上軟下硬地層盾構下穿既有隧道擾動變形研究

王明明　王正慶　翟浪寶　郭運華　盧麟　王露

摘要：針對上軟下硬傾斜地層中，盾構下穿既有地鐵時的管片變形控制問題，以武漢軌道交通7號線下穿既有2號線工程為背景，采用三維數值模擬方法和離散元軟件3DEC建立地鐵2號線管片模型，同時使用FLAC3D軟件進行三維數值分析，探討新建隧道與既有隧道間距、地層傾斜和注漿填充對既有地鐵及周邊地層的影響。分析結果表明：既有隧道沉降值受地層條件和隧道間距影響顯著，尤其在新建盾構隧道與既有隧道距離較近時；既有地鐵管片加固和新建隧道注漿填充對控制上軟下硬地層條件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降變形具有顯著效果。在新建盾構隧道施工前需對既有地鐵管片的前期變形量進行準確分析，確保既有隧道安全，且加固和注漿填充措施對于類似工程的變形控制至關重要。

關鍵詞：上軟下硬地層； 隧道下穿既有地鐵隧道； 數值模擬； 擾動變形

中圖法分類號：U455.43 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.011

文章編號：1006-0081（2024）04-0065-08

0 引 言

地鐵是緩解大城市交通擁擠的重要基礎設施，隨著城市軌道交通建設的迅速發展，不可避免出現上軟下硬地層中新建地鐵下穿既有路線的情況［1-2］。不少國內外學者［3-5］針對盾構近接下穿既有結構的影響效應開展了系列研究。一方面，盾構隧道穿越施工會對周圍土體產生地層變形擾動，石杰紅等［6］對經典Peck公式進行修正，認為修正Peck公式并結合數值模擬的結果可以用于評估隧道開挖引起的地面豎向位移；何祥凡等［7］結合數值模擬的結果和工程實例，總結了上軟下硬復合地層在盾構施工中易出現盾構掘進姿態不佳及地表塌陷，嚴重時還可能導致管片局部破損的現象，提出對較軟地層進行加固以減小地表及管片拱頂沉降；常通［8］結合工程監測數據與數值模擬結果，發現新建地鐵線路與既有地鐵線路的夾角為90°時對既有線路影響最小，既有線路結構的縱向沉降值也最小。另一方面，新建隧道下穿會使既有結構產生變形，唐汐［9］提出采用超前支護措施，即設置超前管以提高棚縱向梁承載力，施工采用深孔注漿提高橫向拱承載能力，并采用有限差分軟件FLAC3D模擬地鐵雙區間下穿既有高鐵盾構隧道施工全過程，進行隧道結構變形預測；王棟、曹亞奇、武科等［10-12］以實際工程項目為依托，分別開展了盾構近距離上跨、下穿既有隧道或地鐵車站的變形影響分析，并結合數值模擬的結果和現場監測的數據得出相應工況的隧道結構沉降位移規律；朱建才等［13］在經典Peck公式的基礎上提出土體損失率概念，并通過參數反分析來確定土體損失率，進而對盾構下穿地鐵的土層沉降變形量進行預測分析。

盡管已有大量研究［14-17］針對不同穿線工況進行分析，但上軟下硬地層盾構下穿既有地鐵工程施工過程中土體的變化規律復雜，控制因素也較多，難以形成統一結論。因此，本文結合武漢軌道交通7號線下穿既有2號線的具體工程案例開展相應的擾動變形分析，以進一步探究其變形擾動規律。

1 工程概況

武漢市前川線（軌道交通7號線北延線）垂直交叉下穿于既有2號線，2號線被穿越長度范圍約17.7～19.5 m。既有2號線隧道采用盾構法施工，管片外徑6 m，埋深9.92 m，處于黏性土夾碎石中；新建前川線隧道亦采用盾構法施工，管片外徑6.2 m，埋深18.62 m，處于黏性土夾碎石和中風化白云巖地層中，兩線隧道最小凈距約2.7 m。隧道穿越段從上至下的土層依次為人工填土層、粉質黏土層、黏土夾碎石、碎裂狀硅質白云巖、中風化泥灰巖、中至強風化白云巖層，為典型上軟下硬地層。穿越段隧道內地層巖性主要為黏性土夾碎石、中風化白云巖，結構覆土約18.6 m。

2 既有隧道先期管片變形增量分析

盾構管片接縫滲漏是地鐵隧道滲漏頻發的位置，隧道滲漏將對隧道安全穩定及后期列車運營產生重要影響，因此有必要對既有地鐵隧道（武漢地鐵2號線）管片已產生的前期變形進行分析，以保證既有隧道安全穩定與后期列車運營安全。

利用3DEC軟件模擬既有隧道管片發生變形時，管片錯臺量和張開量與管片變形量之間的變化規律，隨后結合既有隧道管片已產生的變形量與相對應的控制標準，得到已發生前期變形的既有隧道管片增量變形控制限值。通過施加荷載，計算在管片變形經驗控制值時的管片塑性分布、卸除荷載后的管片殘余變形、再次施加荷載后管片可承受的最大變形增量；既有隧道管片環數設置為16環，管片為內直徑5.6 m、外直徑6 m、厚度0.2 m的圓環；采用摩爾-庫倫本構模型。力學參數見表1。模型兩端施加豎向約束，隨后在模型中間施加豎向應力以模擬土體自重。既有隧道管片的3DEC模型及其位移如圖1所示。

隨著管片發生沉降變形，監測圖1中各管片中點的水平方向與垂直方向位移，同時計算各相鄰管片中點垂直方向位移差值與水平方向位移差值（即管片錯臺量與張開量），將管片發生最大沉降變形時的管片最大錯臺量與張開量繪圖如圖2所示。

圖2為管片錯臺量和張開量與管片沉降值之間的變化關系，當隧道管片錯臺量和張開量均為0.01 m時，中間管片的最大沉降值分別為0.055 m和0.140 m，說明相比于隧道管片張開量，管片沉降變形對隧道管片錯臺量的影響更明顯。因此，根據隧道管片張開量的變化來確定既有管片沉降增量變形控制限制更加準確。

參考謝成然等［18］的試驗與結果，利用耐水壓試驗裝置測試了橡膠密封墊的耐水性能，橡膠密封墊作為盾構隧道管片接縫處的防水裝置，其防水性能決定了隧道管片的防水安全與運營安全。

綜合考慮既有地鐵2號線運營期安全與近接地鐵隧道注漿加固的影響，既有地鐵2號線隧道管片的接縫處耐水壓應控制在0.1 MPa，將該水壓值代入接縫處耐水壓值變化曲線［18］，既有地鐵2號線的錯臺量應控制在6 mm左右。然而，經過實地調研與測量，經過鋼軌加固與補償注漿加固后的既有地鐵2號線隧道管片已發生5 mm左右的管片錯臺量。根據既有地鐵2號線隧道管片錯臺量的限值與既有值（圖2（a）），可以看出既有地鐵2號線隧道管片的最大沉降值應控制在5 mm以內。該數值應用于后續模擬中監測既有隧道安全約束。

3 盾構近接下穿既有隧道擾動變形分析

3.1 建立三維FLAC3D模型

采用FLAC3D有限差分軟件，結合項目工程實際情況，建立了三維數值模型，其長、寬和高分別為90 m、90 m和40 m。既有隧道（地鐵2號線）頂部埋深9.5 m，新建盾構隧道（地鐵7號線）頂部埋深19 m；新建隧道與既有隧道間距為2.7 m，既有隧道與新建隧道管片外徑分別為6.0 m與6.2 m；兩者之間采用正交布局。土體和隧道均以六面體網格來模擬，在模型的不同位置，網格的尺寸范圍在0.5～1.2 m之間，具體數值模型及材料分區情況如圖3所示。在數值計算中，模型的上表面（土層表面）設置為自由邊界，底部約束其Z軸方向的位移，周圍4個表面均約束其X軸向位移和Y軸向位移，采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型進行計算。

根據相應的工程地質勘探資料，將數值計算區域性質相近的土層進行簡化處理，土層劃分為4層，分別為素填土、黏性土夾碎石和中風化白云巖。各土層的力學參數見表1，其中，黏性土夾碎石、中風化白云巖和隧道管片的分布見圖3。考慮到中風化白云巖部分區域存在埋深較深的情況，后續模擬中均勻地層特指素填土與黏性土夾碎石，傾斜地層指發生逆時針13°傾斜的中風化白云巖。

3.2 工況選取及監測點布置

盾構掘進過程土體變形分為以下幾個階段：① 第Ⅰ階段，早期沉降，即發生在盾構掘進前方土體破裂面外的沉降；② 第Ⅱ階段，掌子面變形，盾構前方土體受擠壓作用發生向前和向上的移動，從而地表發生輕微隆起；③ 第Ⅲ階段，盾構通過時的沉降；④ 第Ⅳ階段，盾尾脫環沉降；⑤ 第Ⅴ階段，后期固結沉降。其中，第Ⅲ與Ⅳ階段主要為刀盤與盾殼、盾殼與管片外徑差異引起。

根據盾構結構特征及掘進階段的盾構機-土體相互作用過程，盾構對周邊土體較弱的擾動是盾構施工優于礦山法的主要特點。盾構推進過程對土體的擾動除掌子面擾動外，另外一個擾動來源就是開挖直徑過渡到管片直徑過程中的兩次填充間隙過程。考慮到這一特點，采用以下控制周邊位移的方法來模擬盾構機掘進過程，如圖4所示。

（1） 掌子面開挖掘進10 m，掌子面施加垂直向0.2 MPa（2 bar）土倉壓力。

（2） 掌子面后及盾尾10 m范圍設置環形殼（shell）單元，單元屬性同土層屬性，在計算過程中監測shell單元節點徑向位移，當單個節點徑向位移增量達到5 mm時，施加節點位移約束，直到監測范圍70%的節點完成約束，停止計算。實際運算過程中發現，當監測范圍內70%的節點完成約束后，掌子面后10 m范圍shell單元基本穩定，此時可將shell單元激活為盾殼。

（3） 解除監測范圍的約束，將掌子面后10 m范圍shell單元激活為盾殼屬性并設置盾構機自重；將盾尾后2 m范圍shell單元刪除，激活管片實體單元，設置管片橫觀各向同性屬性。

（4） 開始下一步開挖，并重復步驟（2）、步驟（3），直至開挖完成。

數值模擬監測內容主要為既有隧道（2號線）的地表沉降，沉降監測點分布如圖5所示。

3.3 盾構近接下穿過程中土體沉降分析

3.3.1 新建隧道與既有隧道間距影響分析

新建盾構隧道下穿既有隧道對其沿線上方土體的沉降變形分布如圖6～8所示，圖中地層均設置為均勻地層且未考慮同步注漿，新建隧道與既有隧道之間垂直距離（l）分別為2 m、4 m和6 m。圖中新建盾構隧道掘進方向均由右向左掘進，沉降值均為新建盾構隧道掘進完成后的沉降數值。

對比分析圖6～8的地基沉降值變化可知，既有隧道下方（相對于新建盾構隧道）土體的沉降存在相似變化規律，即土體在既有隧道范圍內的沉降值明顯偏小。隨著新建隧道與既有隧道垂直距離的增大，兩者之間的水平距離對土體沉降的影響變小。此外，當新建盾構隧道與既有隧道之間的垂直距離較小時，既有隧道下方土體在既有隧道輪廓范圍之外的區域出現明顯的沉降增大現象，說明新建盾構隧道穿越該段區域時，該段區域土體可能突然發生較大的沉降。因此，實際工程項目中應重點關注該段區域內的盾構穿越。

上述數值分析結果說明，新建盾構隧道近接下穿既有隧道時，既有隧道對新建盾構隧道上方沿線土體沉降具有抑制作用。出現該現象是因為既有隧道作為剛性結構，明顯減弱了穿越既有隧道區域的盾構土體超挖，從而抑制了其上方沿線土體沉降。在實際工程項目中，由于新建盾構隧道與既有隧道垂直間距較小（2.7 m），應對穿越既有隧道中間范圍的施工區域做好盾構掘進參數優化與相關施工緊急預案，防止既有隧道下部土體變形突然增加而導致地面路基塌陷與損害等。

3.3.2 地層傾斜影響分析

為探究地層傾斜的影響，開展均勻地層與含傾斜地層的三維數值分析，獲得的地層沉降對比曲線如圖9所示，圖中新建隧道與既有隧道的垂直間距設置為2.7 m，新建隧道上方沿線土體指既有隧道下方土體。

由圖9可知，均勻地層與傾斜地層均在既有隧道范圍內出現土體沉降減小的現象。在傾斜地層中，位于巖層埋深較淺一側的土體沉降明顯小于巖層埋深較深一側的土體，且巖層埋深較深一側土體的沉降大于均勻地層工況所對應的沉降值。因此，在評估盾構施工對周邊地層環境影響時，需要重視傾斜巖層埋深變化導致的沉降差異性。

考慮上軟下硬傾斜地層與均勻地層條件，分析新建地鐵盾構隧道正交近接下穿時既有地鐵隧道左右邊隧的底板沉降變化。對于上軟下硬傾斜地層條件，圖10 （a）中既有隧道底板與中風化白云巖層距離大約9 m，而圖10（b）中對應的距離大約為兩倍既有隧道跨度（12 m）。圖10表明均勻地層條件下既有隧道左右邊隧底板的最大沉降值均為15 mm左右，而上軟下硬傾斜地層條件下既有隧道左、右邊隧底板的最大沉降值分別為9 mm左右與14 mm左右。圖10（a）中傾斜地層條件下既有隧道底板沉降與均勻地層條件相比明顯偏小，而圖10（b）中兩者極為接近。上述現象說明：下伏巖層與既有隧道的間距不超過兩倍隧洞跨度時，巖層對既有隧道底板沉降有顯著影響，而超過這個范圍時，巖層對既有隧道底板沉降影響有限。

3.4 盾構近接下穿對既有地鐵的擾動變形分析

3.4.1 既有隧道管片加固的影響

針對傾斜地層條件，新建隧道近接下穿既有隧道2號線后既有隧道左右邊隧底板的沉降分布如圖11所示，其中考慮了對既有隧道采用鋼軌加固和未采用鋼軌加固兩種工況。地層上軟下硬，圖11 （a），（b）分別為與中風化白云巖層距離較近的左側既有邊隧和距離較遠的右側既有邊隧。模擬中采用提高既有隧道管片彈性模量的方式來模擬鋼軌加固效果。可以看出：加固既有隧道管片可有效降低隧道底板變形，最大降低值約2 mm。加固前后，圖11 （a）中與中風化白云巖層距離較近的既有邊隧底板沉降最大值明顯小于圖11 （b）中與中風化白云巖層距離較遠的既有邊隧，前者底板沉降最大值約為10 mm，而后者則為14 mm左右。

綜上可知，既有地鐵管片加固對新建隧道正交近接下穿既有隧道的沉降變形作用產生了削弱效果，說明既有管片加固是減小盾構隧道下穿導致既有隧道變形沉降的有效加固措施。

3.4.2 注漿填充影響

以傾斜地層模型為對象，通過數值分析探究新建盾構隧道左右邊隧采用完全充填與部分充填加固時既有隧道左右邊隧底板的沉降分布，如圖12所示。在模擬中，通過控制新建地鐵盾構隧道開挖過程中的土體沉降與管片位移來表示新建地鐵盾構隧道的開挖與注漿。

對比圖11與圖12可知，采用同步注漿能有效控制新建隧道正交近接下穿時既有隧道的底板沉降，可將既有隧道左、右邊隧底板最大沉降值分別從9 mm、14 mm左右降低到3 mm、5 mm左右。可見，提高盾構隧道同步注漿充填率是控制既有隧道變形的關鍵步驟，同步注漿是項目施工控制既有管片變形的關鍵施工工序。

3.4.3 傾斜地層+新建盾構隧道同步注漿組合工況影響

采用傾斜地層+新建盾構隧道同步注漿的組合工況進行模擬，部分開挖過程的位移如圖13所示。

從新建盾構隧道第14步開挖（圖13（a））到第15步開挖（圖13（b））的位移不難看出，當新建盾構隧道開挖進行到第15步時，既有隧道右邊邊隧可以明顯看出與左邊隧的土體沉降差異，而在第14步新建盾構隧道開挖時，既有隧道兩條邊隧土體沉降相同且基本為0。上述現象說明新建盾構隧道從第15步開挖（此時距離既有隧道右邊隧14 m左右）開始影響上方既有隧道變形沉降變形。

從圖13（c）第36步開挖至圖13（d）開挖完成的位移變化可知，新建盾構隧道從第36步開挖直至開挖完成，既有隧道周圍土體沉降變形變化幅度為0（即兩張圖中既有隧道左右隧周圍土體顏色沒有發生改變）。說明從第36步開挖之后（此時距離既有隧道左邊隧9 m左右），新建盾構隧道近接下穿對既有隧道沉降變形影響作用有限，可不考慮后續盾構掘進對既有隧道變形沉降影響。

4 結 論

本文以武漢軌道交通7號線下穿既有2號線工程為背景，通過數值模擬分析了上軟下硬地層中盾構近接下穿施工對既有地鐵及周邊土體的擾動變形規律，所得主要結論如下。

（1） 新建盾構隧道施工之前，需對既有地鐵隧道管片的前期變形量進行分析，判定后續盾構近接施工中所能允許的擾動變形限值，以保證既有隧道安全穩定與后期列車運營安全。由數值模擬的結果可知，相比于隧道管片錯臺量，管片沉降變形對管片張開量影響更為敏感，因此，根據隧道管片張開量的變化趨勢來確定既有隧道管片后續的沉降增量變形限值更加合理。

（2） 當新建盾構隧道與既有隧道之間的垂直距離較小時，既有隧道下方（相對于新建盾構隧道上方）土體在既有隧道輪廓范圍之外區域出現沉降增大現象，實際工程項目中應重點關注該段區域內盾構穿越施工安全性。

（3） 傾斜上軟下硬地層中，位于巖層埋深較淺一側的土體及既有隧道的沉降值均明顯小于巖層埋深較深一側或均勻土層對應的工況，說明在評估盾構施工對周邊地層及既有結構影響時，需要重視傾斜巖層埋深變化導致的差異性。

（4） 對既有地鐵管片進行加固或對新建盾構隧道采用注漿填充，對上軟下硬地層條件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降變形控制具有明顯的改善效果，因此，這兩項加固措施是該盾構隧道近接施工安全控制的關鍵。

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（編輯：高小雲）

Research on disturbance deformation of shield tunneling beneath existing tunnels in soft-top and hard-bottom strata

WANG Mingming1，WANG Zhengqing1，ZHAI Langbao2，GUO Yunhua2，LU Lin 1，WANG Lu 1

（1.Sinohydro Engineering Bureau No.4 Co.，Ltd.，Xining 810007，China； 2.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Abstract： Aiming at the issue of segment deformation control in shield tunneling through existing subways within stratums that were soft on the top and hard on the bottom，taking the project of Wuhan Metro Line 7 tunneling under the existing Line 2 as the background，the three-dimensional numerical simulation methods and the discrete element software 3DEC to establish a model of the Line 2 segments was used.We carried out a 3D numerical analysis using FLAC3D software to investigate the distance between the new tunnel and the existing tunnel，the ground inclination and the effect of the grouted fill on the existing metro and surrounding strata.The analysis showed that the settlement of the existing tunnel was significantly affected by the stratum conditions and the distance between tunnels，especially when the newly constructed shield tunnel was close to the existing one.The reinforcement of the existing subway segments and grouting filling in the new tunnel significantly controled the settlement deformation when tunneling close under the existing subway in soft-top and hard-bottom conditions.The study emphasized the importance of accurately analyzing the pre-deformation of existing subway segments before the construction of new shield tunnels to ensure the safety of the existing tunnels，and the reinforcement and grouting filling measures were crucial for deformation control in similar projects.

Key words： top-soft and hard - bottom strata； shield tunneling through existing subways； numerical simulation； disturbance deformation

收稿日期：2023-10-08

基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2021YFC3100801）

作者簡介：王明明，男，工程師，主要從事隧洞施工研究工作。E-mail：254977068@qq.com

通信作者：翟浪寶，男，碩士研究生，主要研究方向為隧洞施工研究方面。E-mail：1316296927@qq.com