小曲線半徑盾構隧道上穿既有隧道影響分析

周波

(中鐵八局集團有限公司城通公司，四川 成都 610036)

1 工程概況

新建隧道為南昌某地鐵出入線工程，區間采用明挖+盾構法施工，明挖施工先行繼而進行盾構施工。項目背景為出入線明挖段已經施工完成，盾構接明挖段終點施工，盾構施工將穿越該地鐵下部既有正線隧道左線，出入線盾構左線起點里程為在K0+164.515，右線起點里程為右K0+164.998。穿越段信息分別為：新建隧道左線上穿既有隧道起點里程為K0+227.884，相應盾構管片為L54環，對應既有隧道區間里程為ZDK47+664.328；新建隧道左線上穿既有隧道終點里程為K0+256.246，相應盾構管片為L76環，對應既有隧道區間里程為ZDK47+689.690；新建隧道右線上穿既有隧道起點里程為K0+258.251，相應盾構管片為R80環，對應既有隧道區間里程為ZDK47+690.468；新建隧道右線上穿既有隧道終點里程為K0+278.826，相應盾構管片為R98環，對應既有隧道區間里程為ZDK47+714.425，穿越段距離約為53m。穿越起點處兩隧道間夾角約為18°，穿越終點處夾角約為33°，如圖1(a)所示。左右線軸線最小間距為9.29m，平面線形為小曲線半徑隧道，最小曲線半徑為270m，隧道豎向埋深8.5m，與下部既有正線隧道最小豎向凈距為2.8m，剖面關系如圖1(b)所示。

圖1 新建隧道與既有隧道位置關系圖

2 盾構穿越數值模擬

2.1 有限元模型

根據兩隧道之間的空間位置關系，采用MIDAS/GTS有限元軟件對穿越段施工過程進行三維彈塑性數值模擬，研究上部盾構機超載及施工卸載對既有隧道結構的影響，模擬實際工況盾構機開挖的實際環號：左線L54～L76及右線R80～R98。考慮上部隧道盾構掘進施工對土體的擾動及其影響范圍，為了消除尺寸效應，模型尺寸取為142m×113m×36m(長×寬×高)。新建隧道僅上穿下部既有隧道左線，為了簡化計算，故只考慮新建隧道施工對既有隧道左線影響，既有隧道右線暫不進行考慮。模型頂部設置自由邊界，對底部施加法向及切向約束，對側面施加法向約束，不考慮地下水滲流影響，三維數值計算模型如圖2所示。

圖2 盾構穿越有限元模型圖

2.2 模型參數選取

模型內土體均按照均質彈塑性材料考慮，采用Mohr-Coulomb本構，實體單元模擬，支護結構按彈性材料考慮，隧道襯砌采用結構單元模擬，盾構管片考慮管片接縫的影響，將其縱向管片剛度進行0.85倍的剛度折減。各材料物理力學參數根據地勘報告及規范取值，其具體參數見表1。

3 穿越施工模擬結果分析

3.1 穿越過程中沿既有隧道縱向的豎向變形分析

為了分析上部隧道穿越施工對下部隧道影響，提取既有隧道縱向拱頂及拱底豎向變形值進行分析。根據隧道拱頂及拱底豎向變形值與隧道縱向位置可以得到不同施工階段下既有隧道的豎向變形曲線，如圖3所示。

表1 土層及支護結構物理力學參數

圖3 盾構推進不同位置時既有隧道豎向變形值

3.1.1 左線穿越

盾構機先行施工左線，由圖3(a)可以看出，當盾構機推進至L65環時(即盾構機推進至下部既有隧道正上方時)，由于盾構機超載作用導致開挖面下方土體及隧道受到擾動，既有隧道上方土體產生向下的彈塑性變形，既有隧道受到向下的附加應力，隧道縱向呈現“凹槽”型沉降變形，拱頂最大豎向沉降值約為-9.7mm，拱底最大豎向位移值約為-4.1mm，且最大沉降值均位于新建隧道正下方。由于附加應力隨深度增加而逐漸減小，故距離上部隧道較近的拱頂處沉降值普遍較拱底處更大。因此，針對隧道上穿工況時，由于拱頂豎向變形較拱底處大，應密切關注下部既有隧道拱頂處豎向變形，對隧道拱頂位移值進行實時監測，以確保施工安全順利推進。

由圖3(b)可知，當盾構推進至L91環時(即左線盾構施工已經遠離隧道穿越段)，由于新建隧道在上穿既有隧道過程中，盾構機單位長度挖出土體的重量遠大于隧道襯砌的重量，且開挖導致掌子面下方土體卸荷回彈，引起土體應力釋放，既有隧道呈現與前期不同的向上隆起變形，拱頂最大隆起值達5.6mm，拱底最大隆起值約為3.4mm。由于在前期步序中考慮了盾構機超載對下方土體的壓縮變形作用，掌子面下方部分土體在盾構機超載作用下已經產生塑性不可回彈變形，拱頂位移曲線并未出現預測的“單峰式”隆起變形，而整體曲線趨勢大致為“雙峰式”隆起變形，既有隧道拱頂位移曲線在新建隧道左線正下方出現“凹槽”型遞減趨勢，位移值較預測值減小了約0.8mm。由此可知，盾構機在盾構掘進過程中，會對沿線下方土體施加超載作用，導致下方土體產生彈塑性變形。

3.1.2 右線二次穿越

當左線施工至L91環時，此時，可忽略左線與右線同時施工對下部隧道的耦合作用，繼而開始施工右線盾構隧道。當右線推進至R89環時(即盾構機推進至下部既有隧道正上方時)，由于左線推進穿越后對下部既有隧道產生卸載作用，位于左線下方既有隧道呈現隆起變形，最大隆起值約為6.5mm，較左線開挖完成后最大隆起值5.6mm增加了0.9mm。受上部盾構機超載影響，既有隧道最大沉降值出現在右線正下方，最大沉降值約為-7.3mm。既有隧道受左線隧道卸載及右線隧道盾構機開挖超載耦合作用影響，既有隧道縱向豎向變形曲線呈倒置“S”形曲線，最大隆起值與沉降值之差高達13.8mm。可以看到，受開挖卸載及盾構機超載作用雙重影響下，既有隧道縱向變形差值較大，對既有隧道縱向平順度影響較大，對于運營中的既有隧道應采取相應防治措施，以免危及行車安全。

當右線推進至R115環時，此時，左右兩線盾構施工均已穿越下部隧道，受左右兩線卸載作用，既有隧道整體呈現上浮式隆起變形，拱頂最大變形值約為8.7mm，拱底最大變形值約為5.8mm，拱頂最大隆起值較拱底處大2.9mm，且最大隆起變形點均出現在左右兩線中間處。受上部盾構機超載影響，拱頂位移曲線分別在左線及右線正下方處出現凹槽，兩者計算值較預測值均偏小約0.6mm。

3.2 既有隧道橫斷面管片受力分析

為了解上部新建隧道施工對既有隧道襯砌管片受力影響，選取新建隧道左線施工過程中既有隧道襯砌最大變形位移處管片彎矩進行分析。

當上部隧道未開挖時，下部既有隧道在土壓、水壓及自身重力作用下達到受力平衡狀態，其中彎矩如圖4(a)所示，既有隧道拱頂及拱底處受正彎矩，最大正彎矩為454.04kN·m，隧道拱腰處受負彎矩，最大負彎矩為-445.54kN·m，隧道整體受力良好，荷載分布較均勻。

如圖4(b)所示，當上部盾構掘進至L65環時，既有隧道受上部開挖擾動影響，管片拱底處出現最大正彎矩，且彎矩值增至609.80kN·m，較未開挖時增長34.3%；拱腰處出現最大負彎矩，且彎矩值增至-616.05kN·m，較未開挖時增長38.3%，管片彎矩值受開挖擾動影響較大，而彎矩整體分布模式較未開挖時并未發生明顯變化。由此可知，受上部盾構超載作用，位于盾構機正下方的既有隧道彎矩值較未開挖時均有所增長，且增長幅度明顯，管片橫斷面呈“橫鴨蛋”式變形(為更好理解管片變形趨勢，圖中管片變形均進行一定比例放大)。

如圖4(c)所示，當盾構推進至L91環時，左線隧道已經完成上穿，受上部卸載作用，此時，管片最大正彎矩值減至339.43kN·m，較未開挖時減少114.61kN·m，減小率為25.24%，較開挖至L65環時減少270.37kN·m，減小率為44.33%；管片最大負彎矩出現在拱腰處，彎矩值減至-321.28kN·m，較未開挖時減少124.26kN·m，減小率為27.89%，較開挖至L65環時減少294.77kN·m，減小率為47.85%；盾構開挖至L91環時，管片整體彎矩值較未開挖及開挖至L65環時均出現較大的減小。綜上可知，當盾構推進過后，下部隧道管片彎矩較未開挖時均有所減小，管片橫斷面整體呈“豎鴨蛋”式變形。

圖4 下部隧道管片受力圖

由圖5可知，隨著上部隧道逐漸推進，下部既有隧道彎矩呈先增大后減小的變化趨勢，施工完成后彎矩值整體較未開挖時有所減小。

圖5 下部隧道管片受力趨勢圖

3.3 既有隧道變形控制措施及盾構施工建議

針對上述分析的隧道變形及受力情況可以看出，隧道整體變形較為明顯，且位移值較大，為減小上部施工對下部既有隧道影響，向相關工程單位提出以下加固措施。

（1）由于既有隧道暫未開通運營，在既有隧道內布設由I20b工字鋼及10槽鋼焊接而成的鋼支撐環，布設間距為1.2m，鋼支撐環可有效提高隧道整體剛度，避免盾構機超載導致既有隧道產生過大變形。

（2）在既有隧道拱頂120°范圍內進行注漿加固，漿液采用水泥+水玻璃雙液注漿，注漿厚度為2.5m，拱頂注漿可有效改善上部地層強度，以此減弱上部隧道施工對下部隧道的應力傳遞作用，穿越段加固控制措施如圖6所示。

圖6 對既有隧道加固圖

4 結語

針對某新建小曲線半徑盾構隧道上穿既有盾構隧道特殊工況，利用MIDAS/GTS有限元軟件進行仿真模擬，并將模擬值與現場監測值對比分析，得到以下結論：

（1）上穿既有盾構隧道時，盾構機超載作用使掌子面下方土壓力增大，下部隧道受到向下的附加應力，隧道縱向呈“凹槽”型沉降變形，且隧道拱頂處變形值較拱底處更大，管片橫截面呈“橫鴨蛋”式變形，管片彎矩值較未開挖時增長明顯。

（2）盾構上穿完成后，開挖卸荷引起下部隧道上方土體應力釋放，下部隧道縱向呈現隆起變形，且由于盾構機超載作用導致下方部分土體產生塑性不可回彈變形，既有隧道拱頂位移曲線在新建隧道正下方出現凹槽，位移值較預測值偏小，管片橫截面呈現“豎鴨蛋”式變形，管片彎矩值較未開挖時略有減小。

（3）新建隧道右線上穿既有隧道時，受右線盾構機超載及左線開挖卸荷兩者耦合作用，既有隧道縱向呈倒置“S”形變形曲線，最大隆起值與最大沉降值之差高達13.8mm，該工況對隧道線路平順度影響較大，應引起高度重視。

（4）基于上述既有隧道變形受力情況，提出對既有隧道施加鋼支撐環+拱頂注漿的加固措施，實測既有隧道開挖完成后最大隆起值約4.8mm，較未加固時減小44.8%，有效抑制了隧道過大變形，加固效果顯著。