混凝土抗壓強度。

圖9 工況1應力云圖（單位：Pa）Fig.9 Contour of stress in case 1（Pa）

圖10 工況2應力云圖（單位：Pa）Fig.10 Contour of stress in case 2（Pa）

圖11 工況3應力云圖（單位：Pa）Fig.11 Contour of stress in case 3（Pa）

圖12 工況4應力云圖（單位：Pa）Fig.12 Contour of stress in case 4（Pa）

從既有隧道的主應力隨盾構掘進變化圖（見圖13）可以看出，既有隧道管片第一和第三主應力隨新建隧道掘進逐漸加大，但在削掘面到達既有隧道正下方時，由于盾構的頂推作用，管片第一和第三主應力稍有減小；當盾構經過既有隧道后，管片第一和第三主應力繼續增大。但總的來說，管片應力變化很小。

圖13 主應力隨盾構掘進變化Fig.13 Principal stress Vs shield boring

4 結論與建議

1）正交下穿盾構隧道施工時，既有隧道上方的地表最大沉降量小于其他地方的地表最大沉降量。

2）正交下穿盾構隧道施工時，既有隧道發生不均勻沉降，同時沿著盾構推進方向發生不均勻側移和扭轉，沉降、側移和扭轉的最大值發生在新建隧道的正上方。但總的來看，最大沉降和最大側移發生在盾構通過既有隧道的下方后。

3）正交下穿盾構隧道施工時，既有隧道將產生二次變形。盾構到達既有隧道下方之前，由于頂進力的作用，既有隧道上、下結點將向內變形，左、右結點將向外變形；盾構通過既有隧道下方后，既有隧道上、下結點將向外變形，左、右結點將向內變形。

4）在隧道縱向上，隨著盾構的推進，既有隧道下表面拉應力增加，拉應力的增加對既有隧道縱向安全極為不利。

修建的正交下穿隧道對既有隧道的影響較大，為了將該影響控制在允許范圍內，建議對新舊隧道重疊區域的地層進行加固，同時嚴格控制盾構施工過程中頂推力的大小及管片襯砌背后的注漿壓力。

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