康 佐，代光輝

（1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著我國(guó)城市地鐵的廣泛修建，新建隧道近距離穿越既有線路的情況大量出現(xiàn)，其中主要包括正交與斜交2種形式，同時(shí)又分為新建隧道上穿與下穿既有隧道2種情況。盾構(gòu)施工近距離穿越既有隧道時(shí)不可避免地引起既有結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力與位移，同時(shí)也會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一定的影響，施工不當(dāng)往往會(huì)對(duì)既有隧道造成較大破壞，影響其正常使用，新建隧道對(duì)既有隧道的影響不容忽視，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要的工程實(shí)踐意義。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了一系列研究，方勇等［1-2］運(yùn)用三維有限元方法對(duì)平行隧道和正交下穿隧道的施工進(jìn)行了模擬，模型中考慮了盾構(gòu)與管片襯砌的相互作用，以及管片襯砌結(jié)構(gòu)的橫觀各向同性性質(zhì)，分析了既有隧道位移、變形和內(nèi)力的變化規(guī)律；姚捷等［3］在剛度遷移原理的基礎(chǔ)上，提出了求解各施工步影響的沉降差值法，由單步增量求得相鄰線路盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道影響的全量，并對(duì)此進(jìn)行了仿真計(jì)算；汪洋等［4］采用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)和三維有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，引入了橫向與縱向等效剛度折減系數(shù)，對(duì)既有隧道附加彎矩、軸力等進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［5-7］通過(guò)三維數(shù)值模擬分析，對(duì)基坑施工全過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的變形及內(nèi)力的影響；文獻(xiàn)［8-10］分別使用有限元數(shù)值方法模擬了盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有近距離運(yùn)營(yíng)隧道的影響。文獻(xiàn)［11-12］使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了近距離隧道施工對(duì)既有平行隧道的影響特征。

綜上所述，雖然很多學(xué)者針對(duì)新建隧道近距離穿越既有隧道中的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，但是從地層位移、既有隧道位移及管片襯砌的受力變形特征多方面綜合分析的卻相對(duì)較少。本文以西安地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道為研究背景，運(yùn)用三維有限元數(shù)值分析方法，對(duì)新建盾構(gòu)隧道正交下穿施工所引起的上部地層位移、既有隧道位移及管片襯砌的受力變形特征進(jìn)行了深入分析，以期對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

1 地層條件

西安地鐵區(qū)間隧道場(chǎng)地土層主要有人工填土、老黃土、飽和軟黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土及砂夾層等，總體特征為土類多，空間分布變化大，土體的均一性較差，且大多數(shù)土體分布在地下水位以下，受地下水的影響較大。各土層多為可塑狀態(tài)，局部為軟塑狀態(tài)，飽和軟黃土為軟塑-流塑狀態(tài)，易坍塌下陷及變形。由地表向下，填土性質(zhì)較差，新黃土及在水位附近的飽和軟黃土土質(zhì)相對(duì)較軟，向下各層土的性質(zhì)隨深度的增加相對(duì)漸好，古土壤中裂隙發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探報(bào)告，選擇如表1所示的地層參數(shù)進(jìn)行模擬。

表1 模型中的材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2 數(shù)值模型

2.1 模型的建立

采用ANSYS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)盾構(gòu)隧道與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系建立三維模型，模型尺寸：L×W×H=60 m×60 m×47 m，如圖1所示。既有隧道埋深6 m，新建隧道埋深18 m，新建隧道正交下穿既有隧道，二者相距6 m，如圖2所示。管片襯砌外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片厚30 cm，管片幅寬為1.5 m，模型中沿盾構(gòu)推進(jìn)方向每3 m（兩環(huán)管片）劃分一個(gè)單元，模型共12 960個(gè)實(shí)體單元，14 415個(gè)節(jié)點(diǎn)。隧道管片和地層均采用Solid 45單元，土體的本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)侖彈塑性模型，模型前后左右為水平約束，下部為豎直約束，地表為自由邊界。

圖1 整體計(jì)算模型Fig.1 Calculationmodel

圖2 模型正視圖Fig.2 Front view ofmodel

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)模擬

對(duì)于盾構(gòu)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，可以采用單元“生”、“死”和改變材料屬性的方法來(lái)完成，其中盾構(gòu)單元、襯砌單元和擾動(dòng)層單元都是預(yù)設(shè)單元。當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，將前方的土體設(shè)為盾構(gòu)的參數(shù)，并殺死盾尾空隙處單元，同時(shí)沿徑向施加注漿壓力（取0.3 MPa）。為了綜合考慮土艙壓力、刀盤面板作用力等因素對(duì)掘削面的作用，在掘削面施加頂進(jìn)壓力（取0.311 MPa，對(duì)應(yīng)的頂進(jìn)力為10 000 kN），同時(shí)在盾構(gòu)后方管片上施加頂進(jìn)反力。盾尾脫出一段距離后，激活管片襯砌單元和擾動(dòng)層單元。

2.3 工況約定

為了觀測(cè)地表沉降的動(dòng)態(tài)變化，在地表設(shè)置了2個(gè)觀測(cè)斷面，分別為斷面1與斷面2，如圖3所示。選取4個(gè)位于不同位置的盾構(gòu)開(kāi)挖面來(lái)研究地表及既有隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，其中位置4為盾構(gòu)掘通，如圖4所示。

圖3 地表監(jiān)測(cè)位置Fig.3 Monitoring points on ground surface

圖4 選取的分析位置Fig.4 Analysis positions selected

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

新建隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值如圖5所示，地表沉降曲線類似Peck曲線。由圖5可知，盾構(gòu)掘進(jìn)至位置1時(shí)，斷面1的地表沉降量要大于斷面2，斷面1的最大地表沉降量達(dá)到了24 mm，斷面2的最大地表沉降量為6 mm；盾構(gòu)掘進(jìn)至位置2時(shí)，隨著盾構(gòu)的不斷推進(jìn)，地層損失不斷增大，地表沉降也在不斷增加，其中，斷面1的最大沉降量達(dá)到了27 mm，斷面2的最大沉降量達(dá)到了14 mm，斷面2的增幅要大于斷面1；當(dāng)開(kāi)挖面到達(dá)位置3時(shí)，斷面1的沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，斷面2的沉降量持續(xù)增加，斷面1與斷面2的最大地表沉降量分別為30 mm和24 mm；新建隧道貫通后，斷面1與斷面2的沉降曲線趨于重合，其中斷面1的最大地表沉降量為29 mm，斷面2的最大地表沉降量為27 mm。

3.2 管片位移分析

選取既有隧道與新建隧道交界處管片上、下、左、右4個(gè)位置進(jìn)行觀測(cè)（如圖6所示），并分析新建隧道在掘進(jìn)過(guò)程中管片上4個(gè)位置的位移變化情況。

由圖7可看出，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，既有隧道沉降量不斷增加，最大沉降量達(dá)到了32mm。根據(jù)《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，要求對(duì)既有隧道沉降量的控制要小于20 mm，可看出新建隧道的施工已經(jīng)對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)安全造成了較大影響。同時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)各結(jié)點(diǎn)的沉降量之間存在差異，它們之間產(chǎn)生了相對(duì)沉降。左、右結(jié)點(diǎn)的相對(duì)沉降說(shuō)明管片環(huán)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，上、下結(jié)點(diǎn)的相對(duì)沉降說(shuō)明管片環(huán)發(fā)生了變形。左、右結(jié)點(diǎn)的相對(duì)沉降先隨盾構(gòu)的掘進(jìn)而逐漸增大，當(dāng)掘進(jìn)到既有隧道正下方時(shí)，相對(duì)沉降值達(dá)到最大值8.15 mm。此后，左、右結(jié)點(diǎn)的相對(duì)沉降逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定值1.43 mm。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，先是上結(jié)點(diǎn)比下結(jié)點(diǎn)沉降的多，說(shuō)明上、下結(jié)點(diǎn)在向內(nèi)變形，根據(jù)圓形襯砌的受力和變形特點(diǎn)可知，既有隧道受到“加載”作用，向內(nèi)變形在掘削面距既有隧道1.5D（D為隧道外徑）處達(dá)到最大值0.46mm。盾構(gòu)通過(guò)既有隧道后，下結(jié)點(diǎn)比上結(jié)點(diǎn)沉降的多，說(shuō)明上、下結(jié)點(diǎn)在向外變形，既有隧道受到“卸載”作用，向外變形達(dá)到最大值2.42 mm，此后卸載作用減弱，向外變形逐漸減小，最后穩(wěn)定在1.94 mm。

圖5 不同工況下的地表沉降Fig.5 Ground surface settlement in different cases

圖6 既有隧道觀測(cè)位置Fig.6 Observation positions of existing tunnel

圖7 既有隧道沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)變化Fig.7 Settlement of existing tunnel Vs shield boring

由圖8可看出，各結(jié)點(diǎn)的側(cè)移量（Z方向位移）是不同的，各結(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生了相對(duì)側(cè)移。其中，上、下結(jié)點(diǎn)的相對(duì)側(cè)移說(shuō)明管片環(huán)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，左、右結(jié)點(diǎn)的相對(duì)側(cè)移說(shuō)明管片環(huán)發(fā)生了變形，上、下結(jié)點(diǎn)的相對(duì)側(cè)移先隨盾構(gòu)的掘進(jìn)而逐漸增大，當(dāng)掘進(jìn)到既有隧道正下方時(shí)，相對(duì)側(cè)移值達(dá)到最大值7.00 mm。此后上、下結(jié)點(diǎn)的相對(duì)側(cè)移逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定值1.96 mm。

圖8 既有隧道側(cè)向位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)變化Fig.8 Lateral displacement of existing tunnel Vs shield boring

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，先是右結(jié)點(diǎn)比左結(jié)點(diǎn)側(cè)移的多，說(shuō)明左、右結(jié)點(diǎn)在向內(nèi)變形；然后出現(xiàn)左結(jié)點(diǎn)比右結(jié)點(diǎn)側(cè)移的多，說(shuō)明左、右結(jié)點(diǎn)在向外變形。根據(jù)圓形襯砌的受力和變形特點(diǎn)可知，既有隧道受到加載作用，向外變形在削掘面距既有隧道0.5D時(shí)達(dá)到最大值0.36 mm。隨著掘進(jìn)的繼續(xù)，右結(jié)點(diǎn)比左結(jié)點(diǎn)側(cè)移的多，說(shuō)明左、右結(jié)點(diǎn)在向內(nèi)變形，既有隧道受到卸載作用，向內(nèi)變形最大值0.27 mm，此后卸載作用減弱，向內(nèi)變形逐漸減小，最后穩(wěn)定在1.79 mm左右。

3.3 管片內(nèi)力分析

由應(yīng)力云圖9—12可以看出（應(yīng)力受拉為正，受壓為負(fù)），開(kāi)挖面到達(dá)既有隧道之前由于盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)土體的卸載作用，使得土體對(duì)既有隧道管片的向上支撐作用減小，最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在管片下部，為4.94 MPa；既有隧道管片結(jié)構(gòu)的最大第三主應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)拱腰，為-7.33 MPa；開(kāi)挖面到達(dá)既有隧道正下方時(shí)，最大第一主應(yīng)力與最大第三主應(yīng)力都有一定程度的減小，分別為4.79 MPa和-7.17 MPa；盾構(gòu)通過(guò)既有隧道后，第一和第三主應(yīng)力均持續(xù)增加，盾構(gòu)掘通后，管片第一和第三主應(yīng)力區(qū)位置變化不大，既有隧道結(jié)構(gòu)最大第一主應(yīng)力與最大第三主應(yīng)力分別為4.9 MPa和-7.33 MPa，滿足混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖9 工況1應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.9 Contour of stress in case 1（Pa）

圖10 工況2應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.10 Contour of stress in case 2（Pa）

圖11 工況3應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.11 Contour of stress in case 3（Pa）

圖12 工況4應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.12 Contour of stress in case 4（Pa）

從既有隧道的主應(yīng)力隨盾構(gòu)掘進(jìn)變化圖（見(jiàn)圖13）可以看出，既有隧道管片第一和第三主應(yīng)力隨新建隧道掘進(jìn)逐漸加大，但在削掘面到達(dá)既有隧道正下方時(shí)，由于盾構(gòu)的頂推作用，管片第一和第三主應(yīng)力稍有減??；當(dāng)盾構(gòu)經(jīng)過(guò)既有隧道后，管片第一和第三主應(yīng)力繼續(xù)增大。但總的來(lái)說(shuō)，管片應(yīng)力變化很小。

圖13 主應(yīng)力隨盾構(gòu)掘進(jìn)變化Fig.13 Principal stress Vs shield boring

4 結(jié)論與建議

1）正交下穿盾構(gòu)隧道施工時(shí)，既有隧道上方的地表最大沉降量小于其他地方的地表最大沉降量。

2）正交下穿盾構(gòu)隧道施工時(shí)，既有隧道發(fā)生不均勻沉降，同時(shí)沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向發(fā)生不均勻側(cè)移和扭轉(zhuǎn)，沉降、側(cè)移和扭轉(zhuǎn)的最大值發(fā)生在新建隧道的正上方。但總的來(lái)看，最大沉降和最大側(cè)移發(fā)生在盾構(gòu)通過(guò)既有隧道的下方后。

3）正交下穿盾構(gòu)隧道施工時(shí)，既有隧道將產(chǎn)生二次變形。盾構(gòu)到達(dá)既有隧道下方之前，由于頂進(jìn)力的作用，既有隧道上、下結(jié)點(diǎn)將向內(nèi)變形，左、右結(jié)點(diǎn)將向外變形；盾構(gòu)通過(guò)既有隧道下方后，既有隧道上、下結(jié)點(diǎn)將向外變形，左、右結(jié)點(diǎn)將向內(nèi)變形。

4）在隧道縱向上，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，既有隧道下表面拉應(yīng)力增加，拉應(yīng)力的增加對(duì)既有隧道縱向安全極為不利。

修建的正交下穿隧道對(duì)既有隧道的影響較大，為了將該影響控制在允許范圍內(nèi)，建議對(duì)新舊隧道重疊區(qū)域的地層進(jìn)行加固，同時(shí)嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工過(guò)程中頂推力的大小及管片襯砌背后的注漿壓力。

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