盾構隧道下穿既有隧道施工影響的數值模擬

李京承，余航飛

(1.中鐵十六局集團 路橋工程有限公司， 北京 101500；2.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

隨著我國城市化進程不斷加快，不可避免的出現軌道交通線路穿越既有構筑物的情況，而且由于工程地質條件復雜多變，在地下空間利用率逐漸升高的情況下，穿越施工難度越來越大。楊成永等[1]建立管-土相互作用三維有限元模型，提出了管線沉降和彎矩隨管土剛度系數變化的規律，并且給出了判定值。周澤林[2]基于鏡像源匯法原理和楠圓形非等量徑向土體移動模式，采用隧道與土體變形整體耦合的方法建立了盾構掘進對上方己建隧道影響的解析方法。董志偉等[3]以深圳北環電纜隧道南線下穿深圳既有地鐵2號線為依托，根據有限元模擬結果以及實測數據，得出交叉角度的減小會增大既有隧道沉降，當處于垂直下穿時對既有線路影響最小。張曉清等[4]通過室內離心模擬實驗對多線疊交隧道進行了研究，得出在先下后上穿越施工中在各階土體沉降都較小，并且土體最終沉降量也較小。Qian等[5]依托北京地鐵6號線穿越4號線工程，總結出既有結構與地表沉降曲線分別呈現出“W”與“U”型，并且在相同的監測斷面，既有隧道與地表在水平方向的地層損失幾乎相同。杜明芳等[6]以洛陽市軌道交通2號線區間盾構下穿焦柳鐵路為工程背景，得出同時采用路基注漿以及洞內深孔注漿，可顯著減少盾構下穿施工對既有鐵路的影響。金大龍[7]依托深圳地鐵三期工程，通過現場實測與數據分析，總結了雙線和多線下穿既有隧道沉降分布規律，并且提出了多次穿越既有隧道的位移分配控制法。李志軍等[8]通過利用MIDAS軟件，模擬了隧道埋深對于盾構下穿機場跑道的沉降影響，得出當隧道埋深大于18 m時，盾構施工對地表影響較小。丁智等[9]采用數值分析的方法，針對軟土地質分別改變兩隧道凈距與角度進行計算，得到了不同范圍內既有線路變形以及襯砌內力變化規律。吳昊天等[10]結合深圳地鐵7號線，通過數值模擬以及現場監測數據，研究了下穿施工對車站既有結構的影響程度和范圍。梁建波[11]分析了新建隧道與既有隧道之間相互影響，并且對不同的施工參數對既有隧道沉降影響進行理論分析。

近年來，有關盾構下穿的理論研究以及案例[12-16]越來越完善，但是對于綜合考慮開挖支護以及同步注漿的情況仍未有完善的體系。本文以廣州南大干線電力隧道下穿廣州地鐵2號線作為依托，通過構建三維彈塑性有限元模型，以盾構正面支護力作為主要影響因素，并且考慮注漿壓力的情況下，分析隧道-土-隧道三者之間的相互作用情況，得出既有線路以及土體在開挖過程中的變形特征。

1 工程概況

廣州南大干線(1.1標段)位于番禺區大石街，路線全長1.909 km，電力隧道基本與南大干線道路第1-1路段范圍匹配，線路起于東新高速東側橋底3#工作井，至日立電梯廠前設置4#工作井，期間下穿既有地鐵二號線會江站。

盾構區間為單線，盾構外徑為4.2 m，內徑為3.6 m，管片厚度為300 mm，寬為1 m，采用C50混凝土材料，并且隧道埋深約為18 m，與地鐵2號線基本呈正交關系。既有地鐵2號線埋深約為8 m，外徑為6.1 m，內徑5.5 m，管片厚度為300 mm，管片均采用C50混凝土，其相對平面位置關系如圖1所示，其中隧道豎向凈距約為6.8 m。根據《番禺區南大干線(東新高速至G105國道段)工程工程地質詳細勘察報告》以及《廣州市軌道交通二、八號線拆解工程會江站詳細勘察階段巖土工程勘察報告》(以下簡稱為“地勘資料”)，盾構穿越處地層物理力學參數見表1。

圖1 南大干線與地鐵2號線平面關系示意圖

表1 土體的物理力學參數

2 有限元模型建立

土壓平衡盾構施工是非常典型的三維過程，本身要考慮的因素有很多，如：本構模型的選取、掌子面支護力、附加應力、同步注漿壓力、盾殼在掘進過程中與周圍土體產生的摩擦力等。如果考慮所有的因素，模型會變得極為復雜，因此在實際建模的過程會在一定程度上做簡化。

2.1 計算假定

(1)假定土體為各向同性的理想彈塑性體且各土層均勻分布服從Mohr-Coulomb屈服準則，本構模型選用“MC”模型。

(2)不考慮管片環之間縱向以及橫向連接，對管片整體的剛度進行折減，其中剛度折減系數η=0.8。

(3)不考慮地下水位影響。

2.2 邊界條件及參數設定

為了排除邊界效應的影響，側邊界與新建隧道間距要達到3D(電力隧道外徑)以上，因此選取模型尺寸為60 m×40 m×50 m(X×Y×Z)。對于模型邊界條件的設置：模型沿X方向的側邊界施加U1方向水平位移約束；Z方向，上表面為自由面，底部施加三個方向的位移約束，即U1=U2=U3；Y方向前后面邊界施加U2方向的水平位移約束。

參照地勘資料，土層模擬采用三維實體單元，網格類型采用8節點線性六面體單元(C3D8)，共分為7層，所需材料參數根據第1節中表1選取。新建隧道及地鐵的管片、盾構機部分同樣使用三維實體單元，網格類型也為C3D8單元，并按照等效均質圓環進行模擬。綜合考慮盾尾空隙、注漿充填量等問題，將這些不以量化的變量因素轉化為均質、等厚度的線彈性注漿等代層(見圖2)代替,它的強度隨著施工的進行逐漸增大。等代層的選取可以更能反映實際情況，并且達到簡化計算的目的，等代層厚度可按照式(1)進行計算:

h=ξ·Δ

(1)

式中：Δ為盾尾空隙理論值，m(一般取開挖直徑與襯砌外徑差值的一半)；ξ為折減系數，其取值范圍在0.7～1.5，對于較硬土層取下限，對于軟弱土層取上限。根據盾構機實際情況及參數，取注漿等代層厚度h=70 mm。

對于盾構正面支護力的設定，根據以往的經驗，正面支護力一般在數值上與靜止土壓力相等即Pf=P0，可由式(2)、式(3)進行計算：

P0=K0σcz

(2)

(3)

圖2 模型網格圖

2.3 模擬施工過程

電力隧道下穿地鐵2號線模型見圖2，在模擬開挖之前，先對土體以及隧道進行切割，方便進行網格劃分。主要模擬施工步驟如下：

步驟1:裝配既有隧道后，在分析步中設置靜力通用分析，為土體以及既有隧道結構施加重力荷載、成層土的自重應力以及側向系數，提交運算。

步驟2:導出因既有隧道結構的存在對土體產生的應力場，然后在預定義場中導入該應力場，重新實現地應力平衡。

步驟3:根據施工組織設計情況，設置每個分析步掘進長度為10環即10 m，利用“生死單元”功能“殺死”要移除的土體，然后激活管片以及注漿等代層。并對周圍土體施加注漿壓力，考慮漿體的時效性，該分析步激活的注漿層參數采用硬化前參數，參數詳見表2。

步驟4:下一環土體移除前，對即將要移除土體釋放75%的地應力，并且在下一步開挖掌子面上施加正向支護力。然后將上一環注漿層調整為硬化后參數。

重復步驟3—步驟4，直至土體移除完畢，并且注漿等代層完全硬化，計算結束。

表2 材料參數

2.4 工況設置

掌子面開挖穩定性受盾構正面支護力大小影響較大，如果設定的支護力過大會導致掌子面背后土體產生被動土壓力，掌子面向掘進方向移動形成滑動面，周圍土體沿滑動面發生擠壓，造成地表隆起，對既有地鐵線路管片產生不利影響；如果設定的支護力過小，掌子面會向盾構機內部移動，周圍土體沿著滑動面下滑，造成地表沉降。如果出現連續的滑動面，會導致掌子面失穩，盾構機被埋，給施工帶來極大隱患。對于注漿壓力，如果注漿壓力過小會導致漿液注入，管片脫離盾構機后發生沉降；如果注漿壓力設計過大，會導致隧道上浮，土體發生隆起，管片錯臺開裂等影響。綜合考慮以上因素的影響，本文設置以下兩種工況，以獲得合理的正面支護力以及注漿壓力。

工況1通過給掌子面施加4個數值大小不同的支護力，分別設置Pf=0.2P0、0.6P0、1.0P0、1.5P0模擬計算既有線路受力情況以及地表沉降規律。根據計算結果，確定最優的支護力Pf*。

工況2在施加最優支護力Pf*的條件下，調整注漿壓力的大小，分別設置注漿壓力為Pg=0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa、1.6 MPa通過分析地表以及周圍土體沉降規律，得出合理的注漿壓力范圍。

3 數值模擬結果及分析

新建隧道盾構施工過程中，會對土體產生擾動造成地層損失，并且引起土體的應力釋放。為了盡可能避免對土體產生擾動，可以通過設置合理的掌子面支護力以及注漿壓力來降低對周圍土層產生的影響。根據施工方案，下穿過程中采用土壓平衡式盾構，并且設置盾構正面支護力為1.0P0，注漿壓力為0.2 MPa。

3.1 既有地鐵2號線襯砌縱向位移曲線

圖3為左右線縱向沉降曲線。從圖中可以看出：2號線縱向最大沉降量約為7.1 mm，沉降最大的位置基本靠近對稱軸處，而根據模擬結果顯示水平位移最大值不足2 mm，因此可判定既有線路的變形主要以縱向變形為主，而且為不均勻沉降。

圖3 既有隧道縱向沉降曲線

3.2 既有地鐵2號線襯砌的應力分布

從3.1結論可知，既有隧道變形主要沿拱底縱向發生不均勻沉降，導致縱向曲率發生變化，而橫向水平位移主要發生在拱腰處且數值較小可以忽略。因此，既有隧道襯砌應力變化主要考慮軸向應力，對徑向應力以及環向應力的影響可以不考慮。圖4為左右洞縱向對稱面處的縱向應力云圖，從圖中可看出，隨著盾構的推進，左線拱頂受到壓應力，拱底受到拉應力，并且沿著盾構的推進，拉壓應力數值不斷增大至穩定，最大壓應力約為-1.21 MPa，最大拉應力約為0.71 MPa，左右洞表現出類似的趨勢(C50混凝土容許拉壓應力分別為1.89 MPa和23.1 MPa，左右線襯砌因盾構開挖產生的內力均在容許范圍內)。

圖4 對稱面處縱向受力云圖(單位：Pa)

并且根據圖5內力變化可推斷出，管片在該斷面處產生縱向彎矩，并且數值隨著盾構施工的推進而增大，當盾構結束彎矩達到最大值。如果考慮蠕變影響，該應力值可能會繼續增大并最終穩定。

3.3 盾構正面支護力的影響

新建隧道下穿既有線路造成地表沉降大小與掌子面支護力、注漿壓力的大小密切相關，為了確定合理的掌子面支護力，分別對4種情況下的掌子面支護力進行盾構模擬，圖6為4種不同的正面支護力下周圍隧道土體橫向沉降數據，在4種不同的支護力情況下，周圍土體沉降均產生“U”型沉降槽，當掌子面支護力設置為Pf=1.5P0時，地表最大沉降值最小約為3 mm，但是在開挖過程中由于支護力設置過大，導致土體產生了被動土壓力，造成土體隆起，隆起量約為1.5 mm。

圖5 既有隧道縱向應力隨盾構掘進變化圖

圖6 地表沉降量與不同支護力的關系

圖7為既有地鐵左右線縱向沉降數據，當支護力為P=1.5P0時，2號線左洞和右洞縱向沉降達到最小，沉降量幾乎相同，約為5 mm，而當支護力為0.2P0時，左線以及右線沉降量均超過了10 mm，可能對既有隧道安全產生了極大影響。

綜合考慮地表以及既有線路沉降規律可看出，隨著支護力的增加，沉降量得到顯著降低，因此盾構正面支護力應設置在1.0P0～1.5P0之間較為合理，在該范圍內可以有效降低沉降量，但是若掌子面支護力超過1.5P0，地表隆起量可能會繼續增加，對地表構筑物產生不利影響。

圖7 既有線路沉降量與不同支護壓力的關系

3.4 注漿壓力的影響

盾構開挖過程中，地層損失主要是當盾尾管片拼裝完成并脫出盾尾后，會與土體之間形成一個環形間隙，為了避免土體產生過大的沉降量，要及時進行背部回填與注漿。而在注漿過程中，注漿壓力的設置與最終注漿效果有直接關系，如果壓力過小會導致漿液不易注入，而過大會導致地表隆、管片上浮等情況，對盾構施工產生極為不利的影響。

為得到合理的注漿壓力范圍，根據3.3預先設置盾構支護力為P0。圖8為不同注漿壓力下的地表沉降數據。

圖8 地表沉降量與注漿壓力的關系

從圖8中可看出，因此隨著注漿壓力的增加，沉降逐漸減低，變化較為明顯；當注漿壓力為0.2 MPa時，地表最大沉降發生在新建隧道正上方處，沉降量為6 mm。當注漿壓力達到0.8 MPa時，沉降量減小為2 mm，但是在距中線左右10 m的位置，地表發生局部隆起，最大隆起量約為2.3 mm；當注漿壓力繼續增大至1.6 MPa時，地表主要表現為大部分隆起，并且最大隆起量達到3.5 mm。

4 結 論

(1)對于既有線路變形主要沿隧道縱向為主，縱向最大沉降量發生在新建隧道中線附近；隨著支護力的增大，地表以及既有地鐵線路縱向沉降均并表現出共同降低的趨勢，而當支護力達到1.5P0時，地表會發生少量隆起，因此在土壓平衡穿越既有線路過程中，可將支護力設置在1.0P0～1.5P0，在該范圍內可確保既有線路以及地表構筑物的安全。

(2)地表最大沉降量基本發生在新建隧道正上方，沉降量隨注漿壓力的增加變化顯著，注漿壓力范圍可設置在0.2 MPa～0.4 MPa；當注漿壓力達到0.8 MPa時，地表發生局部隆起，若繼續增大注漿壓力至1.6 MPa，地表表現為大規模隆起，并且隆起量達到3.5 mm，若在實際施工中將對地表構筑結構安全產生不利影響。

(3) 本文在數值模擬計算中，未考慮既有線路受土體蠕變的影響，因此在以后的學習和研究中會更進一步對這方面的研究。