盾構下穿既有隧道擾動效應分析

肖果

(湖南省有色地質勘查局工程地質總隊， 湖南 長沙 410000)

隨著城市建設不斷推進，地鐵線路越來越多，線路空間交錯情況越來越復雜，其中新建隧道近距離下穿既有隧道的情況最為常見。下伏新建線路施工會擾動周邊一定范圍內土體，破壞土層結構原有平衡，導致既有線路結構產生附加內力和位移，甚至影響既有隧道的正常使用。已有學者針對盾構正交和斜交下穿既有隧道的情況進行了研究，如康佐等以西安某盾構隧道正交下穿既有隧道為背景，采用有限元軟件分析了既有隧道管片位移、內力及地表沉降規律；楊成永等通過數值模擬結合現場監測數據及盾構施工參數，研究了盾構隧道近距離下穿既有線路時既有隧道的沉降規律；賀雪來等通過現場監測與數值模擬，證明了盾構下穿工程采用MJS加固措施能顯著控制地面沉降和既有隧道變形；楊春山等以廣州某盾構隧道工程為背景，建立盾構下穿既有線數值計算模型，得到了盾構掘進對既有線路位移的影響規律；來弘鵬等針對新建隧道小角度斜下穿既有隧道工程，分析了土倉壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數對既有隧道的擾動效應。但鮮有研究分析下穿隧道的不同設計施工因素對既有隧道的擾動效應。該文以杭州某盾構隧道下穿運營隧道為背景，采用有限差分軟件構建數值計算模型，分析新建隧道在不同盾構推力、與既有隧道間距、上部覆土厚度情況下盾構施工對既有隧道的擾動效應。

1 工程概況

杭州某新建地鐵線路近距離盾構下穿已運營地鐵隧道，兩隧道的位置關系見圖1。新建線路埋深20.6 m，與既有隧道距離僅2.1 m，為超近距離下穿工程。施工隧道結構采用預制鋼筋砼管片，管片外徑6.4 m，厚度0.4 m，每環寬度1.2 m。隧道穿越區域內地下水以上層滯水和承壓水為主，對隧道施工影響較小。區域內主要地層自上而下依次為雜填土、砂質粉土、粉砂、淤泥質粉質黏土，各地層的物理力學參數見表1。既有隧道主要位于淤泥質粉質黏土中，這類土體強度低、壓縮性高，外界施工擾動易造成土體承載強度下降，導致隧道產生變形，影響正常運營。因此，有必要分析新建隧道施工對既有線路的影響。

表1 土層的物理力學參數

圖1 兩隧道的位置關系(單位：m)

2 數值模擬計算

2.1 模型構建

為減小邊界效應對計算的影響，施工隧道左右兩側各取4倍洞徑，上部邊界至地表，下部深度取3倍洞徑；數值計算模型考慮新建隧道開挖過程，沿開挖方向取32環長度，模型幾何尺寸長、寬、高分別為49.6、38.4、44.8 m。對于盾構隧道開挖模型，忽略其邊界位移影響，分別約束模型X、Y方向及底部位移。劃分網格時，隧道網格劃分密集，周邊土體劃分稀疏，以減少數值計算時間，模型共劃分56 780個單元(見圖2)。

圖2 數值計算模型(單位：m)

2.2 材料屬性

模型中所有土層服從Mohr-Coulomb準則，物理力學參數見表1。盾構管片采用彈性模型實體單元模擬，模型計算中考慮到上部運營線路同步注漿加固效果，將既有隧道周邊0.3 m范圍內土層強度提高1.2倍，模擬同步注漿的加固效果。而新建隧道注漿時間較短，加固效果暫未達到，考慮最不利情況，不考慮施工隧道的同步注漿加固效果。管片及注漿加固層參數見表2。

表2 管片及注漿加固層的材料屬性

2.3 數值計算過程

(1) 固定模型邊界，按照土層厚度賦予模型材料參數，在自重應力作用下使計算模型達到初始應力平衡。

(2) 將初始應力平衡的位移歸零，同時將既有隧道土體一次性移除并賦予既有隧道管片參數，計算得到開挖既有隧道后的應力及沉降分布。

(3) 只研究下伏隧道開挖對既有隧道的影響，不考慮1號線開挖所引起的沉降，將上一步計算得到的沉降歸零，隨后移除下伏新建隧道4環土體(模擬1 d的開挖工作量)，并賦予4環管片參數，在掌子面處施加盾構推力p[推力大小由式(1)計算，p=(380±20) kPa，計算中p=380 kPa]并進行計算，每開挖4環計算一次并記錄既有線隧道的位移及內力分布情況，直到開挖完畢。

p=K0γ′H+pw±20 kPa

(1)

式中：K0為靜止土壓力系數；γ′為土的有效重度；H為隧道上覆土厚度(m)；pw為水壓力；20 kPa是波動壓力。

2.4 測線布置

下伏新建隧道開挖主要引起既有隧道結構產生豎向沉降及附加內力，針對這一現象，沿既有隧道方向在隧道底板和拱頂處共布置38個沉降監測點，其中SD-1～SD-19為拱頂測點，DB-1～DB-19為底板測點(見圖3)，同時通過編制fish語言監測施工過程中既有隧道管片的最大內力。

圖3 沉降及附加內力測點布置

3 計算結果與分析

3.1 既有隧道沉降

數值模擬計算結果見圖4，開挖工況下變形曲線及隧底、拱底最大沉降曲線見圖5、圖6。

圖4 既有線隧道沉降云圖(單位：m)

由圖5、圖6可知：既有隧道沉降呈V形對稱分布，新建隧道掌子面未通過相交區域(開挖0～14環)時，隧底向上隆起，最大隆起量0.36 mm。這是由于在新建隧道盾構推力作用下，掌子面前方產生一個主動破壞的楔形滑動體，導致前方土體向上方產生移動，引起既有隧道底部向上位移。新建隧道通過相交區域(開挖18～32環)后，因施工線路土體損失，應力釋放，既有隧道底板向下沉降，最大沉降量5.12 mm，既有線隧道主要沉降區域位于左右兩側10 m范圍，其余范圍沉降量較小，主要影響范圍內隧道不均勻沉降達0.05%，超過CJJ/T 202-2013限值(<0.03%)，新建隧道施工前應采取加固措施。

圖5 既有隧道各工況拱頂及隧底沉降曲線

圖6 既有隧道最大沉降變化曲線

3.2 既有隧道內力

既有隧道應力情況見圖7、圖8。

圖7 既有線隧道應力變化云圖(單位：Pa)

圖8 既有隧道最大應力變化曲線

從圖7可看出：新建隧道開挖未通過相交區域時，隧底的最大應力維持在75～80 kPa；隧道掘進通過后，隧底應力降至50～60 kPa。與隧底沉降規律一致。

從圖8可看出：新建隧道開挖對既有隧道結構內力的影響較大，結構內部最大應力由未開挖前的139.2 kPa增至開挖后的153.2 kPa，增幅約10%，可能對既有隧道內部結構產生破壞，應采取相應加固措施并加強對既有管片應力監測。

4 敏感性因素分析

為探究不同盾構推力、新建隧道與既有隧道間距及新建隧道覆土厚度對既有隧道的擾動大小，基于前文構建的數值模型，分別修改這3個因素重新進行計算。因篇幅有限，主要分析不同因素對既有隧道底板沉降的擾動規律。

4.1 盾構推力

前文數值計算模型中盾構推力p=380 kPa，且存在20 kPa的波動壓力未考慮。分別取盾構推力p為360、370、380、390、400 kPa，分析既有隧道的沉降變化，結果見圖9。

圖9 不同盾構推力沉降曲線

從圖9可看出：新建隧道開挖至12環時，既有隧道拱底隆起量隨著盾構推力的增加而增大，且盾構推力增減幅度一致情況下，增加推力導致的隆起效果更明顯；盾構推力越大，既有隧道的最終沉降越小，但效果不明顯，主要原因可能是盾構推力越大，對掌子面前方土體的擠壓作用越大，從而減小了應力釋放導致的后續沉降。

4.2 與既有隧道的距離

原模型中，按照現場實際設計布置，新建隧道與既有隧道的距離為2.1 m，該距離再減小的可能性較小。因此，重新構建兩線距離為4.1、6.1、8.1 m的數值計算模型，分析既有隧道底板沉降的變化，結果見圖10。

圖10 不同兩線距離沉降曲線

從圖10可看出：兩線距離越大，施工導致的沉降越小；兩線距離小于1倍洞徑(<6.4 m)時，既有隧道沉降受兩線距離變化較敏感；大于1倍洞徑后，既有隧道沉降變化程度較小。

4.3 上層覆土厚度

原模型中新建隧道的覆土厚度為20.1 m，將上覆各土層按照厚度權重分別增加或減少相同比例，得到16.1、18.1、22.1、24.1 m覆土厚度模型，計算不同覆土情況下既有隧道沉降，結果見圖11。

圖11 不同覆土厚度沉降曲線

從圖11可看出：上覆厚度越大，既有隧道隆起和沉降越小。主要原因可能是土拱效應作用，在軟土隧道中，隧道埋深越大，土拱效應作用越充分，開挖導致的土體釋放荷載分攤比例越大，既有隧道結構所受荷載越小，從而減小了既有隧道的沉降。

5 結論

構建新建隧道下穿既有隧道數值計算模型，分析下穿既有隧道的擾動效應，得到以下結論：1) 新建隧道下穿會對既有隧道結構沉降和內力產生較大影響，應采取對應加固措施進行控制。2) 施工階段，既有隧道隆起隨盾構推力增加而增大，最終沉降隨盾構推力增加而減小；既有隧道隆起和沉降隨兩線距離的增加而減小，且在小于1倍洞徑時尤為顯著；覆土厚度變化改變了土拱效應作用，厚度越大，土拱作用越明顯，既有隧道受到的擾動荷載越小，沉降越小。

文中只構建了正交下穿計算模型，未考慮新建隧道斜下穿的情況，同時未考慮新建隧道同步注漿壓力、盾殼摩阻力及盾殼空隙等因素對既有隧道結構沉降及內力的影響，有待進一步完善。