昝子卉廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州510000

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盾構近距離上跨施工對既有線隧道的變形影響

昝子卉
廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州510000

摘要：針對盾構近距離上跨施工對既有線的影響預測問題，采取有限元數值計算方法，以某地鐵盾構隧道小間距上跨既有線隧道施工為例，通過Midas-GTS有限元軟件建三維模型，對既有線的豎向和水平變形進行分析研究.將數值計算結果與施工自動化監(jiān)測結果對比，驗證了數值計算分析的合理性.結果顯示盾構上跨施工導致既有線發(fā)生上浮，且盾構施工對水平向的變形影響遠小于豎向，受影響范圍主要在盾構與既有線交叉點兩側各1倍洞徑范圍內.該研究為類似工程采取針對性措施提供了參考依據.

關鍵詞：既有隧道；數值計算；自動化監(jiān)測；變形

1　引　言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，因受城市規(guī)劃、地質水文等各種復雜條件的限制，新建地鐵隧道不可避免會出現以較小間距穿越既有運營線的情況.這種工況下出于運營安全要求對既有線變形指標控制非常嚴格，以《深圳市軌道交通安全保護區(qū)域施工管理辦法》的規(guī)定為例，要求控制隧道結構絕對沉降量及水平位移量≤10 mm，隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，隧道的相對變曲≤1/2 500，如何有效控制新建隧道對既有線的影響成為建設各方重點關注的問題.盾構法能很好地控制地層變形，在對地層變形控制嚴格的上跨（下穿）既有線的情況下往往成為首選.

仇文革［1］在論文中，對地下工程近接施工的近接度、分區(qū)指標表達式進行了研究，給出了解決適用的方法，有數值模型分析法、仿真模型試驗法、現場真實驗證等；瞿婧晶［2］以南京明園地下過街通道近距離穿越南京地鐵二號線項目為依托，采用現場監(jiān)測和有限元數值模擬相結合的研究方法，對盾構近距離上穿越對已建隧道的影響進行研究，得出了交疊隧道盾構施工影響規(guī)律；LOK W［3］在處理新加坡交通線路巖體為回填土的四洞并行隧道時，根據現場量測結果，對巖體的位移、襯砌的內力進行了深入分析，新建隧道開挖期間的受力圖和既有隧道的沉降圖.

目前國內對隧道下穿既有線的研究較多，但對以小間距甚至極小間距上跨既有線的工程尚不太多［4-8］，因此很有必要對其理論和實踐進行系統(tǒng)研究.本文以深圳地鐵9號線紅大區(qū)間以小間距上跨已運營的1號線礦山法隧道為例，采用數值模擬分析方法，對盾構施工的全過程進行動態(tài)模擬.研究盾構施工對上跨的既有地鐵隧道的影響，并與施工中自動化監(jiān)測的結果對比，總結上跨既有線的變形規(guī)律及經驗，以期為類似工程提供一定的借鑒.

2　上跨施工對既有隧道變形影響理論分析

新建的上跨隧道對既有隧道產生的影響主要是通過擾動其周邊的巖土，使得圍巖壓力發(fā)生變化，進而影響既有隧道的受力狀態(tài).兩隧道的作用形態(tài)與隧道的相互位置關系、開挖方式、地質和水文都密切相關.隨著開挖面不斷向前推進，其隧道襯砌支護力也在不斷下降，隧道變形隨之而來.如兩個隧道距離很近，一旦他們各自的應力變化較大區(qū)域出現交疊形成一體時，會產生很大的松弛范圍［9］.導致兩隧道的夾層土處于不穩(wěn)定狀態(tài)，兩隧道的襯砌應力也會發(fā)生很大變化.鄰近新建隧道開挖使得夾層土體受到擾動，地層的擾動傳播到既有隧道，支護結構與夾層土體之間產生力的作用. a.上跨隧道開挖前，既有隧道受到上部土體荷載［受力示意圖見圖1（a）］.上跨隧道開挖后，卸載了上部土體，產生卸載土彈簧反力f1，使得既有隧道發(fā)生上浮［受力示意圖見圖1（b）］，b.開挖范圍內原有的土體荷載轉移到開挖兩側，相當于既有隧道的兩側施加壓力，導致既有隧道兩側支撐反力加大q1，使得開挖區(qū)產生土彈簧反力f2，使得既有隧道結構上?。凼芰κ疽鈭D見圖1（b）］.由于上述兩種原因疊加下，下部隧道可能發(fā)生局部上浮，導致不均勻沉降，還可能發(fā)生整體彎曲［10］

圖1　施工前后既有隧道受力示意圖（a）施工前既有隧道受力示意圖；（b）上跨隧道施工后既有隧道受力示意圖Fig. 1　Schematic diagrams of existing tunnel force before and after construction. （a）Diagram of existing tunnel force before comstruction；（b）Diagram of existing tunnel force after construction

3　工程概況

深圳地鐵9號線紅嶺站～大劇院站區(qū)間采用盾構法施工，盾構從大劇院站始發(fā)，在深南中路路口上跨既有地鐵1號線科大區(qū)間、地鐵2號線燕大區(qū)間，沿紅嶺中路北行，最后到達紅嶺站吊出.區(qū)間隧道與1號線平、剖位置關系見圖2、圖3，本區(qū)間隧道主要位于中粗砂、硬塑狀礫質粘性土層，1號線科大區(qū)間為礦山法隧道底部位于花崗巖強風化層，9號線與1號線之間夾土地層為可塑狀礫質粘性土，凈間距最小為0.7～1.0 m.由于地鐵9號線盾構隧道與地鐵2號線燕大區(qū)間凈距12 m大于1.5倍盾構直徑，其相互影響較?。?1］本文重點研究9號線紅大區(qū)間以小間距上跨1號線的影響規(guī)律.

地層的主要物理力學參數見表1.

圖2　區(qū)間隧道平面位置關系Fig. 2　Relation of planimetric position of section tunnel

圖3　區(qū)間隧道剖面位置關系Fig. 3　Relation of profile position of section tunnel

表1　地層物理力學參數Tab. 1 Physical and mechanical parameters of strata

4　盾構上跨既有隧道數值模擬計算和分析

4.1模型建立和參數選取

采用巖土隧道結構有限元軟件Midas-GTS建立數值模型，重點分析盾構施工各個步驟對既有地鐵隧道的影響，根據1號線與9號線的相對位置，為避免邊界條件對分析結果的影響，取模型長60 m，寬45 m，高30 m，計算模型界面上的邊界條件（除地表）分別約束該方向上的平動自由度，計算模型如圖4所示.

圖4　數值計算模型Fig. 4 Numerical simulation model

模型基本假定：采用三維實體Mohr-Coulomb本構模型，初期支護包括格柵鋼架與噴射混凝土，按彈性模量等效的原則折算成具有一定彈性模量的梁單元［12］，模型中，初期支護采用梁單元彈性模型.為了形象的反應施工的過程，在分析中，擬定開挖時荷載釋放50%，加載管片時荷載釋放50%.

數值計算過程中，應力—應變關系和強度準則是否較準確的模擬巖土的力學行為和變形，直接決定了數值模擬的精度. Mohr - Coulomb模型作為一種傳統(tǒng)的固體材料彈塑性的本構模型可以反映在土體開挖中施工的應力路徑，一些室內試驗結果表明，該破壞準則與實際試驗結果非常接近，其反應的巖土材料的剪切破壞特性也與材料的實際破壞情況較為符合［13］.本文采用線彈性模型模擬土體彈性變形階段，采用Mohr-Coulomb本構模型模擬土體塑性變形，利用Midas-GTS有限元軟件研究地鐵9號線上跨既有1號線的盾構施工過程是合適的.

施工步驟定義如下：首先進行初始地基應力分析；而后修建1號線礦山法隧道；再開挖9號線左線盾構隧道（每次向前推進1.5 m—1環(huán)管片）；再后修建9號線右線盾構隧道（每次向前推進1.5 m—1環(huán)管片）.

下面選取如下6個典型步驟分析9號線盾構隧道上穿1號線礦山法隧道時對礦山法隧道產生的影響.

步驟一：9號線左線盾構隧道推至1號線礦山法隧道右線正上方時；

步驟二：9號線左線盾構隧道推至1號線礦山法隧道左線正上方時；

步驟三：9號線左線盾構隧道推至模型邊界；

步驟四：9號線右線盾構隧道推至1號線礦山法隧道右線正上方時；

步驟五：9號線右線盾構隧道推至1號線礦山法隧道左線正上方時；

步驟六：9號線右線盾構隧道推至模型邊界. 4.2計算分析與結果

下部的1號線既有隧道主要承受上覆地層重量及地面荷載產生的豎向壓力，及開挖過程中盾構對地層產生的壓力.隨著上部的9號線盾構推進，在上下隧道交叉點位置下部的1號線隧道出現向上的隆起，遠離交叉點的兩側1號線隧道出現向下的沉降.限于篇幅，本文僅給出典型步驟一，步驟三、步驟四、步驟六的數值分析結果，以體現盾構施工過程對下部隧道的影響.

圖5　數值計算結果（隧道變形）Fig. 5 Numerical simulation results（tunnel deformation）

數值計算分析1號線變形云圖結果見圖5.4.2.1盾構施工對既有線豎向變形的影響為研究盾構對先后上跨的1號線左、右線的豎向變形影響，將盾構與1號線右、左線交叉點拱頂豎向位移對比見圖6.

圖6　數值計算結果（豎向）Fig. 6 Numerical simulation results（vertical）

從圖6對比可以看出隨著上跨9號線盾構的掘進，既有隧道整體呈上浮趨勢（正值代表上浮）.當盾構推進至1號線右線上方時，既有的1號線右線開始上浮，盾構推至1號線左線外輪廓后1號線右線上浮基本穩(wěn)定，當9號線雙線通過后，1號線右線上浮達到峰值1.032 mm；當9號線右線盾構盾構穿越1號線上方時，1號線右、左線的變形影響變化規(guī)律一致，但是可以看出1號線右線拱頂豎向變形大于左線豎向變形，盾構施工對1號線右線的影響大于對1號線左線的影響，即豎向上盾構對先穿越的隧道的影響大于后穿越的隧道的影響.

4.2.2盾構施工對既有線水平變形的影響為研究盾構對先后上跨的兩個隧道的水平變形影響，將1號線右、左線水平位移對比見圖7.

圖7　數值計算結果（水平）Fig. 7 Numerical simulation results（horizontal）

新建地鐵9號線盾構推進過程中不僅對既有1號線隧道產生豎向的影響，也會產生水平向的影響，數值模擬計算的結果表明：整體上既有1號線產生沿著盾構推進方向的水平變形（峰值為0.94 mm），隨著盾構推進既有1號線隧道偏移量累積增加.當9號線盾構脫離影響范圍后，1號線水平位移有所回調，從圖7可以看出，盾構施工對1號線左、右線的影響變形規(guī)律大致一致，但是對左線的影響大于右線，即水平方向上盾構對先穿越的隧道的影響小于后穿越的隧道的影響.

5　自動化監(jiān)測結果對比與分析

施工監(jiān)測作為盾構施工過程中的重要一環(huán)，它既是隧道施工安全的保證，又是對盾構參數及洞內注漿進行調整的重要依據，而且積累完整準確的地下工程開挖與支護監(jiān)測結果，對于總結工程經驗，完善設計很有價值.本工程為確保上部盾構施工隧道和下部既有線運營安全，考慮到1號線運營要求采用自動化監(jiān)測的方案，利用夜間非運營時段在1號線洞內布置測點，測點現場布置圖見圖8.下面結合自動化監(jiān)測數據對既有線變形規(guī)律進行分析對比.

圖8　自動化監(jiān)測現場照片Fig. 8　Photo of automatic monitoring sites

1號線與9號點盾構四個交叉點拱頂位置（6727/7545/6643/6625測點）自動化監(jiān)測的時程曲線如圖9.

圖9　自動化監(jiān)測結果Fig. 9 Automatic monitoring results（a）Monitoring curve of intersection point between L9 left line and L1 right line；（b）Monitoring curve of intersection point between L9 left Line and L1 left line

從自動化監(jiān)測結果看出，最大豎向位移（隆起）發(fā)生在先穿越的1號線右線拱頂位置（6727測點和6745測點）最大位移分別為2.9 mm和2.1 mm，而對于后穿越的1號線左線的拱頂（6643測點和6625測點）最大位移僅為0.1 m和0.12 mm；從上述分析可以看出盾構施工對先上跨的1號線右線的影響明顯大于對后通過的1號線左線的影響，這一結論與數值模擬結論相符.

為反映數值模擬計算結果的可靠性，下面將盾構與既有線右線兩個交叉點拱頂6745和6727測點的數值模擬計算結果與自動化監(jiān)測結果對比如圖10.

圖10　自動化監(jiān)測與數值計算結果對比（a）測點6745；（b）測點6727Fig. 10 Comparison between automatic monitoring and numerical calculation（a）Monitor NO.6745；（b）Monitor NO.6727

從圖10對比可以看出：盾構與既有線的交叉點拱頂豎向變形的數值模擬計算結論基本上符合既有線的實際變形情況，兩者反映的變化規(guī)律一致.由于理論模擬時簡化了實際的施工過程，導致結果上有一定的偏差；施工中的操作不同也可能導致既有線偏移的突然改變.但可以得出結論：數值模擬的結果與既有線實際偏移的基本趨勢是相符的；實際偏移幅度與數值模擬的結果偏差在工程可接受的范圍內.

6　結　語

該區(qū)間已經于2014年底順利洞通，穿越過程中下部1號線正常運營未受到影響，1號線隧道的變形控制在較小的范圍內，該工程實踐證實盾構以小間距上跨既有線施工的可行性，結合該工程實踐可以總結以下經驗：

1）隨上部盾構隧道的掘進，豎向上：既有線拱頂由沉降逐漸產生向上隆起變形，隆起值最大位置位于上下隧道交叉點，盾構對先穿越的既有隧道影響大于后穿越的隧道；水平向上：既有隧道整體產生沿著盾構推進方向的水平位移，盾構通過影響區(qū)后水平變形穩(wěn)定，盾構對先穿越的既有隧道影響小于后穿越的隧道；盾構施工對既有線水平方向的變形明顯小于豎向變形影響.盾構參數及措施選取得當的情況下可以控制下部既有隧道的最大位移變化值均滿足要求≤20 mm.

2）自動化監(jiān)控量測的數據與數值模擬的結果變形規(guī)律一致，且均在一個數量級誤差在工程可以承受的范圍之內.證明數值模擬的結果對工程實施是可靠的.

3）盾構穿越對既有線的影響范圍主要在盾構與既有線交叉點兩側各1倍洞徑范圍內，在范圍外盾既有線的受到盾構施工影響較小.

4）本工程案例對盾構以90°正穿既有線，且地層相對較穩(wěn)定，本文總結相關經驗可供類似工程情況參考，對于上跨隧道以大角度跨斜穿既有隧道及地層軟硬變化較大時適用性尚有待驗證.

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本文編輯：龔曉寧

Influence of Up?Crossing Shield Tunnel Construction on Deformation of Adjacent Existing Tunnels

ZAN Zihui
Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510000，China

Abstract：For predicting the influence of existing tunnel caused by up?crossing construction，taking a shield tunnel up?crossing construction as a case，we established the 3D model by using Midas?GTS software to study the vertical and horizontal deformation. The rationality of the numerical analysis was proved by comparing the simulation and the automatic monitoring results during construction. The results show that the shield construc?tion uplifts the existing tunnel and the horizontal deformation is far less than the vertical. The influenced area is in the range of one tunnel diameters from each side of the cross points of the shield and existing tunnel，which provides a reference for similar projects.

Keywords：existing tunnel；numerical method；automatic monitoring；deformation

作者簡介：昝子卉，碩士，工程師. E-mail：290324307@qq.com

收稿日期：2015-11-17

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0061 - 07

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 011