地鐵盾構區(qū)間隧道近接下穿既有隧道影響研究

秦 帥，黃 杰，陳霧航

（1.南京市城市道路管理中心，南京 210008；2.蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

隨著城市地下空間大規(guī)模的開發(fā)利用，地下環(huán)境日漸錯綜復雜。地鐵區(qū)間盾構隧道在施工過程中，經常會遇到下穿既有地下結構的情況，施工穿越過程難度及風險也越來越大。在盾構施工過程中，土體產生擾動，引起地表沉降及周圍土體的變形，會使臨近既有結構產生附加應力和變形，直接影響臨近結構與周邊環(huán)境的安全。為了保證臨近地下結構的安全性，采用合理的施工方法并對施工過程中各項指標進行監(jiān)測顯得尤為重要。

目前，針對地鐵盾構區(qū)間下穿既有地下結構的影響研究已取得了較多的研究成果。熊志浩等采用三維有限差分法建立計算模型，模擬地鐵盾構區(qū)間隧道下穿既有綜合管廊，分析下部盾構隧道在不同交叉角度和不同盾尾注漿壓力下，上部結構的變形和影響規(guī)律；方勇等采用三維有限元軟件模擬了2 條平行隧道的盾構施工過程，監(jiān)測既有隧道位移、變形和內力，并分析其動態(tài)施工過程中的變化規(guī)律；許有俊等通過實測數(shù)據(jù)與三維有限元法，研究在上部地鐵車站布置預埋樁基后，盾構近接下穿對上部車站的影響，結果表明，通過在上部車站布置預埋樁基，能夠有效控制既有車站的變形；徐前衛(wèi)等研究了上海外灘觀光隧道上穿地鐵2 號線2 條平行地鐵隧道在復雜工況下盾構掘進施工的土體擾動特點；徐章杰以北京地鐵15 號線盾構穿越京承鐵路箱涵工程為背景，分析了盾構施工引起既有鐵路箱涵變形問題。目前，研究現(xiàn)狀大多針對盾構隧道施工對地層影響分析及盾構施工參數(shù)影響分析，針對盾構下穿既有結構，研究內容為下穿既有盾構隧道和地下管線，且研究僅針對個別工況，缺少對既有隧道的研究。

本文以南京地鐵9 號線近接下穿揚子江大道綠博園隧道工程為研究背景，采用有限差分軟件FLAC 3D建立數(shù)值模型，模擬地鐵盾構區(qū)間隧道下穿隧道的施工過程，研究盾構隧道近接下穿過程中，上部既有隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

揚子江大道綠博園隧道位于揚子江大道與水西門大街節(jié)點處，隧道總長560 m，南側敞開段長165 m，樁號為K3+645～K3+810，暗埋段長170 m，樁號為K3+810～K3+980，北側敞開段長225 m，樁號為K3+980～K4+205。隧道分左右雙洞，隧道暗埋段高8.1 m，寬30.4 m，隧道路面采用瀝青混凝土路面。

隧道主體結構形式敞開段為“U 型槽”結構，暗埋段為矩形單箱雙孔框架結構。隧道地基處理采用樁基、抽條加固相結合的方案。主體結構頂板、底板、側墻、中墻及相關抗拔樁、工程樁均采用C35 混凝土。暗埋段頂板及側墻厚度為1 m，底板厚度為1.2 m，中隔墻厚度為0.6 m。敞開段側墻厚度為0.6 m，底板厚度為0.6～1.2 m。二者位置及交叉情況如圖1 和圖2所示。

圖1 地鐵9 號線與隧道交叉示意圖

圖2 相對位置關系剖面示意圖

地鐵區(qū)間隧道設計為內徑5.8 m 的雙盾構隧道，盾構管片厚度0.4 m。交叉段暗埋段隧道橫斷面形式如圖3 所示。為了減小盾構隧道近接下穿過程中隧道的沉降變形，提高隧道結構的安全性與穩(wěn)定性，設計時采用三軸深攪樁對隧道結構進行地基加固，攪拌樁為?850@1800，加固平面范圍為區(qū)間外輪廓線兩側3 m，豎向范圍為基坑底標高至-17.32 m，即坑底以下15 m 范圍。采用常規(guī)的四攪兩噴工藝。使用42.5 級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.45～0.60，送漿壓力0.4～0.6 MPa，水泥摻入量16%（坑底以上虛樁部分水泥摻量8%），深攪樁28 d 的無側限單軸抗壓強度不小于1.0 MPa。交叉段隧洞敞開段橫斷面情況如圖4 所示。

圖3 交叉段隧道暗埋段橫斷面示意圖

圖4 交叉段隧道敞開段橫斷面示意圖

經勘查，城市地層范圍內土體主要為素填土與淤泥質粉質黏土，盾構隧道穿越范圍內土體主要為粉質黏土夾粉砂，該層工程地質性能較差，由于混夾大量粉土、粉砂，水平向滲透性明顯大于垂向，掘進時易導致地面隆起，出土后易導致地面沉降。

2 盾構施工過程數(shù)值模擬

2.1 計算模型的建立

為了較準確地模擬綠博園隧道運營后，新建地鐵盾構隧道開挖施工對其的影響，采用專業(yè)的有限差分軟件FLAC 3D 建立數(shù)值模型，進行開挖施工的全過程分析。計算中，土層、綠博園隧道以及新建地鐵盾構隧道管片均采用實體單元，各參數(shù)按實際取值。

實際工程中，盾構開挖、與土層間的相互影響是較為復雜的，數(shù)值模擬時，既要保證計算精度，也要考慮計算效率，因此，需對模型進行簡化。根據(jù)實際情況并考慮計算精度，本次分析過程中進行了如下幾點假定。

1）小變形假設：根據(jù)土體變形規(guī)律、施工參數(shù)影響和變形控制條件等因素，盾構隧道開挖掘進施工所引起的既有隧道結構變形屬于小變形問題。

2）對于隧道和盾構管片等混凝土結構而言，在宏觀上將其視作勻質、各向同性材料；對于地層，根據(jù)前述對于地質條件的描述，假定其為成層的各項同性材料。

3）土體的初始地應力僅考慮自重作用。

4）土體本構模型采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構，混凝土材料采用彈性（Elastic）本構進行模擬。

5）計算時不考慮地下水影響作用。

計算模型的邊界條件嚴格按照隧道開挖影響范圍和隧道保護區(qū)范圍取值，按3～5 倍洞徑和隧道50 m 保護區(qū)范圍考慮，交叉斷面模型如圖5 所示。根據(jù)前述模型計算中關于邊界的描述，計算模型尺寸（長×寬×高）分別為：208 m×400 m×50 m，包含單元和節(jié)點數(shù)量為1 070 000 個和1 475 000 個。

圖5 交叉斷面模型示意圖

2.2 土體及結構力學參數(shù)

根據(jù)巖土工程詳細勘查報告，將一定深度范圍內土體力學參數(shù)相近的地層進行合并，主要土體自上而下為填土、淤泥質粉質黏土、粉砂、粉質黏土夾粉砂、粉細砂，土體力學參數(shù)見表1，具體結構材料性質見表2。

表1 地層土體分布及力學參數(shù)

表2 結構計算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬方案

計算中首先進行地層的初始地應力計算，在正式開始計算隧道開挖的影響之前，進行模型的位移和塑性狀態(tài)的清除，用以確保最終的計算結果為隧道開挖所產生的附加位移。加固區(qū)采用改變相應區(qū)域范圍內材料參數(shù)的方法加以實現(xiàn)，具體參數(shù)取自相關文獻中關于水泥土攪拌樁的部分。

隧道的開挖采用空模型（null）進行實施。在建模過程中，將盾構管片按照管片寬度進行網(wǎng)格劃分（本次計算中取為1.2 m），計算中按照一環(huán)管片寬度的進尺掘進直至盾構隧道在計算范圍內貫通。對于盾構機頂推力的模擬，計算中采取在開挖面上施加法向應力的方式加以實現(xiàn)。對于雙線盾構隧道開挖順序的考慮，計算中假定一條線開挖完成后，再進行另一條線的開挖。

2.4 計算工況

根據(jù)施工工藝和具體的施工進度，模擬時分為10個主要施工步序來考慮，分別為2 線初始開挖、到達隧道、抵達隧道正下方、穿過隧道以及完全貫通。模擬時，根據(jù)盾構施工實際路線情況，先掘進大里程段區(qū)間（先行線），后掘進小里程段區(qū)間（后行線），具體計算施工步序見表3。

表3 計算施工步序

3 結果分析

3.1 施工過程隧道暗埋段沉降分析

不同工況下隧道暗埋段監(jiān)測點沉降結果如圖6所示，各工況下位移云圖如圖7 所示。計算中考慮了盾構的施工過程，分別給出了兩線初始開挖、到達隧道、抵達隧道正下方、穿過隧道，以及完全貫通各個階段的沉降結果。該斷面的計算中首先開挖南線隧道（大里程段），待大里程隧道施工完成后，開挖小里程段隧道。

根據(jù)圖6 曲線所示，盾構隧道近接下穿施工導致既有隧道發(fā)生不均勻沉降變形，由于隧道采用工程樁基礎，并在盾構隧道下穿影響部分采用三軸攪拌樁地基加固，隧道底板結構與地基整體性得到了加強，因此盾構施工過程中，沉降最大值位置位于開挖隧道中心線正上方的隧道暗埋段側墻位置。隨著盾構隧道的掘進，沉降位移逐漸增大，當開挖小里程段隧道時，沉降位移進一步增大，且增幅明顯，沉降位移最大值增加了約16%，沉降最大值位置轉移到小里程段隧道中心線正上方，在小里程段隧道開挖完成工況，沉降位移達到最大值，結構最終沉降最大值為1.23 mm。在施工過程中，應加強對既有隧道的位移監(jiān)測，確保地鐵盾構施工過程中既有隧道的正常使用。

3.2 施工過程隧道敞開段沉降分析

盾構隧道下穿綠博園隧道暗埋段和敞開段交接位置后，側穿綠博園隧道敞開段。敞開段變形最大工況沉降分布云圖如圖8 所示。

圖8 既有隧道敞開段沉降位移云圖

根據(jù)敞開段沉降分布云圖，最大沉降點位于距離盾構隧道較近的與暗埋段交接位置，最大沉降為-0.64mm，距離盾構隧道較遠的敞開段結構沉降較小。表明盾構隧道側穿影響遠小于直接下穿。

4 結論與建議

1）盾構隧道近接下穿隧道施工時，盾構機附近的既有隧道在縱向上產生不均勻沉降變形，沉降最大值位置位于開挖隧道中心線正上方，隨著盾構機掘進，既有隧道沉降值逐漸增大，在隧道開挖后行線通過隧道暗埋段時，沉降值達到最大。

2）盾構隧道下穿隧道后，側穿隧道敞開段期間，敞開段最大沉降位于與暗埋段交接位置側墻處，表明盾構側穿影響小于直接下穿。

3）由于隧道設計時采用工程樁和抗拔樁基礎，并在盾構下穿影響范圍內采用三軸攪拌樁地基加固，隧道沉降范圍主要出現(xiàn)在盾構隧道正上方側墻位置，結構底板與基礎整體性有效提高。施工過程中，應加強對隧道側墻的監(jiān)控量測，及時調整掘進施工參數(shù)，保證既有隧道的安全性與穩(wěn)定性。