盾構(gòu)隧道近距離下穿對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道影響

楊 薈 斯， 劉 濤， 繆 紅 彬， 胡 新 啟， 王 崢 崢*

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.大連市城市管理局，遼寧 大連 116011；3.中國(guó)雄安集團(tuán)城市發(fā)展投資有限公司，河北 雄安 071000；4.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065 )

0 引 言

近年來(lái)城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，為人們出行帶來(lái)極大便利．人口聚集的大城市如上海、北京、天津、廣州、深圳等已形成復(fù)雜的地下交通網(wǎng)絡(luò)，穿越既有隧道成為隧道建設(shè)的新常態(tài)[1-3]，而新建盾構(gòu)隧道近距離多次下穿施工會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)致使其變形、應(yīng)力疊加[4]，進(jìn)而影響既有線的安全運(yùn)營(yíng)．

眾多學(xué)者對(duì)于盾構(gòu)隧道近距離下穿施工對(duì)既有線造成的影響做了大量研究：金大龍等[5]通過(guò)離心模型試驗(yàn)指出小凈距四線隧道開(kāi)挖具有明顯的群洞效應(yīng)，既有隧道最終沉降為所有線穿越后疊加的結(jié)果．甘曉露等[6]提出了兩線隧道下穿作用下既有隧道縱向變形的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，量化了兩線隧道開(kāi)挖引起土體損失的差異．劉士海等[7]分析了新建隧道斜交下穿既有盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指出既有盾構(gòu)隧道的沉降變形呈現(xiàn)雙凹槽狀縱向柔性變形特征．王立新等[8]指出應(yīng)盡量避免豎直凈距小于20%洞徑的雙線盾構(gòu)下穿，當(dāng)采用40%洞徑豎直凈距下穿時(shí)，應(yīng)將新建隧道拱頂沉降控制在13 mm以?xún)?nèi)．Fang等[9]分析了京張高鐵清華園隧道下穿既有北京地鐵10號(hào)線的實(shí)際數(shù)據(jù)，指出高斯方程可以較好擬合既有線沉降．房明等[10]通過(guò)數(shù)值模擬指出當(dāng)新建隧道與既有隧道的相對(duì)距離小于2倍襯砌外徑時(shí)，新建隧道盾構(gòu)下穿施工引起既有隧道位移較大．李磊等[11]研究了盾構(gòu)下穿施工時(shí)土艙壓力和注漿壓力以及上穿施工時(shí)壓重范圍和壓重對(duì)既有隧道變形的影響．黃正榮等[12]通過(guò)數(shù)值模擬指出土艙壓力是盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的重要因素．楊成永等[13]通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指出盾構(gòu)施工參數(shù)是控制既有隧道沉降的關(guān)鍵因素．Dias等[14]分析指出在數(shù)值模擬中引入土艙壓力及注漿壓力會(huì)使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確．

兩次下穿既有兩線隧道產(chǎn)生的影響分析成為新趨勢(shì)，但鮮有學(xué)者對(duì)兩次近距離盾構(gòu)下穿時(shí)施工參數(shù)對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析．本文基于某城市地鐵4號(hào)線下穿既有9號(hào)線實(shí)際工程，采用Midas/GTS構(gòu)建下穿隧道精細(xì)化三維有限元數(shù)值模型，模擬盾構(gòu)雙隧道先后近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道的施工全過(guò)程，分析下穿隧道施工中既有運(yùn)營(yíng)隧道的沉降、側(cè)向位移的變化規(guī)律及盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)既有隧道沉降的影響，以期為盾構(gòu)隧道下穿施工提供科學(xué)的參考依據(jù)．

1 工程概況

依托工程為新建4號(hào)線下穿既有地鐵9號(hào)線，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)工程布置如圖1所示．4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)距9號(hào)線盾構(gòu)最小凈距約2.108 m，下穿長(zhǎng)度約19.0 m．地鐵9號(hào)線為既有運(yùn)營(yíng)線路，線間距約13.25 m，管片外徑6 200 mm、管片厚度350 mm、管片環(huán)寬1.2 m，混凝土等級(jí)C50，覆土厚度14.8 m．4號(hào)線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線間距約13.0 m，隧道外徑6 200 mm、管片內(nèi)徑5 500 mm、管片厚度350 mm、管片環(huán)寬1.2 m，環(huán)向和縱向連接螺栓均采用彎螺栓，且管片環(huán)與環(huán)之間采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓連接．新建4號(hào)線采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑6 430 mm，右線先行開(kāi)挖，左線后開(kāi)挖．左線盾構(gòu)二次穿越時(shí)開(kāi)挖面距右線的距離為9D(D為隧道外徑)．

圖1 工程布置圖Fig.1 Project layout diagram

2 盾構(gòu)隧道下穿施工的精細(xì)化模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

本文應(yīng)用Midas/GTS進(jìn)行模擬，盾構(gòu)法施工擾動(dòng)范圍在隧道軸線3倍洞徑范圍以?xún)?nèi)[15]，計(jì)算模型尺寸為X向58 m，Y向66 m，Z向50 m．施工過(guò)程采用動(dòng)態(tài)模擬分析，為匹配網(wǎng)格開(kāi)挖長(zhǎng)度將盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度取整為9.6 m，模擬施工時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算每次掘進(jìn)2.4 m(2環(huán))，新建4號(hào)線注漿層厚度取為開(kāi)挖直徑與管片外徑之差230 mm的一半，整體模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，選取新建與既有隧道的交叉位置處截面作為4個(gè)特征截面；新建隧道與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示．

(a)土體模型

圖3 新建隧道與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系(單位:mm)Fig.3 The relative position relationship between the newly-built tunnel and the existing tunnel (unit:mm)

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)化后土體材料參數(shù)如表1所示．既有隧道管片采用析取板單元模擬；既有隧道管片與新建盾構(gòu)管片材料參數(shù)一致．盾構(gòu)機(jī)材料參數(shù)如表2所示．依據(jù)實(shí)際工程，根據(jù)隧道埋深、地質(zhì)情況和環(huán)境條件等進(jìn)行的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果以及本地施工經(jīng)驗(yàn)的綜合考慮，將土艙壓力取為0.12 MPa，注漿壓

表1 土體材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of soil

表2 盾構(gòu)機(jī)材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of shield machine

力取為0.22 MPa．

2.3 盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬

精細(xì)化盾構(gòu)施工模擬時(shí)分為盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入階段和盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)階段．盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)階段的盾構(gòu)模擬包括附屬結(jié)構(gòu)和附屬荷載模擬，如圖4、5所示．

圖4 盾構(gòu)附屬結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of shield accessory structure

盾構(gòu)附屬結(jié)構(gòu)包括盾殼、管片及注漿層．盾殼及注漿層采用共用實(shí)體單元模擬．新建盾構(gòu)管片采用實(shí)體單元模擬．考慮螺栓連接對(duì)彈性模量進(jìn)行折減，因環(huán)間采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓連接，取管片彈性模量的折減系數(shù)為0.8[16]．注漿層采用均質(zhì)、等厚、彈性等代層模擬[17]，模擬時(shí)考慮一種理想化情況即認(rèn)為漿液完全填充盾尾空隙且沒(méi)有損失，等代層厚度即注漿層厚度．

(a)土艙壓力

盾構(gòu)附屬荷載包括土艙壓力及注漿壓力：土艙壓力由在開(kāi)挖面施加均布?jí)毫M(jìn)行模擬，注漿壓力采用環(huán)向均布?jí)毫δM．

盾構(gòu)施工過(guò)程模擬包括：

(1)既有隧道開(kāi)挖，激活既有隧道管片，進(jìn)行地應(yīng)力平衡．

(2)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入階段：鈍化核心、管片處土體，激活土艙壓力，將預(yù)設(shè)盾殼單元的土體屬性更改為盾殼屬性．

(3)盾構(gòu)機(jī)全部進(jìn)入后正常掘進(jìn)階段：激活第n環(huán)開(kāi)挖面的土艙壓力，鈍化第n環(huán)的核心土層及預(yù)設(shè)管片單元處土體，將第n環(huán)預(yù)設(shè)盾殼單元的土體屬性更改為盾殼屬性，鈍化第n-1環(huán)開(kāi)挖面土艙壓力；激活第n-1環(huán)預(yù)設(shè)管片單元，將第n-1環(huán)預(yù)設(shè)盾殼單元的盾殼屬性更改為注漿層屬性同時(shí)激活該層注漿壓力，鈍化第n-2環(huán)注漿壓力．

3 盾構(gòu)隧道下穿施工的影響分析

3.1 既有隧道拱底隆沉規(guī)律分析

圖6給出了新建盾構(gòu)隧道下穿推進(jìn)不同距離時(shí)既有隧道拱底的軸向隆沉曲線，負(fù)值表示新建線切口環(huán)距既有線距離，正值表示新建線切口環(huán)穿越既有線距離，橫坐標(biāo)X為既有隧道軸線距離，縱坐標(biāo)δ為沉降值．由圖可見(jiàn)：

(1)兩次下穿施工造成既有線發(fā)生不均勻沉降，最終沉降曲線均呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的雙峰式，最大沉降位置為新建兩線中間偏向第二次下穿施工的軸線位置．

(2)第一次下穿施工(右線)時(shí)，當(dāng)切口環(huán)距既有上行線軸線底部7.2 m，由于盾構(gòu)機(jī)的土艙壓力對(duì)前方土體產(chǎn)生擠壓，底部各測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)隆起狀態(tài)；當(dāng)切口環(huán)到達(dá)既有上行線正下方時(shí)既有隧道發(fā)生沉降，最大沉降位于右線軸線正上方，最大沉降為2.6 mm，約占第一次下穿完成時(shí)最終沉降的80.5%；隨著盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前掘進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)繼續(xù)沉降，但沉降幅度逐漸減小；第一次下穿完成時(shí)最終沉降達(dá)到3.23 mm，約占最終沉降的40.2%．

(3)第二次下穿施工(左線)時(shí)，當(dāng)切口環(huán)距既有隧道7.2 m時(shí)整線均隆起，隆起最大位置為新建左線正上方；當(dāng)切口環(huán)到達(dá)既有隧道正下方時(shí)整線呈沉降狀態(tài)，最大沉降為6.92 mm，約占最終沉降的86.1%；隨盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)繼續(xù)向前掘進(jìn)沉降繼續(xù)增加，但沉降幅度有所減緩；兩線施工完成時(shí)最大沉降為8.04 mm．

(4)下行線的最終沉降略小于上行線，而最大隆起略大于上行線；但最大隆起、沉降位置與上行線一致．當(dāng)切口環(huán)通過(guò)既有下行線軸線底部7.2 m時(shí)，下行線達(dá)到最大隆起；當(dāng)切口環(huán)通過(guò)既有下行線軸線底部21.6 m時(shí)，既有下行線最大沉降達(dá)到最終沉降的87%，最終沉降的最大值為7.1 mm．

(a)第一次下穿既有上行線

3.2 既有隧道拱底側(cè)向位移規(guī)律分析

圖7給出了新建盾構(gòu)隧道下穿推進(jìn)不同距離時(shí)既有隧道拱底的軸向側(cè)移曲線，橫坐標(biāo)X為既有隧道軸線距離，縱坐標(biāo)γ為側(cè)移值．由圖可見(jiàn)：

(1)由于新建盾構(gòu)隧道施工造成周?chē)馏w應(yīng)力釋放并引發(fā)既有隧道卸荷，因此兩線最終均呈現(xiàn)沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向相反的不均勻側(cè)移；由于兩線均先穿越上行線后穿越下行線，因此下行線不均勻程度較上行線小，最大側(cè)移也略小于上行線．

(2)右線施工時(shí)側(cè)移最大位置均位于新建右線隧道軸線正上方；隨著盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，上行線整線沿掘進(jìn)方向的反向發(fā)生側(cè)移，且側(cè)移值不斷增加；第一次下穿完成的最大側(cè)移為2.37 mm，達(dá)到最終側(cè)移的90%．

(a)第一次下穿既有上行線

(3)左線下穿施工時(shí)由于對(duì)既有隧道造成第二次下穿擾動(dòng)影響，既有上行線整線先產(chǎn)生沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向側(cè)移，隨著盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，沿掘進(jìn)方向側(cè)移量逐漸減小，最終呈現(xiàn)沿盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向反向側(cè)移；最大側(cè)移位于兩新建隧道軸線中間偏向第一次開(kāi)挖的右線軸線位置，第二次下穿完成的最大側(cè)移為2.62 mm．

3.3 盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)既有隧道測(cè)點(diǎn)沉降影響分析

由于新建隧道與既有隧道在交叉位置距離最近，能較好反映出參數(shù)變化對(duì)既有隧道的影響，因此選擇4條隧道交叉位置進(jìn)行參數(shù)分析．

3.3.1 土艙壓力對(duì)既有線沉降的影響 土艙壓力用于維持開(kāi)挖面穩(wěn)定性，將土艙壓力分別取為0.06、0.12、0.18、0.24 MPa 4種工況進(jìn)行分析．

圖8給出了4條隧道交叉位置拱底測(cè)點(diǎn)在不同土艙壓力下隨新建隧道下穿施工的沉降曲線，橫坐標(biāo)為施工步n，縱坐標(biāo)為沉降δ．由圖可見(jiàn)：

(1)既有隧道的沉降與土艙壓力的大小密切相關(guān)，隨著土艙壓力的增加，既有線的最終沉降先增大后減小，當(dāng)土艙壓力為0.24 MPa時(shí)，既有線最終呈隆起狀態(tài)．

(2)隨兩次盾構(gòu)下穿施工測(cè)點(diǎn)均經(jīng)歷了隨盾構(gòu)機(jī)接近逐步隆起—達(dá)到最大隆起值—隨盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離隆起值減小—沉降穩(wěn)定的變形過(guò)程；土艙壓力小的工況，其最大隆起階段稍滯后于土艙壓力大的工況，并且0.06、0.24 MPa工況下測(cè)點(diǎn)能夠較迅速達(dá)到沉降穩(wěn)定，說(shuō)明較小的土艙壓力對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，但不利于維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，故在盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)接近測(cè)點(diǎn)時(shí)發(fā)生大幅沉降；而土艙壓力過(guò)大會(huì)造成施工過(guò)程中測(cè)點(diǎn)隆起較大，因此合理選擇土艙壓力十分必要．

(3)第一次下穿施工，當(dāng)土艙壓力為0.18 MPa時(shí)測(cè)點(diǎn)的沉降略小于0.06 MPa的，而隨著第二次下穿施工盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)后，土艙壓力為0.18 MPa時(shí)測(cè)點(diǎn)的沉降大于0.06 MPa的，因此第二次下穿施工時(shí)可以通過(guò)進(jìn)一步提高土艙壓力來(lái)減小沉降的發(fā)展．

(a)特征截面1拱底測(cè)點(diǎn)

3.3.2 注漿壓力對(duì)既有線沉降的影響 注漿用于填補(bǔ)盾尾空隙，并能減小既有線位移．將注漿壓力分別取為0.055、0.110、0.220、0.330 MPa 4種工況進(jìn)行分析．

圖9給出了4條隧道交叉位置拱底測(cè)點(diǎn)在不同注漿壓力下隨新建隧道下穿施工的沉降曲線，由圖可見(jiàn)：

(1)注漿壓力的大小對(duì)既有線測(cè)點(diǎn)的沉降產(chǎn)生較大影響，注漿壓力越大，各測(cè)點(diǎn)的最終沉降越小；當(dāng)注漿壓力為0.330 MPa時(shí)測(cè)點(diǎn)最終呈隆起狀態(tài)而不是沉降狀態(tài)．

(2)在盾構(gòu)下穿注漿過(guò)程中，注漿壓力越大引起既有線拱底測(cè)點(diǎn)隆起越大，但最終沉降達(dá)到穩(wěn)定越快．

(a)特征截面1拱底測(cè)點(diǎn)

(3)第二次下穿施工會(huì)造成既有線沉降進(jìn)一步增加，但位于第二次下穿線正下方的1、4測(cè)點(diǎn)的最終沉降均大于2、3測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步表明第二次下穿線正上方附近測(cè)點(diǎn)受到的影響較大．

4 結(jié) 論

(1)兩次盾構(gòu)下穿施工造成既有隧道的最大沉降位于兩隧道軸線之間且靠近第二次下穿施工軸線，為雙峰式沉降曲線，第一次下穿完成時(shí)的最大沉降為第二次下穿完成時(shí)沉降的40%左右；既有下行線的最終沉降小于上行線．

(2)兩次盾構(gòu)下穿施工造成既有隧道最終沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的反向發(fā)生不均勻側(cè)移，而上行線的最終側(cè)移略大于下行線且不均勻程度也較大．因此，施工時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注上行線的沉降及側(cè)移．

(3)第一次盾構(gòu)下穿完成時(shí)側(cè)移和沉降分別占最終側(cè)移和沉降的90%和40.2%，表明第二次近距離盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有線沉降影響較為明顯，而對(duì)側(cè)移影響較小．

(4)土艙壓力及注漿壓力對(duì)既有隧道的沉降均產(chǎn)生了較大影響：既有線的最終沉降隨著土艙壓力提高先增大后減小，而注漿壓力的提高能有效降低既有隧道的最終沉降．并且在第一次下穿完成后最終為沉降狀態(tài)時(shí)，第二次下穿施工時(shí)可通過(guò)適當(dāng)提高土艙壓力來(lái)減小最終沉降．