盾構(gòu)近距離上跨施工對(duì)既有線隧道的變形影響

昝子卉廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510000

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盾構(gòu)近距離上跨施工對(duì)既有線隧道的變形影響

昝子卉
廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510000

摘要：針對(duì)盾構(gòu)近距離上跨施工對(duì)既有線的影響預(yù)測(cè)問(wèn)題，采取有限元數(shù)值計(jì)算方法，以某地鐵盾構(gòu)隧道小間距上跨既有線隧道施工為例，通過(guò)Midas-GTS有限元軟件建三維模型，對(duì)既有線的豎向和水平變形進(jìn)行分析研究.將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與施工自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算分析的合理性.結(jié)果顯示盾構(gòu)上跨施工導(dǎo)致既有線發(fā)生上浮，且盾構(gòu)施工對(duì)水平向的變形影響遠(yuǎn)小于豎向，受影響范圍主要在盾構(gòu)與既有線交叉點(diǎn)兩側(cè)各1倍洞徑范圍內(nèi).該研究為類(lèi)似工程采取針對(duì)性措施提供了參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：既有隧道；數(shù)值計(jì)算；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；變形

1　引　言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，因受城市規(guī)劃、地質(zhì)水文等各種復(fù)雜條件的限制，新建地鐵隧道不可避免會(huì)出現(xiàn)以較小間距穿越既有運(yùn)營(yíng)線的情況.這種工況下出于運(yùn)營(yíng)安全要求對(duì)既有線變形指標(biāo)控制非常嚴(yán)格，以《深圳市軌道交通安全保護(hù)區(qū)域施工管理辦法》的規(guī)定為例，要求控制隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量及水平位移量≤10 mm，隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，隧道的相對(duì)變曲≤1/2 500，如何有效控制新建隧道對(duì)既有線的影響成為建設(shè)各方重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題.盾構(gòu)法能很好地控制地層變形，在對(duì)地層變形控制嚴(yán)格的上跨（下穿）既有線的情況下往往成為首選.

仇文革［1］在論文中，對(duì)地下工程近接施工的近接度、分區(qū)指標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行了研究，給出了解決適用的方法，有數(shù)值模型分析法、仿真模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)驗(yàn)證等；瞿婧晶［2］以南京明園地下過(guò)街通道近距離穿越南京地鐵二號(hào)線項(xiàng)目為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)盾構(gòu)近距離上穿越對(duì)已建隧道的影響進(jìn)行研究，得出了交疊隧道盾構(gòu)施工影響規(guī)律；LOK W［3］在處理新加坡交通線路巖體為回填土的四洞并行隧道時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果，對(duì)巖體的位移、襯砌的內(nèi)力進(jìn)行了深入分析，新建隧道開(kāi)挖期間的受力圖和既有隧道的沉降圖.

目前國(guó)內(nèi)對(duì)隧道下穿既有線的研究較多，但對(duì)以小間距甚至極小間距上跨既有線的工程尚不太多［4-8］，因此很有必要對(duì)其理論和實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)研究.本文以深圳地鐵9號(hào)線紅大區(qū)間以小間距上跨已運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線礦山法隧道為例，采用數(shù)值模擬分析方法，對(duì)盾構(gòu)施工的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬.研究盾構(gòu)施工對(duì)上跨的既有地鐵隧道的影響，并與施工中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的結(jié)果對(duì)比，總結(jié)上跨既有線的變形規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)，以期為類(lèi)似工程提供一定的借鑒.

2　上跨施工對(duì)既有隧道變形影響理論分析

新建的上跨隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響主要是通過(guò)擾動(dòng)其周邊的巖土，使得圍巖壓力發(fā)生變化，進(jìn)而影響既有隧道的受力狀態(tài).兩隧道的作用形態(tài)與隧道的相互位置關(guān)系、開(kāi)挖方式、地質(zhì)和水文都密切相關(guān).隨著開(kāi)挖面不斷向前推進(jìn)，其隧道襯砌支護(hù)力也在不斷下降，隧道變形隨之而來(lái).如兩個(gè)隧道距離很近，一旦他們各自的應(yīng)力變化較大區(qū)域出現(xiàn)交疊形成一體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的松弛范圍［9］.導(dǎo)致兩隧道的夾層土處于不穩(wěn)定狀態(tài)，兩隧道的襯砌應(yīng)力也會(huì)發(fā)生很大變化.鄰近新建隧道開(kāi)挖使得夾層土體受到擾動(dòng)，地層的擾動(dòng)傳播到既有隧道，支護(hù)結(jié)構(gòu)與夾層土體之間產(chǎn)生力的作用. a.上跨隧道開(kāi)挖前，既有隧道受到上部土體荷載［受力示意圖見(jiàn)圖1（a）］.上跨隧道開(kāi)挖后，卸載了上部土體，產(chǎn)生卸載土彈簧反力f1，使得既有隧道發(fā)生上?。凼芰κ疽鈭D見(jiàn)圖1（b）］，b.開(kāi)挖范圍內(nèi)原有的土體荷載轉(zhuǎn)移到開(kāi)挖兩側(cè)，相當(dāng)于既有隧道的兩側(cè)施加壓力，導(dǎo)致既有隧道兩側(cè)支撐反力加大q1，使得開(kāi)挖區(qū)產(chǎn)生土彈簧反力f2，使得既有隧道結(jié)構(gòu)上?。凼芰κ疽鈭D見(jiàn)圖1（b）］.由于上述兩種原因疊加下，下部隧道可能發(fā)生局部上浮，導(dǎo)致不均勻沉降，還可能發(fā)生整體彎曲［10］

圖1　施工前后既有隧道受力示意圖（a）施工前既有隧道受力示意圖；（b）上跨隧道施工后既有隧道受力示意圖Fig. 1　Schematic diagrams of existing tunnel force before and after construction. （a）Diagram of existing tunnel force before comstruction；（b）Diagram of existing tunnel force after construction

3　工程概況

深圳地鐵9號(hào)線紅嶺站～大劇院站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)從大劇院站始發(fā)，在深南中路路口上跨既有地鐵1號(hào)線科大區(qū)間、地鐵2號(hào)線燕大區(qū)間，沿紅嶺中路北行，最后到達(dá)紅嶺站吊出.區(qū)間隧道與1號(hào)線平、剖位置關(guān)系見(jiàn)圖2、圖3，本區(qū)間隧道主要位于中粗砂、硬塑狀礫質(zhì)粘性土層，1號(hào)線科大區(qū)間為礦山法隧道底部位于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，9號(hào)線與1號(hào)線之間夾土地層為可塑狀礫質(zhì)粘性土，凈間距最小為0.7～1.0 m.由于地鐵9號(hào)線盾構(gòu)隧道與地鐵2號(hào)線燕大區(qū)間凈距12 m大于1.5倍盾構(gòu)直徑，其相互影響較?。?1］本文重點(diǎn)研究9號(hào)線紅大區(qū)間以小間距上跨1號(hào)線的影響規(guī)律.

地層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2　區(qū)間隧道平面位置關(guān)系Fig. 2　Relation of planimetric position of section tunnel

圖3　區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系Fig. 3　Relation of profile position of section tunnel

表1　地層物理力學(xué)參數(shù)Tab. 1 Physical and mechanical parameters of strata

4　盾構(gòu)上跨既有隧道數(shù)值模擬計(jì)算和分析

4.1模型建立和參數(shù)選取

采用巖土隧道結(jié)構(gòu)有限元軟件Midas-GTS建立數(shù)值模型，重點(diǎn)分析盾構(gòu)施工各個(gè)步驟對(duì)既有地鐵隧道的影響，根據(jù)1號(hào)線與9號(hào)線的相對(duì)位置，為避免邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響，取模型長(zhǎng)60 m，寬45 m，高30 m，計(jì)算模型界面上的邊界條件（除地表）分別約束該方向上的平動(dòng)自由度，計(jì)算模型如圖4所示.

圖4　數(shù)值計(jì)算模型Fig. 4 Numerical simulation model

模型基本假定：采用三維實(shí)體Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)包括格柵鋼架與噴射混凝土，按彈性模量等效的原則折算成具有一定彈性模量的梁?jiǎn)卧?2］，模型中，初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧獜椥阅Ｐ?為了形象的反應(yīng)施工的過(guò)程，在分析中，擬定開(kāi)挖時(shí)荷載釋放50%，加載管片時(shí)荷載釋放50%.

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則是否較準(zhǔn)確的模擬巖土的力學(xué)行為和變形，直接決定了數(shù)值模擬的精度. Mohr - Coulomb模型作為一種傳統(tǒng)的固體材料彈塑性的本構(gòu)模型可以反映在土體開(kāi)挖中施工的應(yīng)力路徑，一些室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該破壞準(zhǔn)則與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果非常接近，其反應(yīng)的巖土材料的剪切破壞特性也與材料的實(shí)際破壞情況較為符合［13］.本文采用線彈性模型模擬土體彈性變形階段，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬土體塑性變形，利用Midas-GTS有限元軟件研究地鐵9號(hào)線上跨既有1號(hào)線的盾構(gòu)施工過(guò)程是合適的.

施工步驟定義如下：首先進(jìn)行初始地基應(yīng)力分析；而后修建1號(hào)線礦山法隧道；再開(kāi)挖9號(hào)線左線盾構(gòu)隧道（每次向前推進(jìn)1.5 m—1環(huán)管片）；再后修建9號(hào)線右線盾構(gòu)隧道（每次向前推進(jìn)1.5 m—1環(huán)管片）.

下面選取如下6個(gè)典型步驟分析9號(hào)線盾構(gòu)隧道上穿1號(hào)線礦山法隧道時(shí)對(duì)礦山法隧道產(chǎn)生的影響.

步驟一：9號(hào)線左線盾構(gòu)隧道推至1號(hào)線礦山法隧道右線正上方時(shí)；

步驟二：9號(hào)線左線盾構(gòu)隧道推至1號(hào)線礦山法隧道左線正上方時(shí)；

步驟三：9號(hào)線左線盾構(gòu)隧道推至模型邊界；

步驟四：9號(hào)線右線盾構(gòu)隧道推至1號(hào)線礦山法隧道右線正上方時(shí)；

步驟五：9號(hào)線右線盾構(gòu)隧道推至1號(hào)線礦山法隧道左線正上方時(shí)；

步驟六：9號(hào)線右線盾構(gòu)隧道推至模型邊界. 4.2計(jì)算分析與結(jié)果

下部的1號(hào)線既有隧道主要承受上覆地層重量及地面荷載產(chǎn)生的豎向壓力，及開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)對(duì)地層產(chǎn)生的壓力.隨著上部的9號(hào)線盾構(gòu)推進(jìn)，在上下隧道交叉點(diǎn)位置下部的1號(hào)線隧道出現(xiàn)向上的隆起，遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的兩側(cè)1號(hào)線隧道出現(xiàn)向下的沉降.限于篇幅，本文僅給出典型步驟一，步驟三、步驟四、步驟六的數(shù)值分析結(jié)果，以體現(xiàn)盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)下部隧道的影響.

圖5　數(shù)值計(jì)算結(jié)果（隧道變形）Fig. 5 Numerical simulation results（tunnel deformation）

數(shù)值計(jì)算分析1號(hào)線變形云圖結(jié)果見(jiàn)圖5.4.2.1盾構(gòu)施工對(duì)既有線豎向變形的影響為研究盾構(gòu)對(duì)先后上跨的1號(hào)線左、右線的豎向變形影響，將盾構(gòu)與1號(hào)線右、左線交叉點(diǎn)拱頂豎向位移對(duì)比見(jiàn)圖6.

圖6　數(shù)值計(jì)算結(jié)果（豎向）Fig. 6 Numerical simulation results（vertical）

從圖6對(duì)比可以看出隨著上跨9號(hào)線盾構(gòu)的掘進(jìn)，既有隧道整體呈上浮趨勢(shì)（正值代表上浮）.當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)至1號(hào)線右線上方時(shí)，既有的1號(hào)線右線開(kāi)始上浮，盾構(gòu)推至1號(hào)線左線外輪廓后1號(hào)線右線上浮基本穩(wěn)定，當(dāng)9號(hào)線雙線通過(guò)后，1號(hào)線右線上浮達(dá)到峰值1.032 mm；當(dāng)9號(hào)線右線盾構(gòu)盾構(gòu)穿越1號(hào)線上方時(shí)，1號(hào)線右、左線的變形影響變化規(guī)律一致，但是可以看出1號(hào)線右線拱頂豎向變形大于左線豎向變形，盾構(gòu)施工對(duì)1號(hào)線右線的影響大于對(duì)1號(hào)線左線的影響，即豎向上盾構(gòu)對(duì)先穿越的隧道的影響大于后穿越的隧道的影響.

4.2.2盾構(gòu)施工對(duì)既有線水平變形的影響為研究盾構(gòu)對(duì)先后上跨的兩個(gè)隧道的水平變形影響，將1號(hào)線右、左線水平位移對(duì)比見(jiàn)圖7.

圖7　數(shù)值計(jì)算結(jié)果（水平）Fig. 7 Numerical simulation results（horizontal）

新建地鐵9號(hào)線盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中不僅對(duì)既有1號(hào)線隧道產(chǎn)生豎向的影響，也會(huì)產(chǎn)生水平向的影響，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果表明：整體上既有1號(hào)線產(chǎn)生沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向的水平變形（峰值為0.94 mm），隨著盾構(gòu)推進(jìn)既有1號(hào)線隧道偏移量累積增加.當(dāng)9號(hào)線盾構(gòu)脫離影響范圍后，1號(hào)線水平位移有所回調(diào)，從圖7可以看出，盾構(gòu)施工對(duì)1號(hào)線左、右線的影響變形規(guī)律大致一致，但是對(duì)左線的影響大于右線，即水平方向上盾構(gòu)對(duì)先穿越的隧道的影響小于后穿越的隧道的影響.

5　自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比與分析

施工監(jiān)測(cè)作為盾構(gòu)施工過(guò)程中的重要一環(huán)，它既是隧道施工安全的保證，又是對(duì)盾構(gòu)參數(shù)及洞內(nèi)注漿進(jìn)行調(diào)整的重要依據(jù)，而且積累完整準(zhǔn)確的地下工程開(kāi)挖與支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)很有價(jià)值.本工程為確保上部盾構(gòu)施工隧道和下部既有線運(yùn)營(yíng)安全，考慮到1號(hào)線運(yùn)營(yíng)要求采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方案，利用夜間非運(yùn)營(yíng)時(shí)段在1號(hào)線洞內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖見(jiàn)圖8.下面結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)既有線變形規(guī)律進(jìn)行分析對(duì)比.

圖8　自動(dòng)化監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 8　Photo of automatic monitoring sites

1號(hào)線與9號(hào)點(diǎn)盾構(gòu)四個(gè)交叉點(diǎn)拱頂位置（6727/7545/6643/6625測(cè)點(diǎn)）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的時(shí)程曲線如圖9.

圖9　自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 9 Automatic monitoring results（a）Monitoring curve of intersection point between L9 left line and L1 right line；（b）Monitoring curve of intersection point between L9 left Line and L1 left line

從自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，最大豎向位移（隆起）發(fā)生在先穿越的1號(hào)線右線拱頂位置（6727測(cè)點(diǎn)和6745測(cè)點(diǎn)）最大位移分別為2.9 mm和2.1 mm，而對(duì)于后穿越的1號(hào)線左線的拱頂（6643測(cè)點(diǎn)和6625測(cè)點(diǎn)）最大位移僅為0.1 m和0.12 mm；從上述分析可以看出盾構(gòu)施工對(duì)先上跨的1號(hào)線右線的影響明顯大于對(duì)后通過(guò)的1號(hào)線左線的影響，這一結(jié)論與數(shù)值模擬結(jié)論相符.

為反映數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，下面將盾構(gòu)與既有線右線兩個(gè)交叉點(diǎn)拱頂6745和6727測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10.

圖10　自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比（a）測(cè)點(diǎn)6745；（b）測(cè)點(diǎn)6727Fig. 10 Comparison between automatic monitoring and numerical calculation（a）Monitor NO.6745；（b）Monitor NO.6727

從圖10對(duì)比可以看出：盾構(gòu)與既有線的交叉點(diǎn)拱頂豎向變形的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)論基本上符合既有線的實(shí)際變形情況，兩者反映的變化規(guī)律一致.由于理論模擬時(shí)簡(jiǎn)化了實(shí)際的施工過(guò)程，導(dǎo)致結(jié)果上有一定的偏差；施工中的操作不同也可能導(dǎo)致既有線偏移的突然改變.但可以得出結(jié)論：數(shù)值模擬的結(jié)果與既有線實(shí)際偏移的基本趨勢(shì)是相符的；實(shí)際偏移幅度與數(shù)值模擬的結(jié)果偏差在工程可接受的范圍內(nèi).

6　結(jié)　語(yǔ)

該區(qū)間已經(jīng)于2014年底順利洞通，穿越過(guò)程中下部1號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)未受到影響，1號(hào)線隧道的變形控制在較小的范圍內(nèi)，該工程實(shí)踐證實(shí)盾構(gòu)以小間距上跨既有線施工的可行性，結(jié)合該工程實(shí)踐可以總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)：

1）隨上部盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，豎向上：既有線拱頂由沉降逐漸產(chǎn)生向上隆起變形，隆起值最大位置位于上下隧道交叉點(diǎn)，盾構(gòu)對(duì)先穿越的既有隧道影響大于后穿越的隧道；水平向上：既有隧道整體產(chǎn)生沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向的水平位移，盾構(gòu)通過(guò)影響區(qū)后水平變形穩(wěn)定，盾構(gòu)對(duì)先穿越的既有隧道影響小于后穿越的隧道；盾構(gòu)施工對(duì)既有線水平方向的變形明顯小于豎向變形影響.盾構(gòu)參數(shù)及措施選取得當(dāng)?shù)那闆r下可以控制下部既有隧道的最大位移變化值均滿(mǎn)足要求≤20 mm.

2）自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果變形規(guī)律一致，且均在一個(gè)數(shù)量級(jí)誤差在工程可以承受的范圍之內(nèi).證明數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)工程實(shí)施是可靠的.

3）盾構(gòu)穿越對(duì)既有線的影響范圍主要在盾構(gòu)與既有線交叉點(diǎn)兩側(cè)各1倍洞徑范圍內(nèi)，在范圍外盾既有線的受到盾構(gòu)施工影響較小.

4）本工程案例對(duì)盾構(gòu)以90°正穿既有線，且地層相對(duì)較穩(wěn)定，本文總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程情況參考，對(duì)于上跨隧道以大角度跨斜穿既有隧道及地層軟硬變化較大時(shí)適用性尚有待驗(yàn)證.

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本文編輯：龔曉寧

Influence of Up?Crossing Shield Tunnel Construction on Deformation of Adjacent Existing Tunnels

ZAN Zihui
Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510000，China

Abstract：For predicting the influence of existing tunnel caused by up?crossing construction，taking a shield tunnel up?crossing construction as a case，we established the 3D model by using Midas?GTS software to study the vertical and horizontal deformation. The rationality of the numerical analysis was proved by comparing the simulation and the automatic monitoring results during construction. The results show that the shield construc?tion uplifts the existing tunnel and the horizontal deformation is far less than the vertical. The influenced area is in the range of one tunnel diameters from each side of the cross points of the shield and existing tunnel，which provides a reference for similar projects.

Keywords：existing tunnel；numerical method；automatic monitoring；deformation

作者簡(jiǎn)介：昝子卉，碩士，工程師. E-mail：290324307@qq.com

收稿日期：2015-11-17

文章編號(hào)：1674 - 2869（2016）01 - 0061 - 07

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 011