盾構法近距離下穿施工對既有盾構隧道的影響

付春青，張 功，張雯超，吳 奔

(1.北京住總集團有限責任公司，北京 100027；2.蘇州大學軌道交通學院，蘇州 215000；3.南通職業大學建筑工程學院，南通 226007)

新建軌道交通線路不可避免地會侵入既有線路附近空間[1-3]，對既有隧道帶來影響，引起管片變形及隧道不均勻沉降。保證既有線路安全運營，同時實現新建隧道順利開挖已成為下穿工程中重點關注的問題之一。

目前對盾構下穿既有隧道引起管片變形研究方法主要分為理論計算、經驗模型及數值仿真等。Attewell等[4]首次運用Winkler彈性地基梁法分析了新建隧道掘進對上方管線隧道的影響；張冬梅等[5]采用Kerr地基梁研究盾構隧道掘進引起上方已建隧道的縱向變形；郭一帆[6]利用Timoshenko地基梁模擬盾構隧道結構，基于傳遞矩陣法建立了同時考慮剪切與彎曲效應的縱向盾構隧道結構計算模型。Shiba等[7]首次采用等效縱向抗彎剛度將由管片、螺栓與接縫構成的盾構襯砌等效為一個常截面連續梁；Yu等[8]為更準確地確定盾構襯砌縱向剛度，結合理論計算與有限元分析建立了可以考慮管片、螺栓、接縫的縱向剛度封閉式解析解模型。魏綱等[9]采用較為先進的轉動錯臺模型，基于最小勢能原理推導出了既有隧道在新建隧道穿越時的結構變形。

盾構襯砌由管片、螺栓及橡膠墊片等拼裝而成，并非連續均質體，選擇合理的簡化模型決定了計算結果的可靠性。目前盾構隧道模型化方法大致可歸為兩類：

(1)管片-接頭模型。梁-彈簧模型[10]，以梁單元模擬襯砌環，環接縫及螺栓采用彈簧單元模擬，模型可較好地反映管片受力狀態，但無法反映管片邊緣的應力集中現象[11]；殼-彈簧模型能夠同時反映隧道襯砌的橫、縱向結構性能[12]；梁-接觸面模型利用接觸面單元模擬襯砌接頭的拉壓、剪切及轉動效應[13]；三維骨架模型[8,14]用殼單元或實體單元模擬管片，以彈簧或接觸面的拉壓、剪切和轉動模擬管片間約束效應。

(2)等效(剛度折減)連續均質模型。日本學者志波由紀夫等[7]提出了等效軸向剛度模型，將橫縱向螺栓在管片中的效應體現到橫縱向剛度折減中，但未考慮接頭影響范圍問題；廖少明[15]認為縱向接頭影響范圍是有限的而非整環，基于此對隧道縱向剛度進行了修正；徐凌[16]根據環縫影響范圍在螺栓長度之內和之外兩種情況，對環縫影響系數進行了討論；Yu等[8]認為襯砌管片環在周圍荷載的作用下已產生接近于“橢圓形”變形，提出了更有效的縱向等效連續化模型。鄭慶坂等[17]通過將橫向剛度與縱向等效抗彎剛度聯立，基于力學平衡條件推導得到了縱向等效抗彎剛度解析解；趙志強[18]針對傳統模型無法考慮縱向剛度變化問題，提出的縱向剛度非均勻等效連續模型實現了縱向剛度的非均勻分配。已有模型通過不斷改進實現了隧道縱向剛度較為準確的計算，但卻忽略了下穿施工對既有線路道床及鋼軌等結構的影響。

現以北京地鐵12號線西三區間盾構下穿機場專線工程為背景，提出適用于既有運營盾構隧道縱向剛度折減的修正等效連續模型。利用數值方法對既有隧道結構進行三維數值建模，通過與監測數據及已有經驗模型的比較，驗證修正模型在實際工程中的適應性。

1 工程概況

如圖1所示，新建12號線西壩河站～三元橋站區間西起西壩河站，沿北三環東路向東南敷設。區間總里程1 481.0 m，線路間距為17.2～35.0 m，擬采用盾構法施工。盾構刀盤直徑6.68 m，管片外徑6.4 m，管片寬1.2 m，刀盤布置及隧道施工現場如圖2、圖3所示。區間隧道下穿既有軌道交通機場線，斜穿角度約60°，豎向距離為4.089 m，下穿區間隧道風險等級為特級。如圖4所示，隧道下穿軌道交通機場線區間主要穿越地層為④粉質黏土層、粉細砂⑤2層、⑥粉質黏土層，地層參數如表1所示。

圖1 下穿段平面圖(1∶2 500)

表1 地層參數

圖2 盾構刀盤

圖3 新建隧道施工現場

圖4 下穿段剖面圖(1∶500)

如圖5所示，12號線與機場線盾構襯砌環的標準環均由一個封頂塊(K)，兩個鄰接塊(B1、B2)和3個標準塊(A1、A2、A3)組成。管片環寬 1 200 mm，襯砌環間采用錯縫拼裝，管片參數如表2所示。襯砌環接縫由16個連接螺栓(M27)連接，螺栓參數如表3所示。襯砌混凝土強度等級C50，抗滲等級P12，彈性模量E為34.5×103MPa，泊松比v為0.3。結合隧道覆土厚度，考慮道路結構影響計算，刀盤壓力控制在0.9～1.2 bar(1 bar=100 kPa)，每環的注漿量一般為開挖空隙的150%～200%，同步注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa。

圖5 襯砌環管片構造及斷面情況(1∶100)

表2 管片參數

表3 螺栓參數

2 修正等效連續模型

在進行盾構下穿施工對既有隧道的影響分析中，隧道縱向抗彎剛度是隧道縱向變形、結構設計的重要參數之一。現有各模型在確定中性軸位置時，未考慮運營線路的道床、軌枕以及鋼軌等構造的影響，這些勢必會改變隧道的力學性能。運營線路影響分析的關鍵在于保證運營線路的安全與穩定，所以需保證軌頂面始終為中性層。

基于此，采用平截面假定，如圖6(a)所示。M為襯砌環所受彎矩，隧道橫斷面上每一處變形量與距中性軸距離成正比，且遵循小變形假設，受壓側只考慮管片受壓，受拉側由混凝土和螺栓共同受拉，同時軸線彎曲。修正模型假設軌頂面始終處于中性層，如圖4與圖6(b)所示。在確定中性軸位置φ后，利用式(1)、式(2)可求得縱向抗彎剛度折減系數η。

圖6 盾構襯砌彎曲變形示意圖(1∶100)

(1)

(2)

式中：Kh為彈性彎曲剛度等效系數；φ為中性軸的位置；η為縱向抗彎剛度折減系數；E為管片彈性模量；I為隧道截面慣性矩；ls為兩管片環中心線內長度；lb為螺栓長度；λ為環縫影響系數。

將依托工程管片與螺栓參數代入各計算模型，得到各經驗模型與本文修正等效連續模型計算結果如表4所示。與已有經驗模型比較，本文修正模型對管片縱向抗彎剛度折減較大。由于假設軌頂面位于中性軸位置，模型可以較好地考慮盾構施工對道床、鋼軌等的影響。

3 三維數值分析

通過數值方法，選取模型1、4、5(模型2、3、4較接近)及剛度不折減模型，研究不同縱向抗彎剛度折減系數η對盾構下穿施工引起既有隧道管片變形的影響。

依托北京地鐵12號線西三區間盾構隧道下穿軌道交通機場線區間隧道工程，采用有限元軟件Midas GTS NX建立三維數值模型?？紤]施工影響范圍、模型邊界效應等因素，模型尺寸為300 m×260 m×60 m，模型四周邊界約束水平位移，底邊界約束水平和豎向3個方向自由度，計算模型如圖7所示。

圖7 三維數值模型

對相鄰且巖性相近地層作合并處理，模型共劃分為3個地層，采用硬化(HS)本構模擬，地層參數如表5所示。既有隧道襯砌采用殼單元模擬，襯砌環之間通過設置剛性連接實現對盾構隧道等效連續模型的模擬；管片縱向抗彎剛度折減系數η分別取自表4中模型1、4、5計算結果(模型2、3、4較接近，故選用模型4)，剛度不折減的管片參數取值參考表2。新建線路隧道襯砌同樣采用殼單元模擬，管片參數取值參考表2且不進行剛度折減。盾構結構及施工具體參數如表6、表7所示。

表4 機場專線盾構隧道縱向等效剛度模型比較

表5 土層材料參數

表6 盾構結構參數

表7 盾構施工參數

Lee等[20]提出盾構施工中等效土體損失g主要由盾構刀盤與隧道之間的超挖空隙(含注漿影響)，盾構前部土體的三維彈塑性變形及人為施工因素產生的地層損失構成。僅考慮盾構超挖引起的土體損失，并將超挖空隙與泥漿混合物概化為均質、等厚、彈性的等代層，如圖8所示。模擬中通過設置等代層區域的固定應變，實現盾構超挖帶來的地層損失影響?？紤]盾構機掘進采用零沉降法掘進，在掘進中摻加克泥效等，使盾構掘進平穩，將地層擾動控制到最低，故地層損失百分比ηl通常為0.5%[21]。

圖8 等代層剖面示意

盾構開挖模擬示意圖如圖9所示。由于需考慮既有隧道管片縱向剛度的不同程度折減，計算共分4種工況，具體模擬步驟為：①初始應力場分析；②既有隧道施工，激活各工況對應的不同管片縱向折減剛度參數，施工完成后位移清零；③12號線盾構隧道施工：鈍化隧道一環土體，施加掘進壓力并激活盾構機單元，完成盾構機的一次掘進過程；④向隧道周邊土體施加徑向注漿壓力，激活管片單元及等代層，并設置等代層的固定應變以模擬地層損失；⑤重復步驟③～步驟④至12號線左線及雙線貫通。

圖9 盾構開挖模擬示意圖

4 計算結果分析

4.1 既有隧道沉降分析

如圖10(a)所示，12號線左線貫通后，既有隧道縱向沉降曲線大致以新建隧道左軸線為中心呈正態分布。這主要由于新建隧道的斜穿施工對既有隧道影響是局部的，斜穿處隧道沉降明顯大于其余段，整體表現為隧道的縱向不均勻沉降。從圖10可看出，既有隧道沉降隨縱向抗彎剛度折減系數η減小而逐漸增大，最大沉降值由1.11 mm增至1.65 mm。與監測數據比較可知，監測值與模擬值規律大致相同，且提出的經驗模型(η=0.35)與實測值最接近。

圖10 左線和雙線貫通后各計算模型的既有隧道沉降曲線

如圖10(b)所示，12號線雙線貫通后，既有隧道縱向沉降曲線大致以新建隧道左、右軸線為中心向兩側呈正態分布且具有“雙峰”特征，隧道最大沉降不在對稱面處，在遠離12號線處略有隆起。隨著縱向抗彎剛度折減系數η由1降至0.11，既有隧道最大沉降由1.34 mm增至2.07 mm，增幅達54.5%，可見η對既有隧道的縱向彎曲變形影響顯著。沉降監測值與提出的經驗模型(η=0.35)結果最為接近，說明了本文模型的合理性。

4.2 既有隧道變形影響因素敏感性分析

新建隧道施工對既有線路的影響程度取決于諸多因素，其中主要包括隧道之間的相對位置(隧道凈距等)、地層條件及新建隧道施工工藝等[22]。主要因素對既有隧道變形的影響如圖11、圖12所示。

圖11 隧道凈距對既有隧道變形影響

圖12 新建隧道地層性質對既有隧道變形影響

(1)隧道凈距。假設新建隧道與既有隧道夾角不變，且新建隧道中心埋深不變，研究不同凈距對既有隧道變形影響。如圖11所示，當隧道凈距分別取值0.5D、1.0D、1.5D(D為新建隧道直徑)時，既有隧道沉降規律大致相同且沉降值逐漸減小，最大沉降由2.05 mm減小至1.37 mm。這表明隨著隧道凈距增加，新建隧道開挖引起既有隧道擾動逐漸減小。

(2)新建隧道穿越地層性質。新建隧道下穿既有隧道施工，施工擾動通過地層作用于既有隧道，地層性質對施工擾動傳遞有決定性作用。如圖12(a)所示，隨著新建隧道與既有隧道間地層強度逐漸增加，施工引起既有隧道沉降逐漸減小，由 2.22 mm 減小至1.20 mm。

如圖12(b)、圖12(c)所示，地層抗剪強度參數c′、φ′對盾構下穿引起既有隧道變形影響與彈性模量相似，其中黏聚力影響較為顯著，c′從0增至10 kPa，最大沉降由1.71 mm減小至0.77 mm，減小幅度約55.0%，主要原因在于相比黏土而言，砂土地層更易受擾動，開挖引起的沉降槽寬度較大，沉降曲線窄而深，對既有隧道造成的不均勻沉降更明顯。

5 結論

提出了適用于既有運營隧道縱向剛度折減修正等效連續模型，研究了盾構法近距離下穿施工對既有盾構隧道影響，研究得到主要結論如下。

(1)修正等效連續模型以軌頂面為中性軸位置，與已有模型比較發現，修正模型可以較好考慮運營隧道對道床、鋼軌等的影響。

(2)以北京地鐵12號線西三區間盾構隧道下穿軌道交通機場線區間工程為依托，有限元分析結果表明本文模型預測既有隧道縱向沉降與監測值最接近，驗證了模型在實際工程中的適應性。

(3)從新建隧道與既有隧道凈距、地層性質兩方面對既有隧道變形影響因素進行了參數分析，結果表明隨著隧道凈距及地層強度的增加，下穿施工擾動引起既有隧道變形逐漸減小，其中黏聚力從0增加至10 kPa，最大沉降減小幅度約55.0%，影響最為顯著。研究成果可為類似盾構下穿既有線路工程提供參考。