地鐵盾構隧道下穿既有地鐵隧道影響因素研究

摘 要：為了研究地鐵盾構隧道下穿對既有地鐵隧道的影響，本文基于某市地鐵盾構隧道工程，利用數值模擬計算，分析了不同覆土層厚度、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結構沉降位移的影響。研究結果表明，既有地鐵隧道拱底的沉降位移，隨著覆土厚度增加而增加，當新建隧道下穿既有隧道時，選擇覆土厚度小的區域作為下穿區域，可減少既有隧道結構的沉降位移。隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，當盾構下穿施工時，距離既有地鐵隧道越遠，既有隧道結構的沉降位移越小。隨著圍巖參數減少，相對沉降位移先增加再減少，在這個階段，土體產生整體沉降。

關鍵詞：盾構隧道；隧道下穿；沉降位移

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

隨著城市地下交通的快速發展，隧道數量日益增加，會出現地下交通相互交叉現象。在新建隧道下穿既有隧道施工中，多次擾動地層會破壞既有隧道結構，嚴重威脅交通運營安全，為避免既有隧道結構被破壞，學者們進行了多方面研究。施柳盛等[1]對大直徑盾構隧道下穿既有地鐵隧道影響分析及控制進行了研究，分析了新建大直徑盾構隧道施工斜交下穿既有運營地鐵區間隧道的影響；王明明等[2]對上軟下硬地層盾構下穿既有隧道擾動變形進行了研究，研究結果表明，既有隧道沉降值受地層條件和隧道間距影響顯著；程良水等[3]對新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行了研究，研究結果表明，地鐵下穿對上部既有隧道會產生較大影響，會導致上部既有隧道變形；李旭[4]對盾構近距下穿既有線地層力學響應和變形特性進行了分析，分析結果表明，盾構下穿施工過程對既有應力影響較小；朱春柏等[5]研究了新建隧道對上覆既有隧道受力變形解析，研究結果表明，隨著新舊隧道豎向間距增加，既有隧道受到盾構開挖的影響逐漸減少；周文杰等[6]對新建雙線盾構隧道下穿既有隧道變形規律及控制技術進行了研究，研究結果表明，既有隧道變形主要集中在新建隧道上方，呈對稱分布。

基于此，本文通過數值模擬計算，對地鐵盾構下穿既有地鐵隧道的影響進行研究，分析不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結構的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結構的影響。

1 工程概況

本工程為某市地鐵8號線盾構隧道工程，掘進由北向南走向，全線長32.4km。掘進線路于城北郊區與既有地鐵6號線交叉，地鐵6號線為城市環城線，地鐵8號線盾構隧道須下穿地鐵6號線隧道，兩隧道中心線相交平面角度約為87°，幾乎處于正交狀態。地鐵8號線盾構隧道的拱頂與既有地鐵6號線隧道的拱底距離為5.3m，既有地鐵6號線隧道斷面寬7.2m，高度為6.8m，拱頂離地面距離為5.4m，管片采用C35鋼筋混凝土制成。地鐵8號線盾構隧道管處內徑為5.6m，外徑為6.4m，厚度為0.4m，每個管片的寬度為1.55m，采用C40鋼筋混凝土制成，兩個盾構隧道中心間距為12.5m。地鐵盾構隧道和既有地鐵隧道相互關系如圖1所示。由于地鐵盾構隧道下穿既有地鐵隧道，盾構施工過程中對土層的擾動會引起土體結構變形塌陷，嚴重威脅既有地鐵隧道的結構安全，因此，須對地鐵盾構隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行研究。

2 數值模型

2.1 數值模型建立

為減少模型邊界效應的影響，將盾構隧道模型寬度設置為6～7倍的洞中心間距，即寬度（x方向）為76m，長度（y方向）為100m，高度（z方向）為56m。z方向的邊界范圍至地表，既有地鐵6號線的底部與盾構地鐵8號線的拱頂距離5.3m，建立隧道模型示意如圖2所示。

2.2 參數設置

地鐵8號線盾構隧道和既有地鐵6號線隧道交叉區域為城南郊區，該地區為平原地貌。根據盾構隧道地質勘測報告，該交叉區域上覆土為人工填土，土體局部為砂土和礫石，厚度為0.8m～4.6m，上覆土下依次為粉質黏土、強風化粉質砂巖、中風化粉質砂巖。其中粉質黏土層厚度為1.0m～8.7m，質地軟，遇水易軟化，強風化粉質砂巖層厚度為1.5m～12.6m，厚度變化大，中風化粉質砂巖層厚度為1.8m～24.3m，粉細粒結構，遇水易軟化。地鐵盾構隧道掘進區域位于中風化粉質砂巖巖層內，各巖土層的物理力學參數見表1。

在建模過程中，設置巖土體和隧道管片為各向同性材料，圍巖是具有莫爾-庫侖準則的彈塑性材料，盾構隧道注漿層和盾殼為彈性材料，各材料物理參數見表2。設置隧道模型兩側和模型前后約束水平方向（x方向）位移，模型底部約束豎直方向（y方向）位移，其他部位在各方向均為自由加載。邊界約束設置完成后，采用FLAC 3D軟件將巖土體按照不同材料進行分組，再對模型進行網格劃分，主受力區域網格稠密，其他區域網格稀疏，兩區域交界處進行過渡處理，通過8節點的六面體實體單元對建立的模型進行有限元離散，將該模型分解為204623個單元，214376個節點。

3 計算結果與分析

3.1 不同覆土層厚度的影響

在盾構隧道下穿過程中，既有地鐵隧道的埋深是影響隧道結構沉降的重要參數。設置既有6號線地鐵隧道的覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m，其余參數不變，盾構下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖3所示。

由圖3可知，隨著覆土厚度增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，最大位移位于盾構隧道對稱面附近。在盾構下穿過程中，當覆土厚度從5.4m增至15m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.76mm，當覆土厚度從15m增至20m時，最大沉降位移增加了0.76mm，當覆土厚度從20m增至25m時，最大沉降位移增加了0.86mm，覆土厚度增加，增加了土體質量，在土體質量和土壓力作用處，既有地鐵隧道拱底沉降位移增加。

當覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.64mm、-2.4mm、-3.16mm、-4.02mm，盾構地鐵下穿時，覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結構有明顯影響。

當覆土厚度從5.4m增至20m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加趨勢處于平穩狀態，當覆土厚度大于20m時，最大沉降位移增加趨勢明顯。根據《高速鐵線路維修規則》，地鐵結構設施絕對沉降量不大于20mm，將水平位移控制在±5mm，在不同覆土厚度條件下，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移均滿足施工要求，但覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結構有明顯影響，因此，新建隧道須下穿既有隧道時，應選擇既有隧道覆土厚度小的區域作為下穿區域，可減少既有隧道結構的沉降位移。

3.2 不同凈間距的影響

凈間距為盾構隧道的拱頂與既有隧道拱底之間的凈距離，它也是影響隧道結構沉降的重要參數，本次研究將地鐵8號線盾構隧道與既有6號線地鐵隧道凈間距分別設置為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D，其余參數不變，其中，D為盾構隧道外徑。盾構下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加，最大位移位于盾構隧道對稱面附近。在盾構下穿過程中，當凈間距從0.3D增至0.6D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.7mm，當凈間距從0.6D增至1.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.29mm，當凈間距從1.2D增至1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.38mm，當凈間距從1.8D增至3.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.3mm。當凈間距小于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅明顯，當凈間距大于1.8D時，最大沉降位移增幅減少，變化緩慢。

當凈間距分別為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.71mm、-2.41mm、-2.7mm、-3.08mm、-3.21mm、-3.39mm。盾構隧道下穿距離既有地鐵隧道越近，對既有地鐵隧道的影響越大。

由圖4可知，隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，對既有地鐵隧道結構影響增加，當凈間距小于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移大幅度增加，變化顯著，當凈間距大于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅減少，變化緩慢，因此，盾構隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道，對既有地鐵隧道結構影響越大，當設計盾構隧道下穿既有隧道時，要盡量遠離既有地鐵隧道。

3.3 不同圍巖條件的影響

在本次研究中，現場地質復雜，盾構下穿施工過程中，須考慮不同地質條件對隧道結構沉降的影響。本次研究賦予既有地鐵6號線隧道圍巖不同參數，見表3，保持其余參數不變，盾構下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和相對沉降位移變化如圖5所示，其中，相對沉降位移為最大沉降位移值與邊界沉降位移差值。

由圖5（a）可知，隨著圍巖參數減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，最大位移位于盾構隧道對稱面附近。在盾構下穿過程中，當圍巖參數從工況1減至工況4時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.46mm、-3.15mm、-4.91mm、-7.62mm。當圍巖參數逐漸減少時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移變化幅度增加，增加趨勢明顯。

由圖5（b）可知，隨著圍巖參數減少，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移先逐漸增加再逐漸減少。在盾構下穿過程中，當圍巖參數從工況1減至工況4時，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移分別為-1.06mm、-2.56mm、-2.83mm、-2.3mm。在圍巖參數減至一定程度后，相對沉降位移增至峰值后逐漸減少，在此階段，土體的整體結構被破壞，對既有地鐵隧道將產生不利的影響。

隨著圍巖參數減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，對既有地鐵隧道的影響范圍也逐漸擴大，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少，在圍巖參數減至一定程度后，相對沉降位移增至峰值后再減少，在此階段，既有地鐵隧道除局部產生不均勻沉降外，在一定范圍內土體產生了整體沉降，既有地鐵隧道結構將被破壞。因此，設計盾構隧道下穿既有隧道時，須考慮不同地質條件下，土體的整體沉降對既有地鐵隧道結構的影響。

4 結論

本文采用數值模擬計算，對地鐵盾構下穿既有地鐵隧道的影響因素進行了研究，分析了不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結構的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結構的影響。可得出以下結論。1）隨著覆土厚度增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加，當覆土厚度小于20m時，隧道拱底最大沉降位移增加趨勢平穩，當覆土厚度大于20m時，最大沉降位移增加趨勢明顯，覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結構有明顯影響，新建隧道須下穿既有隧道時，應該選擇既有隧道覆土厚度小的區域作為下穿區域，可減少既有隧道結構的沉降位移。2）隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，當凈間距小于1.8D時，隧道拱底最大沉降位移大幅增加，當凈間距大于1.8D時，最大沉降位移增幅減少。盾構隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道，對既有地鐵隧道結構影響越大，因此設計盾構隧道下穿既有隧道時，盡量遠離既有地鐵隧道。3）隨著圍巖參數減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，而相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少，在相對沉降位移減少階段，既有地鐵隧道除產生局部不均勻沉降外，在一定范圍內土體產生了整體沉降。設計盾構隧道下穿既有隧道時，須考慮不同地質條件下，土體的整體沉降對既有地鐵隧道結構的影響。

參考文獻

[1]施柳盛，程子聰，謝小創.大直徑盾構隧道下穿既有地鐵隧道影響分析及控制[J].建筑施工，2023，45（12）：2386-2388，2392.

[2]王明明，王正慶，翟浪寶，等.上軟下硬地層盾構下穿既有隧道擾動變形研究[J].水利水電快報，2023，27（12）：1-14.

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