盾構(gòu)下穿對既有地鐵隧道的影響規(guī)律數(shù)值模擬

肖自衛(wèi) 張盛紅

(1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2.亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室(華南理工大學(xué))，廣東 廣州 510640)

0 引言

隨著中國城市化的快速推進(jìn)，城市人口流入規(guī)模也在不斷擴大。城市地鐵作為一種城市交通的重要手段，得到了快速發(fā)展的同時也出現(xiàn)了許多問題。由于城市地鐵的數(shù)量不斷增加，不可避免地會遇到新建地鐵下穿運營期地鐵線路的情況，由于新建隧道會對既有隧道周圍土體造成擾動，容易使既有隧道產(chǎn)生較大變形，因此得到臨近隧道施工對既有隧道的變形影響規(guī)律具有重大工程意義。

目前，盾構(gòu)隧道下穿施工對既有隧道影響的相關(guān)工程問題已經(jīng)有了一些相關(guān)研究。在數(shù)值分析方面，Liu[1]研究了多種形式開挖情況下上覆隧道的內(nèi)力計算方法；Wang等[2]利用數(shù)值軟件建立三維盾構(gòu)下穿施工模型，得到了潛在影響因素對管線變形的影響。在物理模型試驗研究方面，Marshall[3]利用試驗手段對下穿隧道開挖對既有管線變形特性的影響特性展開探索。同時下穿誘發(fā)的變形也被現(xiàn)場試驗手段展開研究(Liao[4]、金大龍[5])。

上述研究得到的結(jié)論只適用于某一工程或地區(qū),無法推廣到其他工程中?；诖耍疚耐ㄟ^數(shù)值仿真的方法，以某實際下穿隧道工程為背景，研究既有隧道變形特性的影響規(guī)律，研究成果可供類似工程借鑒。

1 工程概況

本文依托工程位于廣州南站附近，原計劃由新建隧道先行施工上跨穿越既有線路，由于工期延誤，新建隧道下行線需兩次下穿已建城際隧道，兩隧道相交角度約24°斜。新建隧道采用直徑為9 139 mm的土壓平衡盾構(gòu)法施工，襯砌外徑8.8 m，內(nèi)徑8.0 m，環(huán)寬為1.8 m；既有隧道襯砌內(nèi)外徑7.7 m 和8.5 m，兩相距28.43 m(軸心距離)，上覆土層厚約為12 m，兩隧道最小凈距5.07 m。具體工程概況如圖1所示。

區(qū)間場地為珠三角平原地貌，按照土層結(jié)構(gòu)及分布情況，大致可分為6層，新建隧道盾構(gòu)穿越的主要地層為全風(fēng)化花崗巖。

2 盾構(gòu)下穿施工模擬

2.1 三維有限元模型

本文采用有限元軟件Midas GTS對依托工程進(jìn)行建模計算，通過前人研究以及建模分析，發(fā)現(xiàn)地下隧道開挖后的應(yīng)力、應(yīng)變，僅在距離隧道中心點3D～5D隧道直徑范圍內(nèi)存在影響[6]。為減少邊界效應(yīng)影響，確定模型整體尺寸為300 m(長)×140 m(寬)×70 m(高)。模型邊界條件為：底面固定Z方向、四周約束法線方向，三維計算模型圖如圖 2所示。本文采用剛度遷移法與生死單元模擬盾構(gòu)開挖卸載釋放地應(yīng)力過程[7]。盾構(gòu)開挖引起的地層損失使用位移收斂法中的圓環(huán)均勻收斂模擬[8]。模型總計138 757個單元。

2.2 模型參數(shù)的選取

假設(shè)所有材料均為各向同性，土體采用三維實體單元模擬，服從Drucker-Prager彈塑性屈服準(zhǔn)則。不考慮盾構(gòu)機的內(nèi)部構(gòu)造，盾殼、管片使用板單元模擬，假定為完全線彈性材料。盾殼的強度參數(shù)與鋼材參數(shù)一致；襯砌，彈性模量E取3.45×104MPa(C50混凝土)，由于其錯縫拼接，彈性模量折減因子為0.85，地下水位為地表以下3 m，具體模型計算參數(shù)如圖 3所示。

2.3 盾構(gòu)開挖仿真

實際工程中盾構(gòu)機掘進(jìn)是一個連續(xù)的過程，有限元模擬可將掘進(jìn)過程分解成若干相互銜接的施工步，通過激活、鈍化的方法來模擬每個施工步內(nèi)盾構(gòu)開挖過程(見圖 4)。整條新建隧道的開挖過程總共由67個施工步組成，每次掘進(jìn)長度為兩個環(huán)距離，約為3.6 m，模擬盾構(gòu)機在實際盾構(gòu)推進(jìn)過程中連續(xù)動態(tài)開挖過程。

2.4 現(xiàn)場測點布置

通過對已建隧道盾構(gòu)下穿施工段現(xiàn)場的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，可以得到新建下行線施工過程中施工場地的土體沉降以及臨近構(gòu)筑物的位移變形大小(見圖 5)。分別在既有隧道以及新建隧道附近設(shè)置兩個監(jiān)測斷面，縱向地表監(jiān)測點兩兩間距為10 m；橫向監(jiān)測點彼此間距為6 m。斷面2的測點布置相對距離與斷面1大致相同。

3 下穿施工的三位有限元數(shù)值模擬分析

盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層損失為實際開挖土體體積與建成的隧道體積(包括注漿體積)之差[8]。本文執(zhí)行位移收斂方法仿真盾構(gòu)施工引起的地層損失[9]。該工程的地層損失率η由斷面1、斷面2的實際地表沉降得到，如圖 6所示，經(jīng)過Peck公式(式1)反算[10]，見式(2)。根據(jù)對斷面1,斷面2的現(xiàn)場監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)反算后，得到該工程的地層損失率約為0.57%，將作為關(guān)鍵參數(shù)輸入數(shù)值模型分析下穿施工影響。

(1)

(2)

其中，x，S(x)，Smax，i和r分別為距離隧道水平距離、沉降、地表最大沉降量、寬度系數(shù)和隧道半徑。

由于廣佛環(huán)形下行線(既有左線)埋深較大，且兩線隧道相距較短，所以盾構(gòu)施工時，左線隧道的變形相較于右線隧道要更大，因此本文主要研究左線隧道的變形沉降規(guī)律。

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 既有隧道沉降

如圖 7為沉降特性曲線，隨著盾構(gòu)開挖的進(jìn)行，既有隧道不同部位處的沉降曲線規(guī)律總體為略微上升—急劇下降—趨于穩(wěn)定。開挖面距離兩隧道交叉點4D時，可以發(fā)現(xiàn)既有隧道的沉降值有所增大，有輕微的隆起的現(xiàn)象； 隨著開挖面向隧道交叉點靠近，左拱腰部位首先開始出現(xiàn)沉降，這是因為既有隧道左拱腰部位最先進(jìn)入盾構(gòu)擾動區(qū)域，且沉降速率隨著盾構(gòu)開挖的進(jìn)行而不斷增大，拱頂、拱底和右拱腰亦有類似規(guī)律。當(dāng)開挖面與交叉點距離為-1D，0D，1D，2D時，既有隧道拱底的累計沉降占比分別為1.1%，42.6%，82.9%，90.4%。此外，在整個盾構(gòu)開挖過程中，拱底和拱頂沉降量最終穩(wěn)定值分別為7.24 mm和5.3 mm。

圖8為既有隧道拱頂、拱底、兩側(cè)拱腰四個典型部位隨盾構(gòu)開挖過程中的水平位移曲線(以盾構(gòu)掘進(jìn)方向為正)。從圖中可以看到，既有隧道各部位的變形方向均與盾構(gòu)掘進(jìn)方向一致，但既有隧道不同部位的水平位移發(fā)展趨勢有所不同，最終水平位移量也互不相同：開挖面距離兩隧道交叉點4D時，既有隧道整體水平位移開始逐漸增大，方向為中部向前；隨著盾構(gòu)推進(jìn)，在(-4D，-1D)區(qū)域時，拱頂及拱底兩處部位水平位移值平穩(wěn)增長，而左右拱腰在開挖面經(jīng)過既有隧道正下方時，水平位移值有所下降，右拱腰處降低的位移值大小要大于左拱腰；在開挖面與兩隧道交叉點重合后，拱腰位移方向又轉(zhuǎn)變?yōu)槌軜?gòu)方向移動；當(dāng)開挖面與交叉點距離大于兩倍隧道直徑(2D)后，隧道水平位移值大小趨于穩(wěn)定?？傮w來說既有隧道在下穿施工過程中水平位移的發(fā)展過程為“向前—稍向后回歸—再向前”。

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，拱頂和拱底的水平位移差異反映出隧道發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。如圖所示，差異值在開挖面經(jīng)過(-4D，-1D)區(qū)間逐漸增加至0.54 mm，在(-1D，0)區(qū)間減少到0.37 mm，經(jīng)過(0,1D)區(qū)間差異值繼續(xù)增加到0.75 mm，隨即差異值再次減少，最后穩(wěn)定在0.3 mm左右。說明既有隧道在盾構(gòu)下穿過程中經(jīng)歷了向前扭轉(zhuǎn)—稍向后扭轉(zhuǎn)—再向前扭轉(zhuǎn)—回轉(zhuǎn)的復(fù)雜過程。

3.1.2 地層應(yīng)力傳播

地層應(yīng)力發(fā)生改變是導(dǎo)致地層變形的主要原因，圖 9a)為既有隧道縱向土壓力分布曲線圖。從圖9中可以看到，既有隧道拱頂土壓力以新建隧道中線為界近似對稱，在中線位置處變化較大?？v向土壓力分布曲線整體呈現(xiàn)出以新建隧道軸線為中心，中間低兩側(cè)高的“V”形，可見施工擾動在地層的傳播和發(fā)展會受到既有隧道的影響。離新建隧道軸線中心線距離越近，夾層土豎向土壓力越小，最小土壓力值出現(xiàn)在新建隧道軸線上方，最大土壓力在水平方向上距新建隧道約1D處，明顯大于相同埋深的原始土壓力。

總的來說，既有隧道下方土體應(yīng)力降低使其隧道受到附加應(yīng)力是引起既有隧道沉降變形的直接原因。新建隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時，新建隧道與既有隧道之間的夾層土受到擾動，向新建隧道內(nèi)塌落，拱頂處的土層塌落后會繼續(xù)向周圍蔓延，由于破壞了原有地層的平衡狀態(tài)，所以在新建隧道左右拱腰上側(cè)會形成松動圈，周圍土體強度下降。當(dāng)夾層土土層條件較好，厚度較大時，松動圈在擴張過程中會形成穩(wěn)定的承載拱，承載拱的存在可以起到約束松動圈土體的作用，限制松動圈面積進(jìn)一步擴大，同時可以類似拱一樣“拖”起隧道上方部分土體，分擔(dān)上部荷載，提高隧道承載力。當(dāng)土層厚度較薄強度較低時，只會出現(xiàn)松動圈而難以形成承載拱。由于缺少承載拱的約束，盾構(gòu)機開挖對周圍土體擾動形成的松動圈會繼續(xù)向既有隧道方向延展，當(dāng)松動圈發(fā)展到一定程度后，最終使既有隧道拱底與土層脫離。

3.1.3 既有隧道縱向應(yīng)力

如圖 10所示，既有隧道交叉截面不同部位的受擾范圍和變化趨勢有很明顯的不同。左右拱腰受擾范圍在開挖面經(jīng)過(-2D，1D)區(qū)段，變動幅度較小；拱底和拱頂受擾范圍在(-1D，1D)區(qū)段，拱頂壓應(yīng)力急劇增加為截面最大壓應(yīng)力，拱底由較小的壓應(yīng)力迅速增長為拉應(yīng)力，而隧道的縱向抗拉強度低，這對既有隧道襯砌的安全十分不利，可能引起襯砌拉裂，影響隧道正常使用，需在施工時重點監(jiān)測下穿段縱向應(yīng)力變化。

3.2 下穿工程參數(shù)敏感性分析

為掌握盾構(gòu)隧道下穿施工對既有隧道的影響規(guī)律，使用有限元軟件MIDAS模擬不同工況盾構(gòu)下穿施工過程，探究地層彈性模量、覆土厚度、隧道凈距、隧道下穿角度以及地層損失率等因素對既有隧道變形沉降的影響。

通過合理簡化模型，可以保證計算準(zhǔn)確的同時提高計算效率，有限元計算模型不考慮土體的不均勻性，采用單一均質(zhì)地層，服從Drucker-Prager彈塑性屈服準(zhǔn)則。地層參數(shù)基于珠三角地區(qū)常見的地層參數(shù)取值(γ=19 kN/m3，E=40 MPa，v=0.3，c=26 kPa,φ=23°)，對應(yīng)位置關(guān)系為(C=12 m，P=4 m，θ=45°，D=6 m，地層損失率為1%)。

3.2.1 彈性模量E的影響分析

通過改變地層的彈性模量，得到不同地層彈性模量下的既有隧道沉降值，計算結(jié)果如圖11 a)所示。從圖中可以看到，隨著圍巖彈性模量降低，既有隧道最大沉降值及隧道周圍土體擾動范圍均會明顯增加。當(dāng)圍巖彈性模量較小時變形相對較小。

如圖11 b)所示，以彈性模量40 MPa為分界點，當(dāng)彈性模量小于40 MPa時，沉降最大值隨彈性模量變化幅度較大；而大于40 MPa時規(guī)律則相反。

總體而言，隧道的沉降峰值隨著圍巖的彈性模量的增大而減小，圍巖彈性模量對既有隧道的變形影響較大。

3.2.2 覆土厚度C的影響分析

改變覆土厚度后，可以看到既有隧道的沉降曲線均有差異(見圖12)，可見覆土厚度對既有隧道的整體沉降影響較大。隨著覆土厚度的增加，既有隧道的沉降值也在不斷擴大。這是因為隧道埋深增大后，新建隧道周圍地層土壓力也相應(yīng)增大，盾構(gòu)施工后地層應(yīng)力重分布作用更明顯。

3.2.3 新舊隧道凈距P的影響分析

當(dāng)新舊隧道凈距大于1D時，隨著兩線隧道凈距的增大，沉降槽的形狀也逐漸改變。隨著既有隧道周圍土體擾動區(qū)域的逐漸增大，沉降槽寬度相應(yīng)增加，整體形狀由窄變寬，從 “漏斗狀”變成 “盆狀”(見圖 13)。

既有隧道最大沉降值隨兩線隧道凈距的降低而逐漸增大，當(dāng)兩線隧道之間的夾層土厚度小于1D時，新舊隧道凈距對沉降峰值影響很大；當(dāng)夾層土厚度大于1D后，對既有隧道沉降影響減小。因此，為了減小既有隧道的沉降峰值，降低施工風(fēng)險，在設(shè)計下穿隧道線路時應(yīng)保證新舊隧道之間留有一定的凈距。

3.2.4 下穿角度θ的影響分析

下穿角度對既有隧道沉降峰值影響見圖14。交叉角度每隔15°從30°增至75°的過程中，既有隧道沉降分別減少了19.4%，11.0%，7%；從75°增至90°時，既有隧道沉降趨于穩(wěn)定，基本無變化。因此，在設(shè)計階段適當(dāng)增大隧道下穿角度可以降低既有隧道的沉降峰值。

3.2.5 新建隧道直徑D的影響分析

從圖15可以看出，既有隧道沉降峰值隨盾構(gòu)直徑增加而不斷增大，且增長非常迅速。盾構(gòu)直徑對既有隧道變形有較大影響有兩個原因：一方面是因為增大隧道直徑后，在相同覆土厚度且新舊隧道凈距保持不變時，隧道的埋深也相對增加，此時隧道周圍土壓力也隨之增大，盾構(gòu)掘進(jìn)擾動原有土層后，土體再次恢復(fù)平衡狀態(tài)所需時間更長；另一方面，假設(shè)工程所處區(qū)域地層損失率保持不變，由于隧道直徑增大，實際開挖土體體積與建成的隧道體積之差會成倍增長。因此在進(jìn)行大直徑隧道施工時，如果要增大隧道直徑，必須控制好地層損失體積量，減小隧道沉降值。

3.2.6 地層損失的影響

如圖16所示，既有隧道沉降最大值與地層損失率近似呈正相關(guān)。平均地層損失率每增加0.25%，既有隧道沉降峰值約增加0.42 mm。

3.2.7 參數(shù)敏感性分析

盾構(gòu)隧道的直徑變化對既有隧道沉降峰值影響最大，其他因素(地層彈性模量、覆土厚度、下穿角度、地層損失率)對既有隧道沉降的影響相當(dāng)(見圖17)。因此既有隧道的變形控制可對土體進(jìn)行注漿加固處理，增加隧道周圍的土體的強度。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值仿真對盾構(gòu)下穿既有隧道的變形特性展開系統(tǒng)研究，主要得到了以下結(jié)論：

1)既有隧道變形是新建隧道施工后隧道上半周土體形成松動圈，土壓力降低所致。

2)當(dāng)盾構(gòu)開挖面經(jīng)過交叉點前后各1D區(qū)間時，下穿施工對既有隧道的影響最大。既有隧道在該區(qū)間的沉降接近整個既有隧道總沉降的80%。既有隧道遠(yuǎn)離擾動區(qū)域后，最大沉降出現(xiàn)在兩隧道平面交叉位置襯砌拱底處，為7.24 mm。

3)盾構(gòu)隧道的直徑變化對既有隧道沉降峰值影響最大，其次是地層彈性模量，其他影響因素(覆土厚度、新建隧道下穿角度、地層損失率)對既有隧道變形特性的影響程度相當(dāng)。綜上所述，實際工程中要控制既有隧道的變形量可對土體進(jìn)行注漿加固處理，增加隧道周圍的土體強度。