盾構(gòu)上穿既有隧道影響及加固分析

阮承志，石海斌，于萬友，黃大維

（1.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對隧道穿越與施工影響方面已經(jīng)做了一系列研究。 楊芝璐等[1]，何川等[2]，王超東等[3]研究了不同疊交角度下新建隧道對既有隧道的影響規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)載荷一定的情況下疊交角度越小，既有隧道變形越大；張軒等[4]，Xia 等[5]利用數(shù)值仿真軟件分析了隧道施工對沿線構(gòu)筑物的影響；張斌等[6]通過對地層損失率的研究，對大直徑盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的應(yīng)力釋放與地表位移進行了分析研究；孫廉威[7]通過改變模型參數(shù)研究了不同工況既有地下管線存在下的開挖面失穩(wěn)機制。 張岳強[8]，董禮[9]，Aygar 等[10]，Liang 等[11]對盾構(gòu)機穿越隧道與構(gòu)筑物時產(chǎn)生的風(fēng)險進行分析， 并提出相應(yīng)的解決辦法。潘濤[12]對盾構(gòu)近距離上穿運營隧道的變形規(guī)律進行探索，綜合考慮既有隧道的縱向與水平變形，提出了最佳的盾構(gòu)掘進速度。 王超東等[13]采用室內(nèi)模型實驗?zāi)M了新建隧道斜交既有隧道的工況，研究了施工對既有隧道自身結(jié)構(gòu)及周圍土體的影響。 李小奇等[14]，吳凡[15]基于不同工況提出了下穿施工時不同上部構(gòu)筑物的加固方案，并對其加固效果進行了分析。

由于既有隧道埋設(shè)深度的限制， 為了保證與既有隧道之間的安全距離， 新建隧道下穿既有隧道工況較多， 這也就導(dǎo)致目前的研究具有一定的局限性， 大部分研究針對的是新建隧道下穿的工況，而隧道上穿的工況研究的較少。 為此本文依托某城市某地鐵停車場出入線盾構(gòu)隧道上穿既有盾構(gòu)隧道工程，考慮盾構(gòu)機的超載作用，研究新建隧道上穿施工對既有隧道管片變形的影響， 并對不同穿越角度下既有隧道的變形進行分析。 同時結(jié)合模擬加固的分析情況， 對現(xiàn)場施工提出了相應(yīng)的加固措施。

1 工程概況

1.1 穿越段位置關(guān)系

某城市某地鐵停車場出入線新建隧道采用明挖法與盾構(gòu)法相結(jié)合的方式進行施工。 先進行明挖段施工，在明挖施工完成后，接明挖段終點進行盾構(gòu)施工。 盾構(gòu)施工段左線隧道穿越既有隧道起點為管片L54 環(huán)； 右線隧道穿越既有隧道起點為管片R80 環(huán)。 出入線既有隧道為斜交狀態(tài)，左右線起點處與既有隧道夾角約為18°， 其終點處與既有隧道夾角約為33°，見圖1。

圖1 新建隧道與既有隧道平面關(guān)系Fig.1 Plane relationship between new tunnel and existing tunnel

整個盾構(gòu)區(qū)間采用φ6 280 mm 土壓平衡式盾構(gòu)機進行施工，管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，每環(huán)管片幅寬為1.2 m。 為避免雙線同時施工對下部既有隧道的影響產(chǎn)生疊加，盡量減小上部隧道施工對下部隧道造成的影響，采用雙線分離的施工方法。 左線從L54 環(huán)先行施工，推進至L94 環(huán)后，右線從R80 環(huán)開始施工。

1.2 穿越地層環(huán)境

盾構(gòu)區(qū)間所處地區(qū)為典型砂性土地層， 地形相對平坦，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定。 區(qū)域土層種類較多，大致表現(xiàn)為上軟下硬。 經(jīng)過現(xiàn)場勘測，將土層依次劃分為雜填土、粉質(zhì)粘土、細砂、礫砂、泥質(zhì)粉砂巖，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。 工程穿越段地層條件較為復(fù)雜，穿越土層較多，穿越段土層分布及隧道剖面位置關(guān)系如圖2 所示。 從圖中可以看出， 新建盾構(gòu)隧道位于細砂層及礫砂層之間，既有盾構(gòu)隧道整體位于礫砂地層中。 新建隧道左右線間距為9.29 m，隧道豎向埋深8.5 m。 新舊隧道之間距離較近， 與下部既有正線隧道最小豎向凈距2.8 m。

圖2 新建隧道與既有隧道地層關(guān)系圖（單位：m）Fig.2 Stratum relation diagram of tunnel（Unit：m）

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

2 盾構(gòu)穿越數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)新建隧道與既有隧道間的空間位置關(guān)系，采用有限元軟件對穿越段施工過程進行模擬，研究盾構(gòu)機上部開挖過程中不同相對位置的下部既有盾構(gòu)隧道管片的變形情況。 如圖3（a）所示，所建立的模型長、寬、高分別為142，110，36 m。為了確保模型計算的準(zhǔn)確性，土層設(shè)置參數(shù)均采用現(xiàn)場實測的土體參數(shù)， 各層土體的具體參數(shù)及設(shè)置厚度如表1及圖1 所示。 模型頂部設(shè)置為自由邊界，對模型四周施加法向約束，對模型底部則同時施加法向及切向約束。 為了能夠合理地反映地層變化的趨勢，消除常用的摩爾庫倫本構(gòu)卸載回彈導(dǎo)致地面隆起變形偏大的問題，采用修正摩爾庫倫本構(gòu)[16]進行土體的模擬。

選取與既有隧道疊交并對既有隧道影響較大的環(huán)數(shù)建立對應(yīng)的開挖模型，并模擬盾構(gòu)機開挖過程，如圖3（b）所示。 模擬對應(yīng)的實際環(huán)號為：左線L54～L109 環(huán)，右線R80～R135 環(huán)。 現(xiàn)場施工時為避免雙線同時施工對下部既有隧道造成影響過大，采用左線先行施工的雙線分離施工模式。 因此，模擬工況采用相同的施工方式， 左線施工40 環(huán)后右線再進行施工。 實際工程中新建隧道對既有隧道左線與右線均有影響，為簡化計算，僅選取與新建隧道疊交的既有隧道左線為研究對象，同時不考慮地下水滲流的影響。

根據(jù)模型內(nèi)各部分的材料性質(zhì)，模型內(nèi)的土體及注漿層均采用實體單元進行模擬，盾構(gòu)隧道管片及盾殼等采用板單元進行模擬。 考慮到管片環(huán)的連接接縫對管片結(jié)構(gòu)的影響， 將橫向管片剛度進行0.85 倍的剛度折減進行計算[17-18]。 不考慮盾構(gòu)刀盤的切削作用， 采用板單元建立盾構(gòu)機刀盤模型，模擬其對土體的支護作用。 建立盾殼長度為7.2 m，盾構(gòu)隧道每次開挖1 環(huán)管片，即每次開挖長度為1.2 m。通過在盾殼單元鈍化的同時設(shè)置對應(yīng)的管片單元，模擬管片脫出盾尾的過程。 在管片脫出盾尾的同時在管片外部的土體施加注漿壓力，并賦予其漿液屬性，模擬同步注漿對土層的影響。 在既有隧道段上選取與新建隧道不同位置關(guān)系的3 環(huán)管片作為研究對象， 選取進行研究的既有隧道斷面如圖3（b）所示，分別為位于新建隧道左線正下方的135 環(huán)，位于左右兩線之間的153 環(huán)以及位于右線正下方的162 環(huán)。 通過選取3 個典型斷面，對既有隧道不同區(qū)域內(nèi)的管片在不同施工階段的變形進行模擬研究。 由于設(shè)置施工階段較多，為簡化計算，選取接近3 個斷面的100 環(huán)施工過程進行數(shù)據(jù)采集，即圖3（b）中利用綠色填充的L54～L109 環(huán)以及R80～R135 環(huán)。

圖3 盾構(gòu)穿越有限元模型圖Fig.3 Finite element model of shield tunneling

2.2 模擬結(jié)果及分析

為研究上部隧道穿越施工對下部隧道不同區(qū)域的影響，選取既有隧道中3 個典型斷面的豎向變形值進行分析。 對每環(huán)施工后3 個斷面的豎向變形值進行統(tǒng)計，可以得到不同施工環(huán)節(jié)不同位置的既有隧道的豎向變形曲線。

2.2.1 左線穿越影響

新建隧道左線盾構(gòu)機先行施工，選擇的模擬斷面中左線的模擬環(huán)數(shù)為L54～L109， 其中L54～L109環(huán)僅為左線施工， 既有隧道僅受左線施工的影響，此時既有隧道的3 個監(jiān)測斷面產(chǎn)生的豎向變形如圖4 所示。 圖4 顯示初始階段盾構(gòu)機開挖面位于新建隧道L54 環(huán)，此時上部施工距離既有隧道135 環(huán)較近，因此除135 環(huán)豎向變形值較大，為1.5 mm 以外，距離施工面距離較遠的153 環(huán)及162 環(huán)豎向變形值基本為0。盾構(gòu)機繼續(xù)沿著左線推進，上部施工對下方土體及既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，在上部荷載的作用下既有隧道產(chǎn)生向下的豎向變形。 隨著開挖面逐漸接近既有隧道135 環(huán)，當(dāng)盾構(gòu)機位于135 環(huán)正上方（圖中第5～11 環(huán)）時，其豎向變形值迅速增大，最大變形值約為6.2 mm。 而在上部施工的影響下，153 環(huán)及162 環(huán)也產(chǎn)生了不同程度的豎向變形，但從圖中可以看出，其余兩環(huán)受到的影響相對較小，距離開挖面最遠的162 環(huán)豎向變形并未超過1 mm。繼續(xù)施工至第15 環(huán)時， 此時隧道產(chǎn)生的豎向變形達到最大，為6.4 mm。如圖4 所示，盾構(gòu)施工至第14～19 環(huán)，新建隧道左線開挖面位于153 環(huán)附近，從圖3（b）可以看出153 環(huán)位于新建隧道的斜下方，與新建隧道正下方的135 環(huán)相比，由于疊交角度的不同，153 環(huán)產(chǎn)生的豎向變形相對較小。 同樣的，當(dāng)盾構(gòu)開挖至162 環(huán)上方（圖4 中第21～27 環(huán)），也并未發(fā)生較大變形。 當(dāng)施工繼續(xù)進行，距離監(jiān)測斷面一定距離后，隨著施工斷面逐漸遠離，土體發(fā)生卸載回彈，既有隧道在豎直方向上會發(fā)生一定程度的回彈變形。 以135 環(huán)為例， 當(dāng)盾構(gòu)掘進至16 環(huán)后， 既有隧道上方荷載減小并發(fā)生卸載，同時在一定程度上引起隧道整體回彈，從圖中可以看出，至第40 環(huán)開挖時，與之前相比，135 環(huán)變形回彈0.5 mm。

圖4 左線施工豎向位移圖Fig.4 Vertical displacement diagram of left line construction

3 個監(jiān)測斷面所處的空間位置分布進行考慮，135 環(huán)距離左線施工較近， 并位于左線施工段正下方，153 環(huán)及162 環(huán)均距離較遠，位于左線施工段斜下方，從盾構(gòu)機分別開挖至3 個監(jiān)測斷面最近點時對既有隧道產(chǎn)生的影響可以看出，新建隧道上穿施工時， 對隧道正下方的疊交部分影響較為明顯，對于斜交的部分影響較小。

2.2.2 右線穿越影響

當(dāng)新建隧道左線施工至L94 環(huán)，隧道右線施工至圖5 中的初始階段，此后既有隧道同時受到左線施工與右線施工的同時作用。 在右線施工的影響下，3 個監(jiān)測斷面均迅速產(chǎn)生豎向變形。 圖5 中43～50 環(huán)為新建隧道右線施工至135 環(huán)附近時監(jiān)測斷面的變形情況。 此時開挖面位于135 環(huán)斜上方，由于疊交角度的影響，與左線施工相比較而言，右線施工產(chǎn)生的影響較小。 右線繼續(xù)施工至153 環(huán)斜上方，即圖5 中的52～58 環(huán)，此時153 環(huán)受到右線施工的影響，產(chǎn)生了較大的豎向變形。 與135 環(huán)相比，153 環(huán)與右線距離較近， 因此其變形程度大于153環(huán)。 而從162 環(huán)右線開挖后產(chǎn)生的大幅度變形來看， 位于右線正下方的162 環(huán)受右線施工影響更大，由此可以看出，正下方的既有隧道管片受施工影響更為嚴(yán)重。與左線開挖類似的，3 個監(jiān)測環(huán)在盾構(gòu)機遠離后均會產(chǎn)生一定的卸載回彈，此時會令既有盾構(gòu)隧道管片產(chǎn)生二次變形，不利于隧道防護。

圖5 全線施工豎向位移圖Fig.5 Vertical displacement diagram of whole line construction

3 個監(jiān)測環(huán)最終整體呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，其中盾構(gòu)施工從正上方通過的135 環(huán)及162 環(huán)在對應(yīng)施工時所產(chǎn)生的豎向變形較大，而位于兩個施工段中間的153 環(huán)產(chǎn)生的豎向變形較小。 因此可以看出， 疊交角度會對下穿隧道豎向位移產(chǎn)生較大影響， 施工段正下方的隧道管片會受到更大影響，而斜下方的隧道受到的影響較小。 根據(jù)此特點，可以選擇性地對施工段正下方既有隧道進行加固，從而降低施工成本。

3 隧道加固模擬

3.1 既有隧道加固模擬

根據(jù)上述分析，左線及右線的開挖均會對既有隧道產(chǎn)生較大影響，為保證施工順利進行，需要對既有隧道進行加固。 采取注漿加固隧道后的土體以及加固隧道管片相結(jié)合的方法，并對此工況進行模擬分析。 不考慮加固方法對既有隧道管片之間的連接產(chǎn)生的影響，對既有隧道管片加固后的剛度進行換算，采用1.5 倍的管片剛度進行計算，同時在既有隧道上方建立一層注漿區(qū)。 隧道注漿加固模擬如圖6 所示，將現(xiàn)有隧道上部120°范圍內(nèi)的土體進行注漿加固，建立注漿加固層，并對加固后的隧道進行仿真分析。

圖6 隧道注漿加固模擬Fig.6 Simulation of tunnel grouting reinforcement

如圖7 所示，為隧道加固后的豎向位移圖。 與加固前的豎向位移圖進行對比，可以看出隧道整體變化趨勢未有較大變化，且同樣呈現(xiàn)出下沉趨勢，3 個檢測斷面的最終豎向變形分別為4.527，3.963 97，4.463 6 mm，相比較加固之前的最終豎向位移7.389 8，6.261 6 mm 以及6.861 9 mm，可以看出其發(fā)生的豎向變形顯著減小， 說明該加固措施能夠較為有效地抑制下部既有隧道的豎向變形。 此外，從圖7可以看出，3 個監(jiān)測管片環(huán)的最終豎向位移值更為接近，尤其是135 環(huán)與162 環(huán)，兩者的豎向位移近乎相等。 加固后的既有隧道豎向位移在施工完成后回彈趨勢更小，而以135 環(huán)為例，當(dāng)右線施工遠離隧道斷面，圖中65 環(huán)后，回彈值與之前相比有所減少， 可以看出加固措施可以較為有效抑制隧道的變形。

圖7 加固后豎向位移圖Fig.7 Vertical displacement diagram after reinforcement

3.2 既有隧道管片現(xiàn)場加固

根據(jù)上述模擬結(jié)果，對既有隧道的加固提出建議，一般而言，加固主要包括隧道管片自身的加固以及隧道周圍土體的加固。 其中，隧道管片自身的加固可以增加管片的抗變形能力，減少隧道自身產(chǎn)生的變形。 一般采用在已有支護的基礎(chǔ)上再添加一層支護進行加固的方法， 但是此方法人力物力耗費較大。 考慮到本項目中既有盾構(gòu)隧道仍未開通運營，因此在既有隧道內(nèi)部布設(shè)由20b 工字鋼及10 槽鋼焊接而成的鋼支撐環(huán)進行加固，如圖8 所示。 既有隧道上部土體的加固則可以降低上部施工對下部隧道的影響， 為了加強既有隧道與新建隧道之間土體的強度，減小上部隧道施工對既有隧道的擾動程度，在既有隧道拱頂壁后120°范圍內(nèi)的土體進行了注漿加固，加固采用的漿液是水泥水玻璃雙液注漿材料。

圖8 既有隧道加固及監(jiān)測措施Fig8 Reinforcement measures for existing tunnels

為了分析既有隧道控制變形措施的效果，在上部隧道開挖的同時，對下部隧道的豎向變形進行測量。 在既有隧道每隔4 m 的距離設(shè)置監(jiān)測斷面并利用全站儀對隧道變形進行觀測，最終下部既有隧道產(chǎn)生的最大豎向變形約為4.5 mm，與注漿加固模擬值較為接近，同時變形滿足規(guī)范要求，加固方案效果良好。

4 結(jié)論

采用數(shù)值仿真方法，對盾構(gòu)超載作用下上穿盾構(gòu)隧道這一特殊工況進行模擬，對不同疊交角度下的隧道變形狀況進行研究，得出了以下結(jié)論。

1） 上穿既有盾構(gòu)隧道時，盾構(gòu)機開挖會使開挖面下方土壓力變大， 下部既有隧道受到向下的應(yīng)力， 雙線同時開挖會增大既有隧道受到的影響，從而使隧道管片變形過大。 為保證施工安全，應(yīng)采取雙線分離的施工方案。

2） 新建隧道與既有隧道的穿越角度是影響既有隧道的豎向變形的重要因素，施工段正下方既有隧道管片受到的影響更大，其縱向變形值也大于斜下方既有隧道管片，兩者差值達到5.3 mm。

3） 既有隧道在不進行加固的情況下會產(chǎn)生較大豎向位移，采用自身加固以及上部土體注漿加固可以大幅減小隧道變形，最終對3 個模擬斷面的變形值均小于規(guī)范控制安全標(biāo)準(zhǔn)5 mm。

4） 根據(jù)加固的模擬結(jié)果，加固方案對隧道變形的保護具有較好的效果，在此基礎(chǔ)上提出了鋼支撐環(huán)與拱頂注漿相結(jié)合的隧道加固方案，并在施工現(xiàn)場進行實施。 最終下部既有隧道產(chǎn)生的縱向變形約為4.5 mm，加固效果良好。