基于有限元模擬的盾構(gòu)下穿對既有暗挖隧道的影響分析

摘 要：為探究盾構(gòu)下穿施工過程對既有隧道沉降及內(nèi)力影響，以北京市南水北調(diào)配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（二期）項目為實際工程依托，利用數(shù)值模擬的手段，建立三維盾構(gòu)下穿既有隧道有限元模型，模擬盾構(gòu)隧道下穿既有隧道的施工全過程，探明盾構(gòu)隧道下穿過程對既有隧道的影響規(guī)律，得到既有暗挖隧道結(jié)構(gòu)沉降及內(nèi)力變化，并分析盾構(gòu)掘進對既有隧道的擾動規(guī)律。此外，基于影響因素分析，探究兩隧道間距離的影響。研究結(jié)論可為今后的相似工程提供合理的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；下穿；沉降；數(shù)值模擬；有限元模型

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0055-05

Abstract： In order to explore the influence of shield tunneling construction process on the settlement and internal force of existing tunnel， based on the water transfer project from Tuanchenghu to Ninth Waterworks（Phase II）， a three-dimensional shield tunnel finite element model is established by means of numerical simulation， and the whole construction process of shield tunnel through existing tunnel is simulated. The influence law of the shield tunnel undercutting process on the existing tunnel is explored， the structural settlement and internal force changes of the existing tunnel are obtained， and the disturbance law of the shield tunneling to the existing tunnel is analyzed. In addition， based on the analysis of influencing factors， the influence of the distance between the two tunnels is explored. The research conclusions can provide reasonable reference for similar projects in the future.

Keywords： Shield tunnel; underpass; settlement; numerical simulation; finite element model

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、大型過江隧道及引水工程的廣泛興建[1-3]，泥水盾構(gòu)技術(shù)由于其施工速度快、施工質(zhì)量高和地表沉降小等多項特點[4-5]，已被廣泛應用于公路隧道、地鐵隧道及水利隧道的施工中[6-8]。已建成的上海、南京、武漢穿越長江隧道，南水北調(diào)中線穿黃隧道等工程均采用盾構(gòu)施工，擬建或正在論證的多個大型穿海公路隧道，以及正在建設(shè)中的多個城市地鐵的越江河隧道工程都準備或正在采用盾構(gòu)工法。盾構(gòu)隧道技術(shù)已成為我國地下工程建設(shè)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。從施工本身來說，國內(nèi)外包括北京地區(qū)對盾構(gòu)穿越單一地層和單一風險源的影響性分析已經(jīng)有很多理論研究與實際工程施工經(jīng)驗，但我國國土廣闊，各地地質(zhì)條件區(qū)別較大，許多隧道遇到開挖面上同時遇到巖石、軟土和卵石等復雜地質(zhì)條件，同時盾構(gòu)下穿風險源施工引起地表沉降、構(gòu)筑物不均勻沉降等。其盾構(gòu)施工造成的影響機理尚未明確，所以對盾構(gòu)施工下穿既有隧道引起沉降變化的研究，不僅有利于既有隧道運營的安全，而且對盾構(gòu)施工本身也是一項安全保障。

目前，大多數(shù)研究主要采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測、模型試驗和理論分析等手段[9-10]，且主要針對盾構(gòu)隧道穿過相鄰橋梁樁和既有建構(gòu)筑物。此外，許多研究學者采用離散單元法模擬盾構(gòu)掘進過程，研究隧道的穩(wěn)定性與對相鄰隧道的影響[11]。施柳盛等[12]以上海北橫通道下穿軌交10號線工程為研究背景，建立了三維有限元模型，探究了盾構(gòu)隧道施工斜交下穿既有地鐵區(qū)間隧道的影響，并根據(jù)計算結(jié)果、實測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實際施工參數(shù)控制措施等給出了盾構(gòu)穿越前、中、后的經(jīng)驗，解釋了盾構(gòu)下穿運營地鐵線路施工過程中的控制措施。高強等[13]利用三維數(shù)值計算方法，對曲線盾構(gòu)及磚混雨水箱涵結(jié)構(gòu)進行建模，通過考慮盾構(gòu)雙隧道開挖曲率及坡度，分析了先后開挖雙隧道施工對既有磚混雨水箱涵結(jié)構(gòu)的影響。王明明等[14]針對在上軟下硬地質(zhì)條件下的盾構(gòu)下穿既有地鐵時的管片變形問題，以武漢軌道交通7號線下穿既有2號線工程為背景，利用三維數(shù)值模擬方法建立2號線管片模型，同時使用FLAC3D軟件進行三維數(shù)值分析，探討了新建隧道與既有隧道間距、地層傾斜和注漿填充對既有地鐵及周邊地層的影響。Xu等[15]為有效降低盾構(gòu)隧道近接施工中的影響，提出了袖閥管注漿后實施隔離樁和鋼側(cè)向支撐的綜合變形控制策略。研究了既有樁基群的內(nèi)力和變形特征，并與常規(guī)加固措施進行了比較。結(jié)果表明，注漿加固和隔離樁加固效果有限，而綜合變形控制策略的加固效率超過200%，對控制樁身位移和內(nèi)力更為有效。與無加固相比，既有樁基的最大軸力和彎矩分別降低了77%和60%，最大水平位移和豎向沉降分別降低了76%和19%。經(jīng)現(xiàn)場施工驗證，承臺沉降量為1.37 mm，滿足安全施工要求。

1 工程概況

北京市南水北調(diào)配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（二期）輸水隧洞采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道外徑為6 m，隧道內(nèi)徑為4.7 m，采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中一襯為C50 W10 F150預制鋼筋混凝土管片，厚度300 mm，二襯采用C30 W10 F150現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度350 mm，一、二襯之間鋪設(shè)防水板作為防水層。站臺是從地鐵向西引出的一條交通隧洞。隧洞尺寸約為8.7 m×7.5 m（寬×高），馬蹄形結(jié)構(gòu)。隧洞采用暗挖法施工，外襯為C20噴射混凝土，內(nèi)襯為C40現(xiàn)澆混凝土，內(nèi)外襯之間鋪設(shè)防水板。

盾構(gòu)隧道正交穿越地鐵站臺，隧洞頂至站臺結(jié)構(gòu)底部距離為6 m。穿越位置地層主要為砂巖斷層破碎帶，巖體破碎、以碎裂結(jié)構(gòu)為主；地下水活動較強烈，外水壓力約25～30 m，以線狀流水及大量滲水為主；盾構(gòu)隧道與站臺位置關(guān)系如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

本次結(jié)構(gòu)計算采用Midas/GTS軟件對團九二期隧道下穿地鐵某站臺隧道進行三維模擬，綜合分析盾構(gòu)隧道施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的影響。

2.1 計算模型

假設(shè)圍巖為理想的彈塑性材料，服從摩爾-庫侖屈服準則，土體、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬，團九二期襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。模型尺寸為36 m×36 m×30 m（長×寬×高）。計算模型如圖2、圖3所示，模型計算參數(shù)見表1。

2.2 結(jié)果分析

地鐵某號線站臺隧道荷載按15 kN/m2的均布荷載計算，模擬新建隧道盾構(gòu)施工工況，既有隧道結(jié)構(gòu)沉降及應力計算結(jié)果如圖4—圖6所示。

通過三維有限元計算分析，受盾構(gòu)隧洞開挖影響，地鐵站臺結(jié)構(gòu)最大豎向沉降值為-0.425 mm（向下），縱向最大變形率0.02‰，縱向應力增量最大值97.9 kPa（底板），底板縱向應力最大值0.19 MPa，遠小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度。團九二期輸水隧洞正常施工及正常運行引起的地鐵站臺結(jié)構(gòu)附加變形較小，底板應力值遠小于混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強度。團九二期施工和運行不影響地鐵站臺的結(jié)構(gòu)安全。

2.3 沉降分析

從計算結(jié)果來看，盾構(gòu)掘進對既有隧道影響主要體現(xiàn)在穿越位置結(jié)構(gòu)的縱向變形，隨著盾構(gòu)施工距離既有隧道縱向距離的減小，對結(jié)構(gòu)變形的影響逐漸增大，直至盾構(gòu)穿越完成，沉降數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

由圖7沉降數(shù)據(jù)分析，從既有隧道結(jié)構(gòu)中心位置來看，當盾構(gòu)進入既有隧道影響范圍內(nèi)，即開始對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，當開挖面離既有隧道垂直距離最小，即位于其正下方時，結(jié)構(gòu)中心縱向變形最大。隨著盾構(gòu)穿越完成，既有隧道結(jié)構(gòu)中心位置變形趨于穩(wěn)定。

以對既有結(jié)構(gòu)影響最大的穿越位置沉降變化來分析，選取斷面位置16個點位分析沉降變化如圖8所示，由變化曲線分析可知，盾構(gòu)隧道對既有隧道結(jié)構(gòu)影響最大處位于結(jié)構(gòu)中心位置，且其影響范圍向兩側(cè)逐漸減弱。同時盾構(gòu)掘進施工會對圍巖造成擾動以及其內(nèi)力的釋放。盾構(gòu)通過后，相應的施工沉降以及圍巖沉降會持續(xù)變化，因此，在盾構(gòu)穿越后采取必要的施工技術(shù)措施，通過有效的注漿加固等方法保證隧道結(jié)構(gòu)以及地層的長期穩(wěn)定，減少長期沉降變化。

為驗證數(shù)值方法計算結(jié)果的有效性與可靠性，使用磁致伸縮式靜力水準儀在既有隧道斷面布設(shè)了16個測點，對值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析。圖9為數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比。由圖9可知盾構(gòu)隧道開挖完成后，所有現(xiàn)場測點均有不同程度的沉降，沉降位移最大的實測沉降位移為0.44 mm，數(shù)值計算沉降位移為0.42 mm，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測情況存在一些差異，但誤差量均在10%以內(nèi)，且對既有隧道結(jié)構(gòu)變化的趨勢預測情況相對準確，因此數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為吻合，數(shù)值計算結(jié)果能較好地反映實際工程情況，驗證了數(shù)值模型的有效性與可靠性。

3 兩隧道間距離的影響分析

盾構(gòu)下穿過程中，盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道間距離，對其既有車站的結(jié)構(gòu)變形至關(guān)重要。本節(jié)利用Midas GTX數(shù)值計算程序，分別建立了盾構(gòu)9 m下穿，6 m下穿（實際工況）及3 m上穿數(shù)值計算模型，其盾構(gòu)9 m下穿模型示意圖如圖10（a）所示，盾構(gòu)3 m上穿模型示意圖如圖10（b）所示。

圖11（a）為盾構(gòu)9 m下穿時，既有隧道豎向位移計算結(jié)果示意圖；圖11（b）為盾構(gòu)3 m上穿時，既有隧道豎向位移計算結(jié)果示意圖。由圖11（a）可知，既有隧道的最大沉降點發(fā)生在暗挖隧道主體結(jié)構(gòu)中間位置的底部，其最大沉降量約為0.05 mm。與實際工況對比分析可知，隨著盾構(gòu)下穿距離的增加，沉降區(qū)域范圍減小，最大沉降量減小。由圖11（b）可知，當盾構(gòu)上穿既有暗挖隧道時，隧道主體結(jié)構(gòu)呈上浮趨勢，最大上浮區(qū)域出現(xiàn)在暗挖隧道中間位置的上部，隧道兩側(cè)上浮量減小，最大上浮量約為0.35 mm。

4 結(jié)論

本研究為探究盾構(gòu)下穿施工過程對既有隧道沉降及內(nèi)力影響，以北京市南水北調(diào)配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（二期）項目為實際工程依托，利用數(shù)值模擬的手段，建立了三維盾構(gòu)下穿既有隧道有限元模型，模擬了盾構(gòu)隧道下穿既有隧道的施工全過程，探明了盾構(gòu)隧道下穿過程對既有隧道的影響規(guī)律?；谟绊懸蛩胤治觯骄苛藘伤淼篱g距離的影響。具體研究結(jié)論如下。

1）盾構(gòu)隧道施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)沉降隨著與盾構(gòu)隧道開挖位置距離的減小而增加，并且其影響范圍較小，約為3倍盾構(gòu)隧道直徑。同時，既有隧道內(nèi)力變化由中間向結(jié)構(gòu)兩側(cè)影響逐漸減弱。當盾構(gòu)進入既有隧道影響范圍內(nèi)，即開始對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，當開挖面位于其正下方時，結(jié)構(gòu)中心縱向變形最大，隨著盾構(gòu)穿越完成，既有隧道結(jié)構(gòu)中心位置變形趨于穩(wěn)定。

2）隨著盾構(gòu)下穿距離的增加，最大沉降點仍發(fā)生在暗挖隧道主體結(jié)構(gòu)中間位置的底部，沉降區(qū)域范圍減小，最大沉降量減小。當盾構(gòu)上穿既有暗挖隧道時，隧道主體結(jié)構(gòu)呈上浮趨勢，最大上浮區(qū)域出現(xiàn)在暗挖隧道中間位置的上部（盾構(gòu)隧道正下方），既有隧道兩側(cè)上浮量減小。

3）在盾構(gòu)穿越后為減少既有隧道長期沉降變化，保證隧道結(jié)構(gòu)及地層的長期穩(wěn)定，應采取多次補充注漿、克泥效注漿等方法與技術(shù)措施保證既有隧道的安全運營及長期穩(wěn)定。

4）盾構(gòu)隧道開挖完成后，所有現(xiàn)場測點均有不同程度的沉降，沉降位移最大的實測沉降位移為0.44 mm，數(shù)值計算沉降位移為0.42 mm，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的誤差量均在10%以內(nèi)，且對既有隧道結(jié)構(gòu)變化的趨勢預測情況相對準確，因此，數(shù)值計算結(jié)果能較好地反映實際工程情況，驗證了數(shù)值模型的有效性與可靠性。

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