盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近隧道的影響分析

丁海濱，駱祎，徐長(zhǎng)節(jié)，3，楊園野，許洋

(1．華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌江西330013;2．杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州浙江310058)

盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近隧道的影響分析

丁海濱1，駱祎2，徐長(zhǎng)節(jié)1，3，楊園野1，許洋1

(1．華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌江西330013;2．杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州浙江310058)

依托上海復(fù)興東路雙線盾構(gòu)越江隧道第160～230環(huán)施工，利用ABAQUS有限元軟件建立雙線隧道的二維彈塑性有限元模型，分析雙線盾構(gòu)隧道不同間距及不同埋深情況下后建隧道施工對(duì)先建隧道襯砌內(nèi)力和隧道直徑變化的影響。結(jié)果表明:隧道埋深一定，后建隧道施工對(duì)先建隧道襯砌彎矩及直徑影響較大，對(duì)襯砌軸力的影響較小;隨著間距的增大，彎矩增長(zhǎng)率、隧道水平向和垂向直徑變化率均逐漸減小;水平間距一定，隨著隧道埋深的增加，先建隧道靠近后建隧道側(cè)襯砌腰部彎矩、襯砌頂部和底部軸力增長(zhǎng)率均有增大的趨勢(shì)，隧道水平向直徑變化率較為平緩，垂向直徑變化率呈先增大后減小的趨勢(shì)。綜合考慮隧道襯砌內(nèi)力、隧道直徑變化情況及經(jīng)濟(jì)因素，建議隧道間距取隧道洞徑的0.7～0.8，隧道埋深取2倍的隧道洞徑。

盾構(gòu)隧道;襯砌內(nèi)力;隧道間距;埋深;數(shù)值模擬

地鐵盾構(gòu)隧道多以雙線為主，合理選擇隧道間距及埋深，不但可以減小隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，而且可以避免經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。目前，后建隧道施工對(duì)先建隧道影響的研究主要有理論法［1-2］、試驗(yàn)法［3-4］及數(shù)值模擬法［5-11］。1966年Fotieva等［1］采用Laplace變換推導(dǎo)出彈性土體中相鄰隧道相互影響時(shí)襯砌軸力及剪力理論計(jì)算公式。1996年Kim等［3］做的2類模型試驗(yàn)，分別模擬了近間距平行隧道和上下重疊隧道，得出平行隧道與上下重疊隧道的相互影響機(jī)理。2004年林志［8］依托上海復(fù)興東路越江隧道工程，采用有限元模擬并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出后建隧道對(duì)先建隧道的影響規(guī)律;王偉等［9］采用Marc軟件建模分析了雙線隧道開挖的合理間距。魏綱等［10］對(duì)雙線水平平行盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降計(jì)算公式的適用范圍進(jìn)行了討論，得出了相對(duì)水平距離系數(shù)。以往研究都集中于埋深不變，先建隧道開挖對(duì)后建隧道的影響。

本文以上海復(fù)興東路雙線盾構(gòu)越江隧道第160～230環(huán)施工為背景，利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)不同間距和埋深情況下后建隧道對(duì)先建隧道的影響進(jìn)行研究，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)值分析的有效性，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

上海復(fù)興東路雙線盾構(gòu)越江隧道第160～230環(huán)長(zhǎng)105 m。該段隧道埋深16.8m，兩隧道凈距7.7m，隧道直徑11 m。隧道采用盾構(gòu)法施工，該區(qū)段隧道位置示意如圖1。

圖1 雙線隧道位置示意(單位:m)

2 有限元計(jì)算與分析

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文利用ABAQUS有限元軟件模擬，探究不同間距及不同埋深情況下后挖隧道對(duì)先挖隧道的影響，模型尺寸為寬160 m，高80 m(見圖2)。土體采用二維實(shí)體單元，本構(gòu)模型為劍橋模型。襯砌采用梁?jiǎn)卧M，為彈性材料。土體兩邊約束其水平位移，底邊約束水平及豎向位移，土體與襯砌之間采用綁定約束，隧道開挖及襯砌施加的過(guò)程利用有限元軟件中生死單元實(shí)現(xiàn)。土體及襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 有限元模型(單位:m)

表1 土層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬過(guò)程及工況

模擬計(jì)算過(guò)程分7步進(jìn)行:地應(yīng)力平衡、先建隧道開挖區(qū)土體剛度折減為原來(lái)的50%、激活先建隧道襯砌單元、移除先建隧道開挖區(qū)土體、后建隧道開挖區(qū)土體剛度折減為原來(lái)的50%、激活后建隧道襯砌單元、移除后建隧道開挖區(qū)土體。

為研究后建隧道對(duì)先建隧道的影響，本文分2種情況進(jìn)行討論:①隧道埋深不變(16.8 m)，分析不同間距情況下后建隧道施工對(duì)先建隧道的影響;②隧道間距不變(7.7 m)，分析不同埋深情況下后建隧道施工對(duì)先建隧道的影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 隧道間距的影響

本文分析了11種不同隧道間距(0.2D(D為隧道洞徑)，0.3D，0.5D，0.6D，0.7D，0.8D，1.0D，1.2D，1.6D，2.0D，2.4D)條件下后建隧道施工時(shí)先建隧道襯砌內(nèi)力和直徑變化情況。隧道觀測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 隧道觀測(cè)點(diǎn)布置

1)襯砌內(nèi)力

不同間距條件下先建隧道彎矩及彎矩增長(zhǎng)率見圖4。由圖4(a)可知:不同間距條件下后建隧道貫通時(shí)，先建隧道襯砌彎矩在靠近后建隧道一側(cè)的腰部(B點(diǎn))變化較大。由圖4(b)可知:在間距為0.2D時(shí)，先建隧道襯砌彎矩在B點(diǎn)增長(zhǎng)率達(dá)到了68%，其他部位彎矩也有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)率均＜20%。隨著間距的增大彎矩增長(zhǎng)率逐漸減小，在間距＞0.7D之后，B點(diǎn)襯砌彎矩增長(zhǎng)率＜35%。

圖4 不同間距條件下先建隧道彎矩及彎矩增長(zhǎng)率

不同間距條件下先建隧道襯砌軸力及軸力增長(zhǎng)率見圖5。由圖5(a)可知，隨著隧道間距的增大，先建隧道襯砌的軸力增長(zhǎng)量較小。由圖5(b)可知:軸力增長(zhǎng)最大的位置為隧道襯砌頂部(A點(diǎn));在間距為0.2D時(shí)A點(diǎn)初砌軸力增長(zhǎng)率12%，隨著間距的增大軸力增長(zhǎng)率逐漸減小，在間距＞2.4D之后，后建隧道施工對(duì)先建隧道襯砌軸力基本無(wú)影響。

2)隧道直徑

圖6為不同間距條件下先建隧道直徑變化率。由圖可知，隨著隧道間距的增大，隧道水平向及垂向直徑變化率均減小。在間距為0.2D時(shí)，隧道水平向及垂向直徑變化率分別為28.6%和23.1%。在隧道間距＞0.7D之后，隧道襯砌水平向及垂向直徑變化率均＜25%。

2.3.2 隧道埋深的影響

1)襯砌內(nèi)力

為探究隧道間距(7.7 m)一定時(shí)，隨著埋深的改變，后建隧道施工對(duì)先建隧道的影響，本文模擬分析了6種不同埋深(0.9D，1.3D，1.7D，2.0D，2.6D，3.6D)下隧道襯砌內(nèi)力及直徑的變化情況。

不同埋深條件下先建隧道彎矩增長(zhǎng)量及彎矩增長(zhǎng)率見圖7。從圖7(a)可以看出，隨著埋深的增加，在靠近后建隧道一側(cè)腰部(B點(diǎn))及150°處彎矩增長(zhǎng)較為明顯。由圖7(b)可知:隨著埋深增加B點(diǎn)彎矩增長(zhǎng)率增大，其他部位的彎矩也有所增加，但增長(zhǎng)率都＜20%，且隨埋深增加，增長(zhǎng)率有減小的趨勢(shì)。

不同埋深條件下先建隧道襯砌軸力增長(zhǎng)量及軸力增長(zhǎng)率見圖8。由圖可知，隨著埋深的增大襯砌頂部(A點(diǎn))和襯砌底部(C點(diǎn))軸力增長(zhǎng)比較明顯，且增長(zhǎng)率有增加趨勢(shì)，而襯砌腰部(B，D點(diǎn))彎矩增長(zhǎng)率則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。除此之外，在隧道襯砌30°和150°處軸力變化較為明顯，施工過(guò)程中應(yīng)予以足夠重視。

2)隧道直徑

不同埋深條件下先建隧道直徑變化率見圖9。由圖可知:隨著隧道埋深的增加隧道水平向直徑變化率比較穩(wěn)定，約為36%;隧道垂向直徑變化率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在埋深為2.0D左右達(dá)到最大值，大約為55%。

圖5 不同間距條件下先建隧道襯砌軸力及軸力增長(zhǎng)率

圖6 不同間距條件下先建隧道直徑變化率

圖7 不同埋深條件下先建隧道彎矩增長(zhǎng)量及彎矩增長(zhǎng)率

圖8 不同埋深條件下先建隧道襯砌軸力增長(zhǎng)量及軸力增長(zhǎng)率

圖9 不同埋深條件下先建隧道直徑變化率

2.3.3 計(jì)算結(jié)果綜合分析

由計(jì)算得出的襯砌內(nèi)力及隧道直徑變化情況，綜合實(shí)際工程中施工安全、經(jīng)濟(jì)等因素，建議隧道間距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

3 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證以上分析的準(zhǔn)確性，對(duì)后建隧道貫通前后先建隧道的彎矩及軸力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)(315°～45°范圍內(nèi)沒(méi)有監(jiān)測(cè))。

先建隧道襯砌彎矩、軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖10。由圖10(a)可知，后建隧道開挖前、貫通后，除隧道底部(180°方向)先建隧道襯砌彎矩計(jì)算曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線不同外，其他部位變化規(guī)律基本一致，且彎矩計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值基本吻合。從圖10(b)可知，襯砌軸力計(jì)算曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線變化規(guī)律基本一致。

本次數(shù)值計(jì)算值與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值變化規(guī)律基本一致。說(shuō)明通過(guò)二維有限元模擬實(shí)際工程，對(duì)隧道水平間距及埋深變化進(jìn)行分析，是合理可行的。

圖10 先建隧道襯砌彎矩、軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)論

1)隧道埋深一定，后建隧道施工對(duì)先建隧道襯砌彎矩及直徑影響較大，對(duì)襯砌軸力的影響較小;先建隧道在靠近后建隧道一側(cè)腰部彎矩增長(zhǎng)最明顯，隨著間距的增大，彎矩增長(zhǎng)率、隧道水平向和垂向直徑變化率均逐漸減小。

2)水平間距一定，隨著隧道埋深的增加，先建隧道在靠近后建隧道一側(cè)襯砌腰部彎矩、襯砌頂部及底部軸力增長(zhǎng)率均有增大的趨勢(shì);隧道水平向直徑變化率較為平緩，垂向直徑變化率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

3)襯砌彎矩及軸力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線與計(jì)算曲線除彎矩在襯砌底部有不同外，其他部位變化規(guī)律基本一致。

4)綜合考慮隧道襯砌內(nèi)力、直徑變化情況及經(jīng)濟(jì)因素，建議隧道間距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

［1］FOTIEVA N N，SHEININ V I．Distribution of Stresses in the Lining of a Circular Tunnel When Driving a Parallel Tunnel［J］．Soil Mechanics＆Foundation Engineering，1966(3): 417-422．

［2］施有志．雙孔平行地鐵隧道開挖的復(fù)變函數(shù)解析解與數(shù)值分析［D］．廈門:華僑大學(xué)，2013．

［3］KIM S H．Model Testing and Analysis of Interactions Between Tunnels in Clay［D］．UK:University of Oxford，1996．

［4］KIM S H，BURD H J，MILLIGAN G W E．Interaction Between Closely Spaced Tunnels in Clay［J］．Physical Review C，1995，52(1):35-42．

［5］林志．雙線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程相互影響三維彈塑性固結(jié)耦合研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2004．

［6］王偉，夏才初，朱合華，等．雙線盾構(gòu)越江隧道合理間距優(yōu)化與分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1):3311-3316．

［7］魏綱，龐思遠(yuǎn)．基于有限元模擬的雙線平行盾構(gòu)隧道近距離界定［J］．市政技術(shù)，2014，32(1):76-80．

［8］舒小剛．淺埋小凈距平行隧道開挖模擬分析［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2014．

［9］林志，朱合華，夏才初．雙線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程相互影響的數(shù)值研究［J］．公路隧道，2009，5(1):1-5．

［10］魏綱，龐思遠(yuǎn)．雙線平行盾構(gòu)隧道施工引起的三維土體變形研究［J］．巖土力學(xué)，2014，35(9):2562-2568．

［11］石堅(jiān)，丁偉，趙寶．隧道開挖過(guò)程的數(shù)值模擬與分析［J］．鐵道建筑，2010(2):21-24．

Analysis on Influence of Shield Tunnel Driving on Adjacent Tunnels

DING Haibin1，LUO Yi2，XU Changjie1，3，YANG Yuanye1，XU Yang1
(1．Jiangxi Province Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Security and Control，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China;2．Hangzhou New Metro-East Construction Investment Co．，Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310021，China; 3．Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China)

Based on 160th to 230th double track river-crossing shield tunnel construction of Fuxing east road in Shanghai，a two-dimensional elastic-plastic finite element model of double track tunnel was established by using the finite element software ABAQUS and the influence of the latter double track shield tunnel construction with different spacing and different buried depth on the lining internal force and tunnel diameter change of the existing tunnel was analyzed．T he results show that the latter tunnel construction has a great impact on the bending moment and the diameter of the existing tunnel lining and has little effect on the axial force of the lining when the buried depth of tunnels is constant．T he bending moment growth rate，the change rate of the horizontal direction diameter and the vertical direction diameter gradually decrease as the spacing increasing，the waist bending moment，the lining top and bottom axial forcing growth rates of existing tunnel side lining near the latter tunnel show an increasing trend with a constant horizontal spacing when the tunnel buried depth increases．T he change rate of the tunnel horizontal direction diameter is relatively slow，and the change rate of vertical direction diameter increases first and then decreases．Considering the internal force of tunnel lining，the change of tunnel diameter and economic factors，it is suggested that the tunnel spacing should be seven tenths to eight tenths of the tunnel diameter and the tunnel buried depth should be two times the tunnel diameter．

Shield tunnel;Lining internal force;T unnel spacing;Buried depth;Numerical simulation

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．12

1003-1995(2016)12-0041-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2016-07-10;

2016-10-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015CB057801)

丁海濱(1991—)，男，碩士研究生。