盾構隧道開挖對鄰近隧道的影響分析

丁海濱，駱祎，徐長節，3，楊園野，許洋

(1．華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌江西330013;2．杭州市城東新城建設投資有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州浙江310058)

盾構隧道開挖對鄰近隧道的影響分析

丁海濱1，駱祎2，徐長節1，3，楊園野1，許洋1

(1．華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌江西330013;2．杭州市城東新城建設投資有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州浙江310058)

依托上海復興東路雙線盾構越江隧道第160～230環施工，利用ABAQUS有限元軟件建立雙線隧道的二維彈塑性有限元模型，分析雙線盾構隧道不同間距及不同埋深情況下后建隧道施工對先建隧道襯砌內力和隧道直徑變化的影響。結果表明:隧道埋深一定，后建隧道施工對先建隧道襯砌彎矩及直徑影響較大，對襯砌軸力的影響較小;隨著間距的增大，彎矩增長率、隧道水平向和垂向直徑變化率均逐漸減小;水平間距一定，隨著隧道埋深的增加，先建隧道靠近后建隧道側襯砌腰部彎矩、襯砌頂部和底部軸力增長率均有增大的趨勢，隧道水平向直徑變化率較為平緩，垂向直徑變化率呈先增大后減小的趨勢。綜合考慮隧道襯砌內力、隧道直徑變化情況及經濟因素，建議隧道間距取隧道洞徑的0.7～0.8，隧道埋深取2倍的隧道洞徑。

盾構隧道;襯砌內力;隧道間距;埋深;數值模擬

地鐵盾構隧道多以雙線為主，合理選擇隧道間距及埋深，不但可以減小隧道施工過程中的風險，而且可以避免經濟上的浪費。目前，后建隧道施工對先建隧道影響的研究主要有理論法［1-2］、試驗法［3-4］及數值模擬法［5-11］。1966年Fotieva等［1］采用Laplace變換推導出彈性土體中相鄰隧道相互影響時襯砌軸力及剪力理論計算公式。1996年Kim等［3］做的2類模型試驗，分別模擬了近間距平行隧道和上下重疊隧道，得出平行隧道與上下重疊隧道的相互影響機理。2004年林志［8］依托上海復興東路越江隧道工程，采用有限元模擬并與實測數據對比，得出后建隧道對先建隧道的影響規律;王偉等［9］采用Marc軟件建模分析了雙線隧道開挖的合理間距。魏綱等［10］對雙線水平平行盾構隧道施工引起的地面沉降計算公式的適用范圍進行了討論，得出了相對水平距離系數。以往研究都集中于埋深不變，先建隧道開挖對后建隧道的影響。

本文以上海復興東路雙線盾構越江隧道第160～230環施工為背景，利用ABAQUS有限元軟件，對不同間距和埋深情況下后建隧道對先建隧道的影響進行研究，并與現場監測值進行比較，驗證數值分析的有效性，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

上海復興東路雙線盾構越江隧道第160～230環長105 m。該段隧道埋深16.8m，兩隧道凈距7.7m，隧道直徑11 m。隧道采用盾構法施工，該區段隧道位置示意如圖1。

圖1 雙線隧道位置示意(單位:m)

2 有限元計算與分析

2.1 計算模型及參數

本文利用ABAQUS有限元軟件模擬，探究不同間距及不同埋深情況下后挖隧道對先挖隧道的影響，模型尺寸為寬160 m，高80 m(見圖2)。土體采用二維實體單元，本構模型為劍橋模型。襯砌采用梁單元模擬，為彈性材料。土體兩邊約束其水平位移，底邊約束水平及豎向位移，土體與襯砌之間采用綁定約束，隧道開挖及襯砌施加的過程利用有限元軟件中生死單元實現。土體及襯砌物理力學參數見表1。

圖2 有限元模型(單位:m)

表1 土層及襯砌物理力學參數

2.2 模擬過程及工況

模擬計算過程分7步進行:地應力平衡、先建隧道開挖區土體剛度折減為原來的50%、激活先建隧道襯砌單元、移除先建隧道開挖區土體、后建隧道開挖區土體剛度折減為原來的50%、激活后建隧道襯砌單元、移除后建隧道開挖區土體。

為研究后建隧道對先建隧道的影響，本文分2種情況進行討論:①隧道埋深不變(16.8 m)，分析不同間距情況下后建隧道施工對先建隧道的影響;②隧道間距不變(7.7 m)，分析不同埋深情況下后建隧道施工對先建隧道的影響。

2.3 計算結果與分析

2.3.1 隧道間距的影響

本文分析了11種不同隧道間距(0.2D(D為隧道洞徑)，0.3D，0.5D，0.6D，0.7D，0.8D，1.0D，1.2D，1.6D，2.0D，2.4D)條件下后建隧道施工時先建隧道襯砌內力和直徑變化情況。隧道觀測點布置見圖3。

圖3 隧道觀測點布置

1)襯砌內力

不同間距條件下先建隧道彎矩及彎矩增長率見圖4。由圖4(a)可知:不同間距條件下后建隧道貫通時，先建隧道襯砌彎矩在靠近后建隧道一側的腰部(B點)變化較大。由圖4(b)可知:在間距為0.2D時，先建隧道襯砌彎矩在B點增長率達到了68%，其他部位彎矩也有所增長，但增長率均＜20%。隨著間距的增大彎矩增長率逐漸減小，在間距＞0.7D之后，B點襯砌彎矩增長率＜35%。

圖4 不同間距條件下先建隧道彎矩及彎矩增長率

不同間距條件下先建隧道襯砌軸力及軸力增長率見圖5。由圖5(a)可知，隨著隧道間距的增大，先建隧道襯砌的軸力增長量較小。由圖5(b)可知:軸力增長最大的位置為隧道襯砌頂部(A點);在間距為0.2D時A點初砌軸力增長率12%，隨著間距的增大軸力增長率逐漸減小，在間距＞2.4D之后，后建隧道施工對先建隧道襯砌軸力基本無影響。

2)隧道直徑

圖6為不同間距條件下先建隧道直徑變化率。由圖可知，隨著隧道間距的增大，隧道水平向及垂向直徑變化率均減小。在間距為0.2D時，隧道水平向及垂向直徑變化率分別為28.6%和23.1%。在隧道間距＞0.7D之后，隧道襯砌水平向及垂向直徑變化率均＜25%。

2.3.2 隧道埋深的影響

1)襯砌內力

為探究隧道間距(7.7 m)一定時，隨著埋深的改變，后建隧道施工對先建隧道的影響，本文模擬分析了6種不同埋深(0.9D，1.3D，1.7D，2.0D，2.6D，3.6D)下隧道襯砌內力及直徑的變化情況。

不同埋深條件下先建隧道彎矩增長量及彎矩增長率見圖7。從圖7(a)可以看出，隨著埋深的增加，在靠近后建隧道一側腰部(B點)及150°處彎矩增長較為明顯。由圖7(b)可知:隨著埋深增加B點彎矩增長率增大，其他部位的彎矩也有所增加，但增長率都＜20%，且隨埋深增加，增長率有減小的趨勢。

不同埋深條件下先建隧道襯砌軸力增長量及軸力增長率見圖8。由圖可知，隨著埋深的增大襯砌頂部(A點)和襯砌底部(C點)軸力增長比較明顯，且增長率有增加趨勢，而襯砌腰部(B，D點)彎矩增長率則呈現降低的趨勢。除此之外，在隧道襯砌30°和150°處軸力變化較為明顯，施工過程中應予以足夠重視。

2)隧道直徑

不同埋深條件下先建隧道直徑變化率見圖9。由圖可知:隨著隧道埋深的增加隧道水平向直徑變化率比較穩定，約為36%;隧道垂向直徑變化率呈現先增大后減小的趨勢，在埋深為2.0D左右達到最大值，大約為55%。

圖5 不同間距條件下先建隧道襯砌軸力及軸力增長率

圖6 不同間距條件下先建隧道直徑變化率

圖7 不同埋深條件下先建隧道彎矩增長量及彎矩增長率

圖8 不同埋深條件下先建隧道襯砌軸力增長量及軸力增長率

圖9 不同埋深條件下先建隧道直徑變化率

2.3.3 計算結果綜合分析

由計算得出的襯砌內力及隧道直徑變化情況，綜合實際工程中施工安全、經濟等因素，建議隧道間距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

3 計算結果與監測結果對比

為驗證以上分析的準確性，對后建隧道貫通前后先建隧道的彎矩及軸力進行了監測(315°～45°范圍內沒有監測)。

先建隧道襯砌彎矩、軸力計算值與實測值對比見圖10。由圖10(a)可知，后建隧道開挖前、貫通后，除隧道底部(180°方向)先建隧道襯砌彎矩計算曲線與現場監測曲線不同外，其他部位變化規律基本一致，且彎矩計算值與監測值基本吻合。從圖10(b)可知，襯砌軸力計算曲線與現場實測曲線變化規律基本一致。

本次數值計算值與實際工程監測值變化規律基本一致。說明通過二維有限元模擬實際工程，對隧道水平間距及埋深變化進行分析，是合理可行的。

圖10 先建隧道襯砌彎矩、軸力計算值與實測值對比

4 結論

1)隧道埋深一定，后建隧道施工對先建隧道襯砌彎矩及直徑影響較大，對襯砌軸力的影響較小;先建隧道在靠近后建隧道一側腰部彎矩增長最明顯，隨著間距的增大，彎矩增長率、隧道水平向和垂向直徑變化率均逐漸減小。

2)水平間距一定，隨著隧道埋深的增加，先建隧道在靠近后建隧道一側襯砌腰部彎矩、襯砌頂部及底部軸力增長率均有增大的趨勢;隧道水平向直徑變化率較為平緩，垂向直徑變化率呈先增大后減小的趨勢。

3)襯砌彎矩及軸力的現場監測曲線與計算曲線除彎矩在襯砌底部有不同外，其他部位變化規律基本一致。

4)綜合考慮隧道襯砌內力、直徑變化情況及經濟因素，建議隧道間距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

［1］FOTIEVA N N，SHEININ V I．Distribution of Stresses in the Lining of a Circular Tunnel When Driving a Parallel Tunnel［J］．Soil Mechanics＆Foundation Engineering，1966(3): 417-422．

［2］施有志．雙孔平行地鐵隧道開挖的復變函數解析解與數值分析［D］．廈門:華僑大學，2013．

［3］KIM S H．Model Testing and Analysis of Interactions Between Tunnels in Clay［D］．UK:University of Oxford，1996．

［4］KIM S H，BURD H J，MILLIGAN G W E．Interaction Between Closely Spaced Tunnels in Clay［J］．Physical Review C，1995，52(1):35-42．

［5］林志．雙線盾構隧道施工過程相互影響三維彈塑性固結耦合研究［D］．上海:同濟大學，2004．

［6］王偉，夏才初，朱合華，等．雙線盾構越江隧道合理間距優化與分析［J］．巖石力學與工程學報，2006，25(1):3311-3316．

［7］魏綱，龐思遠．基于有限元模擬的雙線平行盾構隧道近距離界定［J］．市政技術，2014，32(1):76-80．

［8］舒小剛．淺埋小凈距平行隧道開挖模擬分析［D］．重慶:重慶交通大學，2014．

［9］林志，朱合華，夏才初．雙線盾構隧道施工過程相互影響的數值研究［J］．公路隧道，2009，5(1):1-5．

［10］魏綱，龐思遠．雙線平行盾構隧道施工引起的三維土體變形研究［J］．巖土力學，2014，35(9):2562-2568．

［11］石堅，丁偉，趙寶．隧道開挖過程的數值模擬與分析［J］．鐵道建筑，2010(2):21-24．

Analysis on Influence of Shield Tunnel Driving on Adjacent Tunnels

DING Haibin1，LUO Yi2，XU Changjie1，3，YANG Yuanye1，XU Yang1
(1．Jiangxi Province Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Security and Control，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China;2．Hangzhou New Metro-East Construction Investment Co．，Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310021，China; 3．Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China)

Based on 160th to 230th double track river-crossing shield tunnel construction of Fuxing east road in Shanghai，a two-dimensional elastic-plastic finite element model of double track tunnel was established by using the finite element software ABAQUS and the influence of the latter double track shield tunnel construction with different spacing and different buried depth on the lining internal force and tunnel diameter change of the existing tunnel was analyzed．T he results show that the latter tunnel construction has a great impact on the bending moment and the diameter of the existing tunnel lining and has little effect on the axial force of the lining when the buried depth of tunnels is constant．T he bending moment growth rate，the change rate of the horizontal direction diameter and the vertical direction diameter gradually decrease as the spacing increasing，the waist bending moment，the lining top and bottom axial forcing growth rates of existing tunnel side lining near the latter tunnel show an increasing trend with a constant horizontal spacing when the tunnel buried depth increases．T he change rate of the tunnel horizontal direction diameter is relatively slow，and the change rate of vertical direction diameter increases first and then decreases．Considering the internal force of tunnel lining，the change of tunnel diameter and economic factors，it is suggested that the tunnel spacing should be seven tenths to eight tenths of the tunnel diameter and the tunnel buried depth should be two times the tunnel diameter．

Shield tunnel;Lining internal force;T unnel spacing;Buried depth;Numerical simulation

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．12

1003-1995(2016)12-0041-05

(責任審編葛全紅)

2016-07-10;

2016-10-10

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015CB057801)

丁海濱(1991—)，男，碩士研究生。