郭建寧,楊志浩,徐 晨,方 勇

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

盾構斜交下穿既有框架隧道數值模擬分析

郭建寧,楊志浩,徐 晨,方 勇

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

在城市地鐵建設中,經常出現(xiàn)新建隧道下穿既有隧道的情況,為研究新建盾構隧道施工對既有公路框架隧道的影響,以寧波地鐵1號線世紀大道站—海晏北路站區(qū)間隧道斜交下穿淺覆土市政公路框架隧道工程為依托,采用三維有限元數值分析方法,研究盾構隧道在下穿框架隧道3個階段(盾構到達既有隧道正下方前、穿越既有隧道正下方及穿出既有隧道后)施工過程中盾構機頂進力、壁后注漿壓力對于上部框架隧道沉降、側移及扭轉影響的規(guī)律,計算結果表明,在盾構到達既有隧道正下方前及穿出既有隧道后,沉降量和扭轉幅度在一定范圍內隨頂進力和注漿壓力的增大而增大；盾構下穿既有隧道正下方階段,沉降量和扭轉幅度在一定范圍內隨頂進力和注漿壓力的增大而減小。施工過程中宜隨著盾構與既有隧道位置關系的改變,及時調整各項施工技術參數,減小對上部隧道的影響,保證盾構順利掘進。

地鐵；盾構; 框架隧道; 沉降；扭轉；頂進力；注漿壓力

在城市地鐵建設中，經常出現(xiàn)新建隧道下穿既有隧道的情況，新建盾構隧道的掘進不可避免地對既有隧道產生影響。若不能正確的控制盾構掘進施工過程中各種參數，將導致既有運營隧道產生較大不均勻沉降與變形，影響既有隧道的安全運營。

何川等[1]采用室內相似模型試驗和三維有限元數值計算相結合的手段，對地鐵盾構隧道重疊下穿施工所引起的上方已建隧道縱向變位、縱向附加軸力和彎矩、橫向變形、橫向附加軸力和彎矩進行了深入研究。張迪等[2]采用ANSYS大型有限元軟件，對鐵路框架橋下土體不加固與加固兩種工況下，盾構下穿掘進中造成的鐵路框架橋的沉降及應力變化進行了分析。汪洋等[3]針對盾構法新建正交下穿隧道，采用室內相似模型試驗和三維有限元數值計算相結合的手段，得到圍巖條件、隧道凈距、頂推力等因素作用下盾構隧道正交下穿施工所引起的既有隧道的變形和附加內力分布變化規(guī)律。張海彥等[4]以某新建盾構隧道擬近距離垂直下穿蘇州地鐵1號線區(qū)間隧道為研究對象，采用有限元分析軟件對盾構隧道施工過程進行三維彈塑性數值模擬，分析不同間距時新建隧道垂直下穿對既有地鐵隧道的影響。張志強等[5]針對南京地鐵區(qū)間盾構隧道“下穿”玄武湖公路隧道的超近接施工力學行為，進行了三維有限元數值模擬研究。李磊等[6]針對上海地鐵新建11號線近距離穿越既有4號線，采用有限元數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，考慮既有隧道周圍土壓力的分布規(guī)律，研究了盾構下穿施工時土倉壓力和注漿壓力以及上穿施工時壓重范圍和壓重量對既有隧道變形的影響。方勇[7]等采用三維有限元方法對正交下穿盾構隧道施工進行模擬，分析新隧道動態(tài)掘進時既有隧道位移、變形和內力的變化規(guī)律。胡新朋等[8]針對盾構施工穿越城市內河、下穿既有隧道以及湖底施工、下穿古城墻等工程實例進行分析研究，提出了針對類似情況的應對技術措施。仇文革[9]等對重疊及交錯地鐵區(qū)間隧道，按不同凈距分為先上后下及先下后上施工，按平面應變問題模擬圍巖、支護結構及開挖過程，對應力場、位移場進行了計算模擬分析。王剛[10]等提出綜合利用專家調查、層次分析和模糊評判法對工程進行安全風險的初評和復評，在評估中采用數值模擬針對主要風險源進行量化分析，對潛在風險較大的影響因素根據計算結果，制定相應的安全風險應對措施加以控制。然而，目前相關研究中依然存在以下問題：(1)對于盾構隧道下穿公路框架隧道的研究較少；(2)研究多集中于隧道正交下穿對于上部隧道的影響，而實際中隧道正交下穿的情況較少；(3)對于下穿施工不同階段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技術參數影響的研究相對較少。

本文針對新建盾構隧道斜交下穿公路框架隧道，以寧波地鐵1號線世紀大道站—海晏北路站區(qū)間隧道下穿淺覆土市政公路框架隧道工程為依托，采用三維有限元數值分析方法，研究盾構下穿時，上方既有隧道的豎向位移、、水平位移、扭轉與盾構所在的位置、盾構機頂進力及注漿壓力的關系，找出下穿不同階段各項施工技術參數變化對于上部隧道沉降及變形影響的規(guī)律，并給出相應的建議。

1 工程概況

世紀大道站—海晏北路站左線區(qū)間隧道起止里程為：K16+081.289～K16+902.174，全長820.885 m。區(qū)間隧道斷面為單洞單線圓形隧道，本項目采用預制鋼筋混凝土管片，管片外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，寬度1 200 mm，厚度350 mm，混凝土強度等級為C50高強混凝土。上部江澄路隧道設計為雙向四車道，截面為長方形，框架結構，采用C30混凝土，頂端上覆土埋深為4 m，兩隧道豎向最小凈間距為7.2 m。

擬建場地第四系地層發(fā)育，為海相富水軟土地層，左線K16+380.000處區(qū)間地質剖面及新建隧道既有隧道豎向位置關系如圖1所示，盾構穿越的地層主要為③1層粉砂地層、③2層粉質黏土夾粉砂地層。

圖1 區(qū)間地質剖面及新建隧道既有隧道豎向位置關系(單位：m)

江澄路隧道的樁基礎與世海左線區(qū)間隧道的位置關系如圖2所示，盾構隧道與上部江澄路隧道斜交角度約為45°，盾構隧道左線位于江澄路隧道底對應環(huán)號：214～233環(huán)；江澄路隧道基坑采用“二級放坡”+“垂直開挖”，垂直開挖部分采用SMW工法樁(三軸水泥攪拌樁φ850@600 mm、內插H700×300×13×24型鋼)進行支護，在覆土完成后已經拔除回收，基坑中間設置φ800 mm立柱鉆孔灌注樁(未處理)，盾構隧道左線范圍內共3根，盾構隧道左線位于樁底對應環(huán)號：224～226環(huán)。

2 計算模型及掘進模擬

2.1 模型建立

采用FLAC3D有限元軟件對該工程建立有限元模型。根據地鐵設計圖紙及地質詳勘資料，確定隧道位置關系、距離、地層，根據新建隧道與既有隧道的埋深、交叉區(qū)域大小及地層情況，確定模型尺寸：模型沿新建隧道軸向取52 m、豎向取50 m、寬度取48 m。所有邊界條件均為位移邊界條件，其中模型四周及底面采用垂直約束，上表面為自由邊界。建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 模型整體網格圖

2.2 計算參數

根據圖1所示區(qū)間地質剖面，并結合地質詳勘報告，將土層概化為7層，計算中采用彈塑性方法得到初始地應力場，各地層基本物理力學參數見表1，鉆孔灌注樁采用FLAC3D中pile樁結構單元模擬。

表1 土體基本物理力學參數

管片襯砌與注漿層材料參數如表2所示。

表2 管片及注漿層物理力學參數

2.3 盾構掘進過程模擬

對于盾構施工過程的動態(tài)模擬，可以采用改變材參的方法來完成[11]。管片襯砌、注漿層都是預設單元，盾構機推進時，將土層材參改變?yōu)槎軜嫏C材參，同時沿徑向施加注漿壓力，綜合考慮刀盤面板、土艙壓力作用等因素對掘削面的作用，在掘削面施加頂進力，同時在盾構機后方管片上施加頂進反力。盾尾脫出一段距離后，激活管片襯砌單元和注漿層層單元。

掘進模擬過程中選取7組頂進力為基本計算工況，每組計算工況內，保持頂進力不變，改變注漿壓力數值，實際計算工況共計49組，詳細計算工況如表3所示。

表3 詳細計算工況

掘進模擬時，將掘進前的狀態(tài)設為參考狀態(tài)( 第0步)，第1步至第5步為下穿前掘進階段，掘進距離設為3 m/步，在第5步到達上部隧道右側墻邊緣正下方；第6步至14步為下穿掘進階段，掘進距離設為2 m/步，其中在第10步到達上部隧道正下方，第14步剛出隧道左側墻邊緣；第15步至第20 步為穿越后掘進階段，設為3 m/步，選取第4、10、15步掘進完成(依次為距離上部隧道右側墻3 m，位于上部隧道正下方，距離上部隧道左側墻3 m)重點分析。

2.4 監(jiān)控點的布置

為了較為全面的監(jiān)測上部框架隧道的沉降，在上部隧道左側墻、右側墻、中隔墻底部與頂部分別布置19個監(jiān)控點，沿新建盾構隧道軸線兩側各布置9個監(jiān)控點，兩相鄰監(jiān)控點之間距離相等，監(jiān)控點距離盾構隧道軸線的最大距離為26.57 m，同時選取位于盾構隧道軸線正上方的既有隧道橫截面ABCD分析上部隧道橫截面變形情況，監(jiān)控點的具體布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)控點布置

3 數值模擬結果分析

新建盾構隧道下穿施工對既有隧道影響最大的區(qū)域位于空間交叉區(qū)域附近[6]，同時為了減小邊界效應的影響，選擇監(jiān)測第4、10、15步掘進完成時(依次為距離上部隧道右側墻3 m，位于上部隧道正下方，距離上部隧道左側墻3 m)上部既有隧道的不均勻沉降，將掘進過程分為3個階段(盾構到達既有隧道正下方前、穿越既有隧道正下方及穿出既有隧道后)，分析施工過程中頂進力、注漿壓力的變化對于既有隧道的影響。

數值模擬過程中設置了兩個參數變量：注漿壓力和盾構機頂進力，為了分析某一參數對于試驗結果的影響，采取控制變量原則。分析頂進力對于既有隧道的影響時，選取注漿壓力為0.3 MPa保持不變，頂進力為8 000 kN(0.233 9 MPa)、9 000 kN(0.263 2 MPa)、10 000 kN(0.292 4 MPa)、11 000 kN(0.321 6 MPa)、1 2000 kN(0.350 9 MPa)、1 3000 kN(0.380 1 MPa)、14 000 kN(0.409 4 MPa)的7組工況；分析注漿壓力對于既有隧道的影響時，選取頂進力為12000 kN保持不變，注漿壓力為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa的7組工況。進行數據分析時，選取的監(jiān)控面為既有隧道位于盾構隧道軸線正上方的截面ABCD(如圖4)。

3.1 盾構到達既有隧道正下方前上部隧道不均勻沉降與變形

既有隧道位于掘削面前方時，新建隧道引起的地層損失對既有隧道的影響較小，隧道的整體沉降與側移也較小，圖5為盾構掘進至距上部隧道右側墻3 m時既有隧道橫截面ABCD變形圖，由圖可得，既有隧道將產生不均勻沉降、不均勻側移和扭轉。圖6為既有隧道不均勻沉降圖，由圖可以看出，右側墻沉降大于左側墻沉降，左右墻相對沉降說明既有隧道沿盾構掘進方向發(fā)生了扭轉，究其原因，右側墻距離掘削面較近，新建隧道引起的地層損失對其影響大于左側墻。盾構隧道軸線兩側監(jiān)控點沉降不對稱，軸線右側監(jiān)控點沉降大于左側監(jiān)控點沉降，部分左側墻甚至發(fā)生隆起，說明既有隧道沿自身軸線發(fā)生扭轉。

圖5 盾構掘進至距上部隧道右側墻3 m時橫截面變形(單位：mm)

圖6 盾構掘進至距右側墻3 m時既有隧道不均勻沉降

圖7為不同頂進力工況下，上部既有框架隧道最大沉降量變化折線圖，由圖分析可得，隨著掘削面頂進力的增大，既有隧道的沉降總體上呈增大的趨勢，同時既有隧道的側移量與扭轉幅度也亦隨之增加，頂進力每增加1 000 kN，沉降量約增加0.35 mm，頂進力為14 000 kN時，既有隧道沉降量最大為6.54 mm，左右墻最大沉降差為4.52 mm。

圖7 盾構掘進至距右側墻3 m時頂進力-最大沉降量關系

圖8 盾構掘進至距右側墻3 m時注漿壓力-最大沉降量關系

圖8為上部既有隧道最大沉降量隨注漿壓力變化折線圖，由圖可見，不同注漿壓力工況下沉降量差距較小，注漿壓力每增加0.05 MPa，沉降量增加約0.08 mm，說明盾構掘進至距右側墻3 m時，注漿壓力對于上部隧道的影響較小，隨著注漿壓力的增大，上部隧道不均勻沉降呈增大的趨勢，但增加的幅度較小，上部隧道的側移與扭轉亦呈增大的趨勢。

3.2 盾構下穿既有隧道正下方階段上部隧道不均勻沉降與變形

圖9為盾構掘進至上部隧道正下方時既有隧道橫截面ABCD變形圖，圖10為盾構掘進至上部隧道正下方時既有隧道不均勻沉降圖，由圖分析可得，當盾構機掘進至既有隧道正下方時，既有隧道不均勻沉降、不均勻側移均顯著增大，且上部隧道沿盾構隧道軸線與既有隧道軸線兩個方向的扭轉幅度較盾構到達正下方前增大。

圖9 盾構掘進至上部隧道正下方時橫截面變形(單位：mm)

圖10 盾構掘進至上部隧道正下方時既有隧道不均勻沉降

圖11 盾構到達既有隧道正下方時頂進力-最大沉降量關系

圖11為上部既有框架隧道最大沉降量隨頂進力變化折線圖，隨著掘削面頂進力的增加，既有隧道的最大沉降量呈減小的趨勢，究其原因，頂進力過小，無法平衡掘削面水土壓力，致使沉降增大，增大頂進力使沉降逐漸減小。頂進力為8 000 kN時既有隧道最大沉降為17.87 mm，左右墻最大沉降差為8.92 mm。頂進力為14 000 kN時，沉降量相對較小，各監(jiān)測點的最大沉降為15. 98 mm。

圖12為上部既有隧道最大沉降量隨注漿壓力變化折線圖，由圖可見，隨著注漿壓力的增大，既有隧道最大沉降量呈先減小趨勢，因為土體壓力一定時，注漿壓力越大，則注漿體的變形越小，提高注漿壓力可有效減小既有隧道沉降。

圖12 盾構位于既有隧道正下方時注漿壓力-最大沉降量關系

3.3 盾構穿出既有隧道后上部隧道不均勻沉降與變形

當盾構穿出上部隧道一段距離后，既有隧道的總體沉降量進一步增加并逐漸趨于穩(wěn)定，圖13與圖14為盾構穿出上部隧道后既有隧道橫截面變形圖與不均勻沉降圖，由圖分析可得，左側墻與右側墻沉降差明顯減小，隨著掘削面的遠離，既有隧道的扭轉效應逐漸消失，且出現(xiàn)了明顯的沉降槽，上部框架隧道位于盾構隧道正上方的位置沉降最大，向兩側逐漸減小。

圖13 盾構穿出上部隧道后既有隧道橫截面變形(單位：mm)

圖14 盾構穿出上部隧道后既有隧道不均勻沉降

圖15為上部既有框架隧道最大沉降量隨頂進力變化折線圖，由圖可見，既有隧道最大沉降量隨掘削面頂進力的增加而增加，不同頂進力工況下沉降量差距較小，說明下穿過程中頂進力的影響相對較小，頂進力每增加1 000 kN，沉降量增加約0.25 mm，頂進力為14 000 kN時，既有隧道沉降量最大為20.88 mm，左右墻最大沉降差為1.95 mm。

圖15 盾構穿出既有隧道后頂進力-最大沉降量關系

由圖16分析可得，不同注漿壓力工況下沉降量差距較小，說明盾構機穿出上部隧道后，注漿壓力對于上部隧道的影響較小。在一定的范圍內，上部隧道不均勻沉降隨著注漿壓力的增加呈減小的趨勢，但當注漿壓力超過一定的限度，過大的注漿壓力反而會增加既有隧道的沉降。盾構穿出既有隧道后宜減小注漿壓力。

圖16 盾構穿出既有隧道后注漿壓力-最大沉降量關系

4 結論及建議

通過三維有限元分析，對盾構掘進對上部框架隧道的影響進行研究，可得到如下結論與建議。

(1)盾構隧道斜交下穿施工時，既有隧道將會發(fā)生不均勻沉降，同時沿著盾構推進方向和自身軸線方向發(fā)生不均勻扭轉。沉降和扭轉的最大值發(fā)生在新建隧道的正上方。其中，最大沉降發(fā)生在盾構機通過既有隧道下方后，最大扭轉發(fā)生于掘削面位于既有隧道正下方時。

(2)盾構到達既有隧道正下方之前，既有隧道整體沉降量較小，既有隧道沿盾構掘進方向與自身軸線發(fā)生扭轉，此時頂進力的影響較大，不均勻沉降與扭轉隨頂進力增大而增大，注漿壓力的影響則相對較小，不均勻沉降和扭轉隨注漿壓力的增大而增大。

(3)盾構下穿既有隧道正下方階段，既有隧道不均勻沉降與扭轉幅度進一步增加，隨著掘削面頂進力的增加，既有隧道的最大沉降量呈減小的趨勢；注漿壓力的影響相對較大，在一定的范圍內，上部隧道不均勻沉降隨著注漿壓力的增加呈減小的趨勢，但過大的注漿壓力不利于減小沉降。

(4)當盾構穿出上部隧道一段距離后，既有隧道的總體沉降量進一步增加并逐漸趨于穩(wěn)定，同時扭轉效應逐漸消失，此時頂進力與注漿壓力的影響均較小，沉降隨頂進力增大而增大，一定范圍內隨注漿壓力的增大而減小。

(5)盾構斜交下穿既有框架隧道，為防止上部隧道產生較大沉降及變形，需隨著盾構與既有隧道位置關系的改變，及時調整各項施工技術參數，根據數值模擬結果分析，并結合實際施工中盾構掘進參數選取經驗，給出建議如下：盾構未到達既有隧道正下方前，適宜的頂進力為10 000～11 000 kN，注漿壓力宜選取0.2～0.3 MPa；盾構掘進至既有隧道正下方時，應適當增加頂進力與注漿壓力，建議采用12 000～13 000 kN頂進力，0.3～0.35 MPa注漿壓力。盾構穿出既有隧道后，頂進力與注漿壓力應適當減小，建議選用的頂進力為11 000～12 000 kN，注漿壓力值為0.25～0.3 MPa.

[1]何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響[J].土木工程學報，2008(3):91-98.

[2]張迪，周慶九，卓旭陽，姚捷.大型盾構隧道穿越鐵路框架橋的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2013(6):131-138.

[3]汪洋，何川，曾東洋，蘇宗賢.盾構隧道正交下穿施工對既有隧道影響的模型試驗與數值模擬[J].鐵道學報，2010(2):79-85.

[4]張海彥，何平，秦東平，李璐.新建盾構隧道垂直下穿對既有隧道的影響[J].中國鐵道科學，2013(2):66-70.

[5]張志強，何川.南京地鐵區(qū)間盾構隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關鍵技術研究[J].巖土力學，2005(11):20-25.

[6]李磊，張孟喜，吳惠明，王永佳. 近距離多線疊交盾構施工對既有隧道變形的影響研究[J]. 巖土工程學報，2014(6):1036-1043.

[7]方勇，何川. 盾構法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J].鐵道學報，2007(2):83-88.

[8]胡新朋，孫謀，王俊蘭.盾構隧道穿越既有建筑物施工應對技術[J]. 現(xiàn)代隧道技術，2006(6):60-65.

[9]仇文革，張志強. 深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數值模擬分析[J]. 鐵道標準設計，2000(S1):41-42.

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[11]方勇，何川. 平行盾構隧道施工對既有隧道影響的數值分析[J].巖土力學，2007(7):1402-1406.

Numerical Simulation of Oblique Subway Shield Tunneling Undercrossing Existing Frame Tunnel

GUO Jian-ning, YANG Zhi-hao, XU Chen, FANG Yong

(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

New shield tunnels are often undercrossing existing tunnels. To study the influence of new shield tunnel construction on existing frame tunnel with reference to Ningbo Metro Line 1 Century Avenue Station-Haiyan North Road Station tunnel undercrossing shallow municipal highway tunnel, this paper applies three-dimensional finite element numerical analysis to study the effects of jacking force, grouting pressure on the upper frame tunnel settlement, lateral displacement and torsion in three undercrossing stages (to reach the existing tunnel, to pass through the existing tunnel and to come out of the existing tunnel). The results show that: both before and after the shield piercing below the existing tunnel, the magnitude of settlement and the reverse within a certain range increases with the increase in jacking force and grouting pressure; when shield just piercing below the existing tunnel, the magnitude of settlement and reverse within a certain range decreases with the increase in jacking force and grouting pressure. Thus, it is recommended to timely adjust the technical parameters of shield with the change of shield positional relationship with the existing tunnel, and to reduce the impact on the upper tunnel for a smooth shield construction.

Subway; Shield; Frame tunnel; Settlement; Torsion; Jacking force; Grouting pressure

2014-11-08；

2014-12-12

國家自然科學基金(51278422)；國家科技支撐計劃課題(2012BAG05B03)；四川省青年科技基金(2012JQ0021)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金( SWJTU11ZT33)

方 勇(1981—)，男，副教授，博士，主要從事隧道及地下工程方面的研究，E-mail：fy980220@swjtu.cn。

1004-2954(2015)08-0112-06

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.024