地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道影響因素研究

摘 要：為了研究地鐵盾構(gòu)隧道下穿對既有地鐵隧道的影響，本文基于某市地鐵盾構(gòu)隧道工程，利用數(shù)值模擬計算，分析了不同覆土層厚度、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降位移的影響。研究結(jié)果表明，既有地鐵隧道拱底的沉降位移，隨著覆土厚度增加而增加，當新建隧道下穿既有隧道時，選擇覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域，可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，當盾構(gòu)下穿施工時，距離既有地鐵隧道越遠，既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移越小。隨著圍巖參數(shù)減少，相對沉降位移先增加再減少，在這個階段，土體產(chǎn)生整體沉降。

關鍵詞：盾構(gòu)隧道；隧道下穿；沉降位移

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

隨著城市地下交通的快速發(fā)展，隧道數(shù)量日益增加，會出現(xiàn)地下交通相互交叉現(xiàn)象。在新建隧道下穿既有隧道施工中，多次擾動地層會破壞既有隧道結(jié)構(gòu)，嚴重威脅交通運營安全，為避免既有隧道結(jié)構(gòu)被破壞，學者們進行了多方面研究。施柳盛等[1]對大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道影響分析及控制進行了研究，分析了新建大直徑盾構(gòu)隧道施工斜交下穿既有運營地鐵區(qū)間隧道的影響；王明明等[2]對上軟下硬地層盾構(gòu)下穿既有隧道擾動變形進行了研究，研究結(jié)果表明，既有隧道沉降值受地層條件和隧道間距影響顯著；程良水等[3]對新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行了研究，研究結(jié)果表明，地鐵下穿對上部既有隧道會產(chǎn)生較大影響，會導致上部既有隧道變形；李旭[4]對盾構(gòu)近距下穿既有線地層力學響應和變形特性進行了分析，分析結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿施工過程對既有應力影響較??；朱春柏等[5]研究了新建隧道對上覆既有隧道受力變形解析，研究結(jié)果表明，隨著新舊隧道豎向間距增加，既有隧道受到盾構(gòu)開挖的影響逐漸減少；周文杰等[6]對新建雙線盾構(gòu)隧道下穿既有隧道變形規(guī)律及控制技術進行了研究，研究結(jié)果表明，既有隧道變形主要集中在新建隧道上方，呈對稱分布。

基于此，本文通過數(shù)值模擬計算，對地鐵盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道的影響進行研究，分析不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

本工程為某市地鐵8號線盾構(gòu)隧道工程，掘進由北向南走向，全線長32.4km。掘進線路于城北郊區(qū)與既有地鐵6號線交叉，地鐵6號線為城市環(huán)城線，地鐵8號線盾構(gòu)隧道須下穿地鐵6號線隧道，兩隧道中心線相交平面角度約為87°，幾乎處于正交狀態(tài)。地鐵8號線盾構(gòu)隧道的拱頂與既有地鐵6號線隧道的拱底距離為5.3m，既有地鐵6號線隧道斷面寬7.2m，高度為6.8m，拱頂離地面距離為5.4m，管片采用C35鋼筋混凝土制成。地鐵8號線盾構(gòu)隧道管處內(nèi)徑為5.6m，外徑為6.4m，厚度為0.4m，每個管片的寬度為1.55m，采用C40鋼筋混凝土制成，兩個盾構(gòu)隧道中心間距為12.5m。地鐵盾構(gòu)隧道和既有地鐵隧道相互關系如圖1所示。由于地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道，盾構(gòu)施工過程中對土層的擾動會引起土體結(jié)構(gòu)變形塌陷，嚴重威脅既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，因此，須對地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行研究。

2 數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型建立

為減少模型邊界效應的影響，將盾構(gòu)隧道模型寬度設置為6～7倍的洞中心間距，即寬度（x方向）為76m，長度（y方向）為100m，高度（z方向）為56m。z方向的邊界范圍至地表，既有地鐵6號線的底部與盾構(gòu)地鐵8號線的拱頂距離5.3m，建立隧道模型示意如圖2所示。

2.2 參數(shù)設置

地鐵8號線盾構(gòu)隧道和既有地鐵6號線隧道交叉區(qū)域為城南郊區(qū)，該地區(qū)為平原地貌。根據(jù)盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘測報告，該交叉區(qū)域上覆土為人工填土，土體局部為砂土和礫石，厚度為0.8m～4.6m，上覆土下依次為粉質(zhì)黏土、強風化粉質(zhì)砂巖、中風化粉質(zhì)砂巖。其中粉質(zhì)黏土層厚度為1.0m～8.7m，質(zhì)地軟，遇水易軟化，強風化粉質(zhì)砂巖層厚度為1.5m～12.6m，厚度變化大，中風化粉質(zhì)砂巖層厚度為1.8m～24.3m，粉細粒結(jié)構(gòu)，遇水易軟化。地鐵盾構(gòu)隧道掘進區(qū)域位于中風化粉質(zhì)砂巖巖層內(nèi)，各巖土層的物理力學參數(shù)見表1。

在建模過程中，設置巖土體和隧道管片為各向同性材料，圍巖是具有莫爾-庫侖準則的彈塑性材料，盾構(gòu)隧道注漿層和盾殼為彈性材料，各材料物理參數(shù)見表2。設置隧道模型兩側(cè)和模型前后約束水平方向（x方向）位移，模型底部約束豎直方向（y方向）位移，其他部位在各方向均為自由加載。邊界約束設置完成后，采用FLAC 3D軟件將巖土體按照不同材料進行分組，再對模型進行網(wǎng)格劃分，主受力區(qū)域網(wǎng)格稠密，其他區(qū)域網(wǎng)格稀疏，兩區(qū)域交界處進行過渡處理，通過8節(jié)點的六面體實體單元對建立的模型進行有限元離散，將該模型分解為204623個單元，214376個節(jié)點。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不同覆土層厚度的影響

在盾構(gòu)隧道下穿過程中，既有地鐵隧道的埋深是影響隧道結(jié)構(gòu)沉降的重要參數(shù)。設置既有6號線地鐵隧道的覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m，其余參數(shù)不變，盾構(gòu)下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖3所示。

由圖3可知，隨著覆土厚度增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中，當覆土厚度從5.4m增至15m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.76mm，當覆土厚度從15m增至20m時，最大沉降位移增加了0.76mm，當覆土厚度從20m增至25m時，最大沉降位移增加了0.86mm，覆土厚度增加，增加了土體質(zhì)量，在土體質(zhì)量和土壓力作用處，既有地鐵隧道拱底沉降位移增加。

當覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.64mm、-2.4mm、-3.16mm、-4.02mm，盾構(gòu)地鐵下穿時，覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響。

當覆土厚度從5.4m增至20m時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加趨勢處于平穩(wěn)狀態(tài)，當覆土厚度大于20m時，最大沉降位移增加趨勢明顯。根據(jù)《高速鐵線路維修規(guī)則》，地鐵結(jié)構(gòu)設施絕對沉降量不大于20mm，將水平位移控制在±5mm，在不同覆土厚度條件下，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移均滿足施工要求，但覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響，因此，新建隧道須下穿既有隧道時，應選擇既有隧道覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域，可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。

3.2 不同凈間距的影響

凈間距為盾構(gòu)隧道的拱頂與既有隧道拱底之間的凈距離，它也是影響隧道結(jié)構(gòu)沉降的重要參數(shù)，本次研究將地鐵8號線盾構(gòu)隧道與既有6號線地鐵隧道凈間距分別設置為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D，其余參數(shù)不變，其中，D為盾構(gòu)隧道外徑。盾構(gòu)下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加，最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中，當凈間距從0.3D增至0.6D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.7mm，當凈間距從0.6D增至1.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.29mm，當凈間距從1.2D增至1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.38mm，當凈間距從1.8D增至3.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.3mm。當凈間距小于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅明顯，當凈間距大于1.8D時，最大沉降位移增幅減少，變化緩慢。

當凈間距分別為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.71mm、-2.41mm、-2.7mm、-3.08mm、-3.21mm、-3.39mm。盾構(gòu)隧道下穿距離既有地鐵隧道越近，對既有地鐵隧道的影響越大。

由圖4可知，隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響增加，當凈間距小于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移大幅度增加，變化顯著，當凈間距大于1.8D時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅減少，變化緩慢，因此，盾構(gòu)隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道，對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響越大，當設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時，要盡量遠離既有地鐵隧道。

3.3 不同圍巖條件的影響

在本次研究中，現(xiàn)場地質(zhì)復雜，盾構(gòu)下穿施工過程中，須考慮不同地質(zhì)條件對隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響。本次研究賦予既有地鐵6號線隧道圍巖不同參數(shù)，見表3，保持其余參數(shù)不變，盾構(gòu)下穿時，既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和相對沉降位移變化如圖5所示，其中，相對沉降位移為最大沉降位移值與邊界沉降位移差值。

由圖5（a）可知，隨著圍巖參數(shù)減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中，當圍巖參數(shù)從工況1減至工況4時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.46mm、-3.15mm、-4.91mm、-7.62mm。當圍巖參數(shù)逐漸減少時，既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移變化幅度增加，增加趨勢明顯。

由圖5（b）可知，隨著圍巖參數(shù)減少，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移先逐漸增加再逐漸減少。在盾構(gòu)下穿過程中，當圍巖參數(shù)從工況1減至工況4時，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移分別為-1.06mm、-2.56mm、-2.83mm、-2.3mm。在圍巖參數(shù)減至一定程度后，相對沉降位移增至峰值后逐漸減少，在此階段，土體的整體結(jié)構(gòu)被破壞，對既有地鐵隧道將產(chǎn)生不利的影響。

隨著圍巖參數(shù)減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，對既有地鐵隧道的影響范圍也逐漸擴大，既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少，在圍巖參數(shù)減至一定程度后，相對沉降位移增至峰值后再減少，在此階段，既有地鐵隧道除局部產(chǎn)生不均勻沉降外，在一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生了整體沉降，既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)將被破壞。因此，設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時，須考慮不同地質(zhì)條件下，土體的整體沉降對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬計算，對地鐵盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道的影響因素進行了研究，分析了不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論。1）隨著覆土厚度增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加，當覆土厚度小于20m時，隧道拱底最大沉降位移增加趨勢平穩(wěn)，當覆土厚度大于20m時，最大沉降位移增加趨勢明顯，覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響，新建隧道須下穿既有隧道時，應該選擇既有隧道覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域，可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。2）隨著凈間距增加，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，當凈間距小于1.8D時，隧道拱底最大沉降位移大幅增加，當凈間距大于1.8D時，最大沉降位移增幅減少。盾構(gòu)隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道，對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響越大，因此設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時，盡量遠離既有地鐵隧道。3）隨著圍巖參數(shù)減少，既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加，而相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少，在相對沉降位移減少階段，既有地鐵隧道除產(chǎn)生局部不均勻沉降外，在一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生了整體沉降。設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時，須考慮不同地質(zhì)條件下，土體的整體沉降對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻

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