盾構(gòu)施工對(duì)某鄰近既有隧道的影響分析

張 芳，潘 浩

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

盾構(gòu)施工對(duì)某鄰近既有隧道的影響分析

張 芳，潘 浩

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

地下地鐵的建設(shè)已成為緩解城市地面交通擁堵問題的重要途徑，但隨著城市地下地鐵建設(shè)的發(fā)展,往往會(huì)遇到盾構(gòu)施工毗鄰或交叉某些既有隧道等問題。筆者采用數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)合肥地鐵南站5號(hào)線下穿1號(hào)線時(shí)，1號(hào)線的拱頂沉降、管片受力、管片變形進(jìn)行分析，并將兩種方法獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從對(duì)比分析中找出二者的異同，總結(jié)規(guī)律，為施工正常進(jìn)行提供理論的指導(dǎo)，也為類似工程提供相應(yīng)參考。

盾構(gòu)施工；交叉隧道；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；對(duì)比分析

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加快速，人口數(shù)量急劇增加，城市已經(jīng)擁擠不堪，城市空間利用迫在眉睫，為了解決這一重大問題，發(fā)展城市地下交通是解決這一問題的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)今，合肥城市地下交通有8條線路，其中，有2個(gè)三線交叉換乘車站，18個(gè)2線交叉換乘車站，這種隧道與隧道之間的交叉施工特別復(fù)雜，要考慮的因素也多，這種交叉方式大致分為二種，第一種是地下相交隧道的兩個(gè)空間的交叉，第二種是新建隧道與既有隧道的交叉，這種相互交叉隧道的施工在工程中尤為特殊，因此隧道交叉的相互影響分析研究與實(shí)際工程的結(jié)合是非常重要的。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)隧道交叉相互影響分析的研究已經(jīng)有了大量的研究課題和研究成果。孫鈞、劉洪洲等[1]利用軟件建立三維彈塑性有限元模型,分析了交疊隧道土層位移及地表沉降曲面在盾構(gòu)推進(jìn)中的發(fā)展變化。楊兆輝、郭晨等[2-7]通過結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)鄰近的交叉隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，通過比較不同施工工藝與不同地質(zhì)條件，如：應(yīng)力場(chǎng)，管片應(yīng)力，地表位移與變形等幾大特點(diǎn)，通過模擬鄰近的交叉施工過程，分析工程特點(diǎn)，總結(jié)規(guī)律。

1 工程概況

合肥南站5號(hào)線下穿1號(hào)線的工程概況里有2標(biāo)段區(qū)間工程，其中包括有1號(hào)線隧道右線長(zhǎng)621.384 m，隧道左線長(zhǎng)616.788 m；5號(hào)線隧道右線長(zhǎng)473.175 m，隧道左線長(zhǎng)462.344 m。1號(hào)線與5號(hào)線的位置關(guān)系為斜交且1號(hào)線左線與5號(hào)線的左右線斜交而右線無交集，5號(hào)線左線下穿1號(hào)線左線，兩條隧道豎向距離約為3.276 m，即兩隧道間土層厚度為3.276 m，5號(hào)線右線下穿1號(hào)線左線，兩條隧道豎向距離約為4.26 m，即兩隧道間土層厚度為4.26 m。

隧道的開挖方式是從繁華大道開始，盾構(gòu)區(qū)間為繁～高區(qū)間，之后盾構(gòu)駛?cè)敫哞F南站內(nèi)部，然后完成調(diào)頭、過站，接著穿過高鐵南站下方的樁基群和合寧高速公路，最后在高鐵南站的南廣場(chǎng)下方下穿1號(hào)線左線。

1號(hào)線的左右線區(qū)間間距約為15.2～41.5 m，且左右線分別有兩個(gè)標(biāo)段的曲線段，半徑均為350 m，5號(hào)線的左右線區(qū)間間距約為9～12.95 m，且左右線僅有一個(gè)標(biāo)段的曲線段，右線半徑為365 m，左線半徑為380 m。

高鐵站～繁華大道站區(qū)間內(nèi)，1號(hào)線左、右線最小坡度為2‰，最大坡度為22.4‰，區(qū)間隧道距離上部地表埋深約8.8～22.1 m。高鐵站～繁華大道站區(qū)間內(nèi)，5號(hào)線左、右線最小坡度為11‰，最大坡度為28.5‰，區(qū)間隧道距離上部地表埋深約11.9～28.4 m。

上部覆土依次為：人工雜填土、粘土(膨脹土)、粘土(膨脹土)、粘土、全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。有關(guān)地層地質(zhì)的參數(shù)如表1所示。

表1 地層地質(zhì)參數(shù)表

數(shù)據(jù)來源：筆者整理。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值模型的建立過程

三維數(shù)值模型的建立過程主要是通過有限元分析軟件Midas GTS NX對(duì)合肥地鐵5號(hào)線下穿1號(hào)線左線的工程實(shí)例進(jìn)行模擬豎向空間交叉時(shí)，1號(hào)線的變形及受力情況以及盾構(gòu)區(qū)間上方地表沉降變化的規(guī)律。實(shí)際工程工況中上下交叉隧道的距離為3m，現(xiàn)以盾構(gòu)隧道與既有隧道垂直距離的不同為工況，研究不同距離盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)既有的1號(hào)線的影響分析，然后與實(shí)際的盾構(gòu)隧道引起的變化做對(duì)比分析。

根據(jù)實(shí)際的施工地質(zhì)條件及施工工況，利用有限元分析軟件建立數(shù)值分析模型，其相應(yīng)的參數(shù)如下：模型大小為110*130*50，上部覆土厚度依次為1.5 m、3.5 m、28 m、7 m、10 m,1號(hào)線隧道頂部距離上部土層厚度為8.8 m，5號(hào)線拱頂距離1號(hào)線拱頂距離為3 m，距離上部土層距離為17 m，盾構(gòu)隧道半徑為3 m，襯砌的厚度為0.3 m，距離左右邊界的距離約為18 m。

2.2 模型圖的建立

根據(jù)上述實(shí)際工況的地質(zhì)條件，不改變其他參數(shù)的前提下，我們將盾構(gòu)隧道5號(hào)線向上平移至與上部隧道距離為2 m的情況為工況一，將實(shí)際相符的工況作為工況二，而將盾構(gòu)隧道5號(hào)線向下平移至與上部隧道距離為5 m的情況為工況三。各隧道空間位置云圖以及各工況數(shù)值模擬隧道布置圖分別如圖1和圖2所示。(各工況數(shù)值模擬隧道布置圖相近這里不重復(fù)出圖)

圖1 各隧道空間位置云圖

圖2 各工況模型圖

3 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果的沉降與應(yīng)力分析

我們整理三種工況的拱頂?shù)某两蹬c管片受力可以得到三種工況的對(duì)比分析圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 三種不同工況下1號(hào)線拱頂沉降變化曲線圖

圖4 三種不同工況下1號(hào)線管片受力變化曲線圖

我們通過改變5號(hào)線下穿1號(hào)線的垂直豎向距離來定義不同的工況，且三種不同工況中有相似的地方也有不同的地方，相同的地方表現(xiàn)在1號(hào)線開挖完成的情況在三種工況下拱頂?shù)某两底兓c管片應(yīng)力變化是相同的，而下穿的盾構(gòu)隧道則由距離的不同盾構(gòu)時(shí)對(duì)上部1號(hào)線左線的影響程度就不同，但數(shù)值模型的建立大致相同，通過對(duì)比總結(jié)，可得出以下結(jié)論：

圖5 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果拱頂沉降對(duì)比圖

(1)隨著距離始發(fā)斷面的距離越遠(yuǎn)，盾構(gòu)施工5號(hào)線右線在推進(jìn)過程中，在0～30 m范圍內(nèi)，1號(hào)線左線拱頂沉降在逐漸加大，這也是盾構(gòu)即將到達(dá)兩隧道的交叉點(diǎn)位置，之后拱頂沉降達(dá)到最大值30 mm，盾構(gòu)掘進(jìn)到達(dá)交叉點(diǎn)位置，也是施工影響對(duì)既有隧道影響最大的危險(xiǎn)點(diǎn)處。隨著盾構(gòu)施工的推進(jìn)，盾構(gòu)遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)，拱頂沉降開始慢慢變小，最后沉降值穩(wěn)定在17 mm左右，這比1號(hào)線開挖完成后的沉降又下降了2 mm，這也能看出遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的位置越遠(yuǎn)，拱頂沉降影響越小。

(2)三種工況下施工對(duì)1號(hào)線左線的影響非常相似，5號(hào)線右線的開挖隨著距離交叉點(diǎn)位置的逼近拱頂沉降與應(yīng)力均在增大，而隨著距離交叉點(diǎn)位置的遠(yuǎn)離又在減小，之后遠(yuǎn)離到一點(diǎn)距離的其他點(diǎn)的數(shù)值無明顯沉降。5號(hào)線左線的開挖類似5號(hào)線右線開挖的過程，但5號(hào)線左線與1號(hào)線交叉點(diǎn)位置到5號(hào)線右線與1號(hào)線交叉位置間的拱頂沉降與應(yīng)力變化都受到5號(hào)線左線盾構(gòu)開挖的影響。

3.2 拱頂位移變化的對(duì)比

我們對(duì)實(shí)測(cè)的1號(hào)線左線的拱頂沉降變化與模擬的5號(hào)線盾構(gòu)時(shí)1號(hào)線左線的拱頂沉降變化做對(duì)比分析，可得對(duì)比圖，如圖5所示。

通過圖5實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比我們可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬的結(jié)果大致上與實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)的一致，最大沉降位置點(diǎn)、拱頂各測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)、5號(hào)線左右線順序開挖后1號(hào)線拱頂沉降的變化特征等方面基本相符，但我們發(fā)現(xiàn)在對(duì)比圖中一些沉降值大小有出入，這主要是5號(hào)線盾構(gòu)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)為1號(hào)線沉降清零的基礎(chǔ)上監(jiān)測(cè)的，但總體相符。

(2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖中是一個(gè)歷時(shí)的變化曲線圖，而數(shù)值模擬的圖形是最終的沉降圖，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于在數(shù)據(jù)的采集、處理、整合的過程難免會(huì)有遺漏或者填寫錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致位移圖散點(diǎn)、圖起點(diǎn)、彎折點(diǎn)比較多整體凌亂，但仍能較清晰的客觀反映該拱頂沉降的規(guī)律。數(shù)值模擬的曲線圖中的數(shù)據(jù)來之軟件，數(shù)據(jù)比較全，比較規(guī)律因此圖形比較工整，但模擬是扔忽略了一些軟件沒有辦法的考慮的因素，所得圖形也稍有瑕疵，但整體與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能有對(duì)應(yīng)起來。

3.3 管片應(yīng)力變化的對(duì)比

將實(shí)測(cè)的1號(hào)線左線的拱頂沉降變化與模擬的5號(hào)線盾構(gòu)時(shí)1號(hào)線左線的管片應(yīng)力變化做對(duì)比分析，可得對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果管片應(yīng)力變化對(duì)比圖

通過圖6實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比我們可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬的結(jié)果大致上與實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)的一致，最大應(yīng)力位置點(diǎn)、應(yīng)力在各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)、5號(hào)線左右線順序開挖后1號(hào)線管片應(yīng)力的變化特征等方面基本相符，但我們發(fā)現(xiàn)在對(duì)比圖中一些應(yīng)力值大小有出入，這主要是5號(hào)線盾構(gòu)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)為1號(hào)線應(yīng)力清零的基礎(chǔ)上監(jiān)測(cè)的，但總體相符。

(2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖中是一個(gè)歷時(shí)的變化曲線圖，而數(shù)值模擬的圖形是最終的沉降圖，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于在數(shù)據(jù)的采集、處理、整合的過程難免會(huì)有遺漏或者填寫錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致位移圖散點(diǎn)、圖起點(diǎn)、彎折點(diǎn)比較多整體凌亂，但仍能較清晰的客觀反映該1號(hào)線左線管片受力的規(guī)律。數(shù)值模擬的曲線圖中的數(shù)據(jù)來之軟件，數(shù)據(jù)比較全，比較規(guī)律因此圖形比較工整，但模擬是扔忽略了一些軟件沒有辦法的考慮的因素，所得圖形也稍有瑕疵，但整體與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能有對(duì)應(yīng)起來。

4 結(jié)論

本文就合肥南站地下交叉隧道工程實(shí)例為背景，利用有限元模擬軟件分析了合肥地鐵5號(hào)線左右線盾構(gòu)開挖對(duì)1號(hào)線的影響分析，總體從盾構(gòu)交叉隧道的位移量與管片受力上進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬分析并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究，得出變化量圖形以及對(duì)比分析數(shù)據(jù)圖，從圖形及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于5號(hào)線左右線下穿1號(hào)線時(shí)，1號(hào)線拱頂?shù)某两底兓痉€(wěn)定，5號(hào)線右線盾構(gòu)開挖時(shí)，1號(hào)線拱頂豎向沉降最大值為7.55 mm，而后沉降穩(wěn)定值在6.755 mm附近，最大隆起部分?jǐn)?shù)值在2.3 mm左右，而5號(hào)線左線盾構(gòu)開挖時(shí)，1號(hào)線拱頂沉降與沉降值變化量明顯比右線盾構(gòu)開挖時(shí)的變化值要小，工程中可針對(duì)拱頂沉降問題對(duì)每個(gè)隧道盾構(gòu)時(shí)的情況進(jìn)行處理。

(2)管片受力分析中，左右線開挖時(shí)管片應(yīng)力值差別較大，右線開挖時(shí)，管片受力最大值達(dá)到23.18 kN，且兩者均發(fā)生了管片受力突變量都超出了預(yù)警值，實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)管片小部位破損，并有滲水，較多管片有小部位破損、開裂、錯(cuò)臺(tái)，施工中應(yīng)及時(shí)做好相應(yīng)補(bǔ)救措施確保工程安全推進(jìn)。

(3)通過數(shù)值模擬工況的對(duì)比分析以及實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與軟件模擬實(shí)際工況下所得數(shù)據(jù)的比較，我們發(fā)現(xiàn)有限元軟件在很大程度上可以反映實(shí)際施工的情況，這樣我們可以利用軟件模擬對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行理論指導(dǎo)，分析工程中的危險(xiǎn)位置，提前防范，確保工程安全。

[1]孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(4)：379-385.

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Research on the Shield Tunneling Exerts Influenceson a Nearby Existing Tunnel

ZHANG Fang, PAN Hao

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

The construction of underground subway has become an important way to alleviate the problem of urban ground traffic congestion. However, with the development of urban underground subway construction, the shield construction adjacent to or crossing some existing tunnel is always occurred. In this paper, the method of numerical simulation and analysis of the monitoring data have been adopted to make an analysis the line 1 of the vault settlement, the stress of segment, the deformation of segment for the Hefei Subway Station line 5 crossing line 1. The results obtained by the two methods were compared and analyzed, and find out the similarities and differences between the two methods from the comparative analysis. Final summary of the law not only provides theoretical guidance for the construction of the normal, but also provides a corresponding reference for the similar projects.

shield construction; crossing tunnel; numerical simulation; on-site monitoring; comparative analysis

2017-03-13

張芳(1993-)，女，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：道路與橋梁工程理論與運(yùn)用；潘浩(1990-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用。

U45

A

1009-9735(2017)02-0133-05