軟土區多線交疊盾構隧道施工影響性研究

何磊

[摘? 要]：近年來，隨著我國經濟快速發展，地鐵里程在城市中迅速增加，軟土地區多線交疊情況的出現已逐漸成為常態，文章通過邁達斯數值模擬分析軟件分析地鐵多線交疊處新建隧道對既有線的影響，指導類似工程施工，保證施工安全性。

[關鍵詞]：軟土; 多線交疊; 盾構隧道; 影響性研究

U452.2+6A

近年來，隨著地鐵里程數的不斷增加，新建隧道下穿既有線及盾構隧道多線交疊情況屢見不鮮，如何保證施工過程中的安全性成為工程界需要時刻重視的問題。錢佳亙[1]結合北京地鐵近年來的相關經驗，通過工程實例研究了沉降控制的精細化管控措施。付春青等[2]以北京地鐵為背景，通過修正等效連續模型，采用數值模擬手段從隧道凈距及地層性質兩方面進行了參數分析。楊武林[3]總結了地鐵隧道下穿既有線施工過程中容易產生的問題并對具體施工技術進行了闡述。趙煥等[4]通過構建三維有限元模型研究了在不同注漿壓力和土體損失率下修建盾構穿越既有線隧道對既有線隧道襯砌的影響。張運濤[5]采用經典力學理論，以多跨連續梁為模型，進一步分析了基礎變位作用下結構的受力行為，根據分析結果，提出以極限狀態為原則的結構沉降控制標準;建立三維數值模型模擬了施工全過程，并用于實際工程。王乃勇[6]采用FLAC3D進行了盾構施工三維數值模擬，分析了盾構下穿對高速公路的影響并評價了施工安全性。謝良超[7]為分析隧道橫向、縱向沉降規律，從加固隧道鋼圈、設置監測節點兩方案來調整試驗段施工參數并由此確定下穿指導施工參數。羅躍春等[8]以上海某地鐵區間為工程背景，建立三維盾構隧道模型，分析了其在軟土中的接頭張開以及變形發展規律。進行了用鋼板加固隧道的分析，探討了鋼板加固隧道效果及隧道變形行為響應。范雨等[9]通過ABAQUS數值模擬軟件建立了盾構隧道開挖的平面模型對隧道穿越砂-灰巖交界面引起的地層變形規律、隧道襯砌受力及變形特征進行了分析。

基于前人研究的結果，對多線交疊盾構隧道施工影響性分析較少，本文通過建立三維模型探究三線交疊盾構隧道新建線施工對既有線的影響。

1 工程背景

本文以某城市軌道交通工程2、4、5號線三線交疊先后施工為例，5號線左線在下，右線在上，左、右線豎向凈距為1.8 m，平面上錯開0.125 m，右線隧道與2號線豎向凈距為2.481 m，5號線與4號線的水平凈距為7.555 m，4號線左線在上，右線在下，左右線豎向凈距為1.8 m，右線隧道與2號線豎向凈距為3.516 m。2號線為既有線，4號線先于5號線建設，位置關系及周邊土層見圖1。

2 數值計算及分析

2.1 計算模型建立及參數選取

采用邁達斯（GTS）對本工程進行模擬分析，根據既有2號線與4、5號線空間相對位置關系，根據地質勘察資料并假定地層在水平方向上均勻分布建立了三維有限元模型。4、5號線與既有2號線盾構隧道管片均采用板單元進行模擬。模型左右兩側及前后側均對法向位移進行約束，對底面的X、Y、Z方向的位移進行約束。有限元模型如圖2、圖3所示。有限元模型尺寸為長100 m、寬80 m、高70 m，盾構隧道外徑6.2 m，管片厚度0.35 m。

Mohr-Coulomb屈服準則表達式為：

τn=σntgυ+c

以不變量表示屈服條件為：

f=13I1sinυ+（cosθσ-13sinθσsinυ）J2-ccosυ

I1為應力張量的第一不變量：

EpIp=EcIc

J2為應力偏張量的第二不變量：

EpIp=EcIc

經過前人無數的理論分析與實際經驗表明，土體彈塑性破壞準則Mohr-Coulomb屈服準則能較為真實的體現土體的性質，計算結果也較為貼近工程實際，因此本工程計算土體均也采用Mohr-Coulomb準則。土體均采用實體單元模擬。

各土層物理力學參數如表1。

管片等混凝土材料破壞模式均接近于彈性破壞，因此在數值計算中對管片賦彈性。管片選用C50混凝土，據規范C50彈模為34.5 GPa，考慮管片接頭對整體彈模的折減，折減系數取0.75，因此取管片彈模為25.875 GPa，泊松比取0.2，重度取25 kN/m3。

2.2 數值計算及結果分析

將本工程數值仿真分為8個步驟模擬，數值模擬施工順序如下：

（1）4號線右線施工至交叉處。

（2）4號線右線施工結束。

（3）4號線左線施工至交叉處。

（4）4號線左線施工結束。

（5）5號線左線施工至交叉處。

（6）5號線左線施工結束。

（7）5號線右線施工至交叉處。

（8）5號線右線施工結束。

既有2號線Z向位移隨開挖進行位移變化如圖4所示，既有2號線X、Y向位移隨開挖進行位移變化如圖5所示，土體豎向最大位移隨開挖進行變化如圖6所示。

由圖4可得出，隨著開挖的進行，既有2號線Z向位移逐漸增大，且增速逐漸減緩，這是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。到交疊處施工完成時，既有2號線Z向最大位移為5.34 mm，滿足規范10 mm要求，現場施工應加強該處監測。

由圖5可得出，隨著開挖進行，既有2號線X、Y向位移逐漸增加，交疊處施工完成時，最大X向位移僅有0.74 mm，最大Y向位移僅有0.83 mm，均滿足規范10 mm要求。兩方向位移增速隨著施工進行均逐漸減小，這是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。

由圖6可得出，交疊處第1個施工步驟完成時，土體最大豎向位移達到10.31 mm，交疊處完成時最大豎向位移為14.89 mm，第一個施工步完成時達到了69.2%的土體最大位移;隨著施工進行，土體最大位移增速明顯減緩，由第1～2步的16.5%到第7～8步的0.27%，這也是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。

所有計算結果匯總如表2示。由表2分析可得：

（1）5號線正上方處2號線位移。最大Z向位移為4.7 mm，最大X向位移為0.45 mm，最大Y向位移為0.47 mm，均滿足規范10 mm要求。施工中應加強該處監測。

（2）4號線正上方處2號線位移。4號線正上方處2號線位移：最大Z向位移為4.95 mm，最大X向位移為0.3 mm，最大Y向位移為0.48 mm，均滿足規范10 mm要求。施工中應加強該處監測。

（3）4、5號線中部正上方2號線位移。4、5號線中部正上方處2號線位移：最大Z向位移為5.34 mm，最大X向位移為0.06 mm，最大Y向位移為0.59 mm，均滿足規范10 mm要求。施工中應加強該處監測。

（4）5號線施工過程中4號線位移。最大Z向位移為1.54 mm，最大X向位移為2.79 mm，最大Y向位移為0.17 mm，均滿足規范10 mm要求。施工中應加強該處監測。

3 結論

（1）通過對本工程三線交疊處各計算階段的模擬分析，得出各階段既有線的X、Y、Z三向位移，既有2號線豎向最大位移為5.34 mm，滿足控制限制，需在后續運營中對其進行持續監測。

（2）由于本段盾構區間下穿2號線段存在一定厚度的圓礫土、黏質粉土。該區域地下水十分豐富，且補給特征明顯，盾構施工容易發生地層擾動、塌落問題，盾構自身施工風險及掘進控制難度較大，需要加強盾構施工質量并強化后續同步注漿及二次注漿的施工質量。盾構下穿地鐵2號線段，應采用泥水平衡盾構模式進行掘進，以確保將2號線位移控制在安全值范圍以內。

（3）為加強落實技術處理措施，并合理安排施工工序，提高施工質量，降低施工風險，建議本段區間的施工單位編制詳細的施工組織計劃及施工方案，并提請專家組審查。

（4）建議成立專項工程質量安全小組，由業主、設計、施工、監理及監督部門聯合工作，并第一時間處理現場問題，確保施工有序、安全，應急搶險措施及時、有力。

（5）通過對本工程的分析，可以對類似工程起到借鑒作用。

參考文獻

[1] 錢佳亙.新建盾構隧道下穿既有線沉降控制技術的研究[J].山西建筑，2021，47（14）：128-131.

[2] 付春青，張功，張雯超，等.盾構法近距離下穿施工對既有盾構隧道的影響[J].科學技術與工程，2021，21（17）：7319-7326.

[3] 楊武林.新建地鐵隧道下穿既有地鐵施工技術[J].四川建材，2021，47（4）：151-152+161.

[4] 趙煥，李偉，丁智，等.多線疊交地鐵隧道施工影響數值分析[J].市政技術，2020，38（3）：141-145.

[5] 張運濤.地鐵盾構隧道下穿既有地鐵車站變形控制標準探討[J/OL].鐵道標準設計：1-7[2022-04-28].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2987.u.20211124.1832.027.html.

[6] 王乃勇.雙線盾構隧道斜交下穿對高速公路的影響[J].科學技術與工程，2021，21（32）：13919-13925.

[7] 謝良超.富水地層盾構施工隧道變形控制技術研究[J].建筑技術，2021，52（11）：1325-1328.

[8] 羅躍春，童佳榮，王寧偉，等.軟土地區盾構隧道變形及加固分析[J].工程建設與設計，2021（21）：152-154.

[9] 范雨，趙慧玲，姚旭朋.穿越上軟下硬復合地層交界面的雙線盾構隧道開挖穩定性分析[J].中國市政工程，2021（5）：100-103+107+121-122.