盾構區間下穿既有地鐵區間隧道影響分析

王旭聲　閆路恒　錢行

摘 要：為研究盾構區間下穿對既有地鐵區間結構變形的影響，建立地層-結構模型，采用Midas軟件計算盾構下穿施工引起的既有區間結構變形，分析既有區間結構的變形規律。結果表明：盾構下穿施工中既有區間的結構豎向變形先增大后減小，當盾構掘進至隧道正下方位置時豎向變形最大;盾構下穿施工中既有區間的結構橫向變形逐漸增大。

關鍵詞：盾構法;下穿區間;變形

中圖分類號：U455.43;U231.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）07-0106-03

Abstract： In order to study the deformation of shield tunnel passing through the existing subway section， a stratum structure model was established. Midas software was used to calculate the structural deformation of existing section caused by shield tunneling and analyze the deformation law of existing section structure. The results show that the vertical deformation of the structure in the existing interval increases first and then decreases with the increase of shield tunneling. When the shield is driven to the lower part of the tunnel， the vertical deformation is the largest. The lateral deformation of the existing section gradually increases with the shield tunneling.

Keywords： shield method;underpass tunnel;deformation

盾構法因安全、高效、適應性強等優點，被廣泛應用于地鐵區間隧道施工中。在地鐵區間工程中，線路不可避免地需要下穿或上跨管線、隧道等各種風險源，而對風險源的變形控制尤為嚴格[1]。但因地下結構與地層之間的相互作用較為復雜，所以結構變形計算仍比較困難。本文建立地層-結構模型，以鄭州機場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）機場北站—寺東孫站盾構區間下穿既有鄭州地鐵城郊線為例，采用Midas軟件計算下穿施工引起的既有區間結構變形，分析盾構下穿施工中既有區間結構的變形規律，對盾構區間下穿風險源工程施工提出建議和保護措施。

1 計算模型

1.1 工程概況

機場北站—寺東孫站是鄭州機場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）的區間工程，左、右線埋深為15.7～24.6 m，垂直下穿既有鄭州地鐵城郊線孟莊路站—機場城際站區間隧道。區間隧道為圓形，內徑為5.5 m，外徑為6.2 m，于寺東孫站左、右線依次盾構始發，掘進至機場北站接收。工程地貌單元屬山前沖洪積平原區，地形較平坦，沒有對工程有影響的地表水體，地下水位較低[2]。

區間隧道下穿范圍長度約為23 m，與城郊線最小豎向凈距為2.558 m，地質情況主要為黏質粉土。為保證城郊線結構安全運營，采用水平定向鉆進行加固，在既有城郊線隧道外側各6 m范圍內的PE管上布設Φ6 mm梅花型注漿孔，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥。區間隧道空間位置關系如圖1所示。

1.2 計算模型

用于地下結構理論計算的力學模型可分為兩種，即地層-結構模型、荷載-結構模型[3]。地層-結構模型考慮地層與結構的共同作用，多用于結構的變形計算;荷載-結構模型只將結構作為計算對象，多用于結構內力計算。考慮到盾構區間施工引起的既有結構的變形與地層關系密切，因此采用地層-結構模型進行變形分析。

目前，可用于地層-結構模型分析的大型計算軟件有Midas、ANSYS、FLAC等[4]。本次計算采用Midas軟件，土體本構模型采用修正的摩爾-庫侖破壞準則，土體及區間結構采用實體單元。考慮到地層的影響范圍，模型尺寸為90 m×90 m×52 m（長×寬×高），地表設置自由邊界，其他5個面均設置法向變形約束，建立計算模型網絡。計算模型及網格劃分如圖2所示。

1.3 材料參數

計算模型中采用的土層結構自上而下為雜填土—粉砂—黏質粉土—粉砂—黏質粉土—粉質黏土—粉質黏土—粉質黏土。根據地質勘查報告，依照地層特性對相近的土層參數取加權平均值，確定各個數值計算模型中地層的厚度和物理力學參數。

2 計算結果

各工序引起的既有城郊線區間結構豎向變形結果如表1所示。

各工序引起的既有城郊線區間結構橫向變形結果如表2所示。

根據計算結果可知，盾構區間施工引起既有城郊線區間結構的豎向變形最大值為4.983 mm，右線中段管片底部下沉變形;橫向變形最大值為1.787 mm，右線中段管片側壁外凸變形，滿足設計規范要求[5]。豎向、橫向最大變形云圖分別如圖3和圖4所示。

3 結語

本文通過建立三維地層-結構模型，采用Midas軟件計算了新建機場北站—寺東孫站區間盾構下穿既有區間結構的變形，分析盾構下穿施工中既有區間結構的變形規律。結果表明，盾構下穿過程中，既有區間的結構豎向變形先增大后減小，當盾構掘進至隧道正下方位置時豎向變形最大;盾構下穿過程中既有區間的結構橫向變形逐漸增大。針對盾構區間下穿既有結構工程施工提出以下建議和保護措施。

①水平定向鉆加固施工時，應控制鉆進速度和注漿壓力，避免引起管片過大的沉降或隆起，并及時進行監測。

②盾構下穿既有區間時，應嚴格控制注漿壓力、出土量等盾構掘進參數，同時調整盾構姿態，避免因注漿壓力過大或姿態偏差引起的風險[6]。

③盾構施工前應做好工程籌劃，在地鐵非運營時間穿過既有結構節點且在既有線區間范圍內不得停止掘進。

參考文獻：

[1]何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響[J].土木工程學報，2008（3）：91-98.

[2]李倩倩，張頂立，房倩，等.淺埋暗挖法下穿既有盾構隧道的變形特性分析[J].巖石力學與工程學報，2014（S2）：3911-3918.

[3]張志強，何川.南京地鐵區間盾構隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關鍵技術研究[J].巖土力學，2005（11）：20-25.

[4]劉建國.深圳地鐵盾構隧道施工技術與經驗[J].隧道建設，2012（1）：72-87.

[5]楊志勇，江玉生，顏治國，等.盾構下穿地鐵運營隧道沉降規律分析[J].西安科技大學學報，2014（3）：268-273.

[6]黃新民.盾構隧道下穿既有橋樁工程的保護方案研究[J].地下空間與工程學報，2012（3）：557-561，636.