高 東，汪東林(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

盾構(gòu)隧道正交下穿既有隧道的影響性分析

高 東，汪東林
(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

基于某地鐵開(kāi)挖區(qū)間隧道盾構(gòu)正交下穿既有隧道工程，用有限元軟件MIDAS GTS/NX對(duì)隧道盾構(gòu)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，分析了新隧道盾構(gòu)下穿施工對(duì)地表和既有隧道的影響。結(jié)果表明：新盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時(shí)，襯砌的變形主要在豎直方向，對(duì)在水平方向的變形影響較?。患扔兴淼酪r砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降，正交位置附近沉降值最大，隧道變形在安全的限度范圍內(nèi)。

隧道盾構(gòu)；仿真模擬；正交下穿；地表沉降

隨著城市的快速發(fā)展，越來(lái)越多的城市開(kāi)始興建軌道交通，給人們帶來(lái)方便的同時(shí)，也產(chǎn)生了較多的安全問(wèn)題。隧道開(kāi)挖造成地層損失，對(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，導(dǎo)致應(yīng)力重分布、應(yīng)力集中等問(wèn)題。開(kāi)挖卸荷會(huì)引起地表沉降、建筑物開(kāi)裂、管道破損、樁基失穩(wěn)等一系列問(wèn)題[1]。在城市地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中不可避免會(huì)出現(xiàn)隧道下穿既有隧道的情況，新開(kāi)挖盾構(gòu)隧道會(huì)造成既有隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，同時(shí)也會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一定的影響，施工不當(dāng)會(huì)造成既有隧道穩(wěn)定性的破壞，影響其正常使用[2]。在以前的研究中，汪洋等[3]結(jié)合廣州地鐵隧道開(kāi)挖分析了盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道的影響，康佐[4]等以西安地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道為背景，研究了盾構(gòu)隧道正交施工對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降的影響。本文通過(guò)對(duì)合肥某地鐵盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程的三維模擬，顯示開(kāi)挖過(guò)程對(duì)已建隧道變形和地層沉降的影響，確保隧道開(kāi)挖對(duì)已建隧道的影響在安全限度范圍內(nèi)。

1 工程概況

本工程為合肥某地鐵開(kāi)挖區(qū)間段盾構(gòu)隧道，區(qū)間內(nèi)存在盾構(gòu)隧道下穿已建隧道的情況。隧道為單洞單線(xiàn)圓形隧道,直徑為6 m,新開(kāi)挖隧道的覆土厚度為25 m，已建隧道的覆土厚度為12 m，正交下穿隧道最小距離為6 m,隧道襯砌管片環(huán)由C50 鋼筋混凝土制成，管片環(huán)外徑為6 m，內(nèi)徑為 5.4 m，管片厚度 0.3 m，幅寬 1.5 m，注漿層由C30混凝土澆筑。土體從上到下分別為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。既有隧道穿越土層主要為粉質(zhì)黏土層,新開(kāi)挖隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂層。

工程地質(zhì)情況如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 建模

2.1 模型概況

本文用有限元軟件MIDAS GTS/NX進(jìn)行仿真模擬。模型尺寸為45 m×45 m×45 m,符合盾構(gòu)區(qū)臨近3～5倍隧道開(kāi)挖直徑，達(dá)到消除邊界效應(yīng)影響的目的[5-6]。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型[7]，管片采用彈性模型[8]，襯砌厚30 cm,寬1.5 m，管片與圍巖間存在注漿層，厚度取15 cm，盾構(gòu)機(jī)的頂推力為300 kN/m2，管片的千斤頂力為120 kN/m2，注漿壓力為200 kN/m2。土層的具體參數(shù)見(jiàn)表1，有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

2.2 分析工況

對(duì)于盾構(gòu)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，可以采用單元“激活”和“鈍化”的方式進(jìn)行，在掘削面施加掘進(jìn)壓力(0.3 MPa)，在管片法向施加注漿壓力(0.2 MPa)，在盾殼后方管片上施加頂進(jìn)反力(0.15 MPa)。先對(duì)既有隧道進(jìn)行仿真開(kāi)挖，第一步：鈍化第一個(gè)盾構(gòu)單元，添加掘進(jìn)壓力；第二步:鈍化第二個(gè)盾構(gòu)單元，激活第一個(gè)管片和襯砌，并施加掘進(jìn)壓力、注漿壓力和頂管推力；第三部:鈍化第三個(gè)盾構(gòu)單元，激活第二個(gè)管片和襯砌，并施加掘進(jìn)壓力、注漿壓力和頂管推力。按此步驟直到上部隧道開(kāi)挖結(jié)束，然后對(duì)新建隧道進(jìn)行仿真開(kāi)挖，步驟和既有隧道開(kāi)挖過(guò)程相同。

3 結(jié)果分析

通過(guò)三維有限元軟件的模擬，能夠得到新開(kāi)挖盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響和對(duì)地層沉降的影響。

3.1 既有盾構(gòu)隧道對(duì)管片變形和地層沉降的影響

圖2～圖5為既有盾構(gòu)隧道對(duì)地層沉降和管片變形的影響。

圖2 既有盾構(gòu)隧道對(duì)地表沉降的影響圖 圖3 既有隧道管片X軸方向位移圖

圖4 既有隧道管片Y軸方向位移圖 圖5 既有隧道管片Z軸方向位移圖

由圖2可知，地層沉降最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)區(qū)的上方，最大沉降值為3.8 mm。由圖3～圖5可知，管片在X軸方向的最大位移值為13.3 mm,在Y軸方向的最大位移值為5.21 mm,在Z軸方向管片存在沉降和隆起兩種情況，沉降最大值為7.4 mm,隆起最大值為9.7 mm,隧道開(kāi)挖的沉降變形預(yù)警值是20 mm[9],既有隧道盾構(gòu)造成的變形均在安全限度范圍內(nèi)，但在X軸方向的變形值相對(duì)較大，因此，在管片拼裝時(shí)要重視管片間的銜接，防止管片出現(xiàn)開(kāi)縫，導(dǎo)致隧道滲漏。

3.2 新盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道總變形和地層總沉降的影響

圖6～圖9為新盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道管片和地層的影響云圖。由圖6可知，地層沉降的最大值為4.3 mm，新隧道盾構(gòu)對(duì)地層沉降值影響較小，僅增加0.5 mm。由圖7～圖9可知，管片在X軸方向的最大位移值為13.4 mm,在Y軸方向的最大位移值為5.23 mm,在Z軸方向管片的最大沉降值為7.8 mm，最大值隆起值為9.3 mm，都小于隧道變形預(yù)警值，對(duì)隧道安全性沒(méi)有影響。新盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道管片襯砌在X軸方向的位移影響僅0.1 mm，Y軸方向的影響為0.02 mm，Z軸方向的影響為0.4 mm。因此，新開(kāi)挖隧道對(duì)既有隧道管片在X和Y軸方向的影響較小，主要是對(duì)Z軸方向的影響。

圖6 新盾構(gòu)隧道對(duì)地表沉降的影響圖 圖7 新盾構(gòu)隧道管片X軸方向位移圖

圖8 新盾構(gòu)隧道管片Y軸方向位移圖 圖9 新盾構(gòu)隧道管片Z軸方向位移圖

3.3 新盾構(gòu)隧道管片的變形情況

圖10～圖12為新開(kāi)挖隧道管片的變形情況，管片在X軸方向的最大位移值為1.2 mm,在Y軸方向的最大位移值為3.4 mm,在Z軸方向的最大沉降值為6.9 mm,最大隆起值為2.9 mm，都在變形的安全限度范圍內(nèi)。較上部既有隧道開(kāi)挖對(duì)管片變形影響較小，因?yàn)樾露軜?gòu)隧道在較堅(jiān)硬地層，開(kāi)挖后的地層固結(jié)后變形較小，對(duì)隧道的影響也較小。

圖10 新盾構(gòu)隧道襯砌X軸方向位移圖 圖11 新盾構(gòu)隧道襯砌Y軸方向位移圖

圖12 新盾構(gòu)隧道襯砌Z軸方向位移圖 圖13 既有隧道沉降位移圖

3.4 新隧道盾構(gòu)對(duì)既有隧道的影響

圖13～圖16為新隧道盾構(gòu)對(duì)既有隧道變形的影響。

圖14 前掘進(jìn)過(guò)程對(duì)既有隧道襯砌變形影響曲線(xiàn) 圖15 后掘進(jìn)過(guò)程對(duì)既有隧道襯砌變形影響曲線(xiàn)

由圖13可知，管片的最大變形出現(xiàn)在新盾構(gòu)隧道的正上方，最大沉降值為1.1 mm。在圖14～圖15中，s1～s16為新隧道掘進(jìn)步數(shù)，s1～s8是新隧道從開(kāi)始開(kāi)挖到既有隧道中軸線(xiàn)時(shí)每個(gè)掘進(jìn)步數(shù)對(duì)應(yīng)的既有隧道管片的變形曲線(xiàn)。s9～s16是新隧道從既有隧道中軸線(xiàn)開(kāi)挖到結(jié)束時(shí)每個(gè)掘進(jìn)步數(shù)對(duì)應(yīng)的既有隧道管片的變形曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)的疏密程度可以看出：離既有隧道中軸線(xiàn)越近，管片的沉降速度越快，越過(guò)既有隧道中軸線(xiàn)后，管片的沉降速度變慢，但沉降值還在增加。圖16為新盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道的最終變形影響，變形曲線(xiàn)符合正態(tài)分布，新開(kāi)挖隧道對(duì)既有隧道的影響較小。

圖16 既有隧道襯砌沉降曲線(xiàn)

4 結(jié)論

通過(guò)有限元分析軟件MIDAS GTS/NX對(duì)新盾構(gòu)隧道正交下穿既有隧道的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論:

(1)既有隧道的開(kāi)挖對(duì)地表和管片的影響都在安全限度范圍內(nèi)，在隧道軸向的變形相對(duì)較大，所以在管片拼裝時(shí)要注意管片間的銜接，防止隧道出現(xiàn)滲漏。

(2)新盾構(gòu)隧道對(duì)地表的沉降影響較小，僅造成0.5 mm的地層沉降，對(duì)既有隧道水平方向的影響較小，主要是豎直方向的影響。新盾構(gòu)隧道的管片變形也較小，都在安全限度范圍內(nèi)。

(3)新盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道的影響符合正態(tài)分布，對(duì)既有隧道的變形影響較小，變形值僅1.1 mm。

[1] 何川,封坤,方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,50(1):97-109.

[2] 夏元友,張亮亮,王克金.地鐵盾構(gòu)穿越建筑物施工位移的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué),2008,29(5):1411-1418.

[3] 汪洋,何川,曾東洋,等.盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道影響的模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].鐵道學(xué)報(bào), 2010,32(2):79-85.[4] 康佐,代光輝.地鐵盾構(gòu)法隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道影響分析[J].隧道建設(shè),2014,34(10):931-936.

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Analysis on influence of orthogonal tunneling on shield tunnel

GAO Dong，WANG Dong-lin
(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Based on the tunneling process of the subway excavation tunnel, the shield tunneling process is simulated by the finite element software MIDAS GTS/NX, and the influence of shield tunneling on the surface and existing tunnels was analyzed. The results show that the deformation of the lining is mainly in the Z-axis direction, which has little effect on the deformation in the X-axis and Y-axis directions when the new tunnel is tunneled through the existing tunnel. The existing tunnel lining structure appears uneven settlement, the maximum value appears near the orthogonal position, and the tunnel deformation is within the limits of safety.

tunnel shield; analogue simulation; perpendicular undercrossing; ground surface settlement

2017-02-23

安徽省教育廳教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2015jyxm252)；安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國(guó)外訪(fǎng)學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目(gxfxZD2016128)

高 東(1992—)，男，山東臨沂人，碩士研究生。

1674-7046(2017)02-0028-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.006

U25

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