董志偉 陳俊生 寶青峰

摘 要：以深圳北環(huán)電纜隧道南線(xiàn)下穿深圳既有地鐵 2 號(hào)線(xiàn)崗廈北站—華強(qiáng)北站區(qū)間工程為依托，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析新建電纜盾構(gòu)隧道近距離下穿地鐵線(xiàn)路時(shí)對(duì)既有地鐵的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，既有地鐵的豎向沉降隨著電纜隧道與既有地鐵交叉角度的增加而減小;電纜隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，最大沉降值發(fā)生在掘進(jìn)掌子面后方 15～20m;數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)接近。

關(guān)鍵詞：地鐵;電纜盾構(gòu)隧道;下穿既有地鐵;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U455

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和最大化利用城市空間，相繼出現(xiàn)新建隧道近距離下穿既有隧道的情況[1-2]。為了得到新建盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有隧道的影響規(guī)律，近年來(lái)，學(xué)者從理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方面進(jìn)行了大量有價(jià)值的研究。房明等（2016）[3]應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論，建立了隧道交叉施工關(guān)于沉降變形的計(jì)算模型;張曉清等（2015）[4]借用室內(nèi)模型試驗(yàn)，采用排液法，比較了新建隧道與既有隧道的不同位置對(duì)地面沉降的影響;李磊等（2014）[5]以上海地鐵新建11號(hào)線(xiàn)近距離穿越既有4號(hào)線(xiàn)為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，分析了盾構(gòu)下穿施工時(shí)的土倉(cāng)壓力和注漿壓力對(duì)既有隧道變形的影響;袁大軍等（2018）[6]以深圳地鐵9號(hào)線(xiàn)雙線(xiàn)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵4號(hào)線(xiàn)為背景，對(duì)既有隧道變形、受力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析了盾構(gòu)下穿引起既有隧道變形特征，并提出了既有隧道變形控制方法。

本文以深圳北環(huán)電纜隧道南線(xiàn)工程為背景，采用數(shù)值模擬分析方法研究交叉角度對(duì)既有地鐵的影響規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析新建電纜隧道對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵的影響特性，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

深圳北環(huán)電纜隧道南線(xiàn)含1條主線(xiàn)，2條支線(xiàn)，南線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間總長(zhǎng)3 844.778 m，線(xiàn)路起于筆架山公園力能加電站，向南下穿筍崗西路、中心公園、地鐵3號(hào)線(xiàn)、紅荔路、振華路、中心公園、地鐵2號(hào)線(xiàn)，沿彩田路向北至華富三路（終點(diǎn)）。

深圳北環(huán)新建電纜隧道在下穿深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)時(shí)，電纜隧道與既有地鐵外邊線(xiàn)相交。相交的地鐵區(qū)域位于崗廈北站—華強(qiáng)北站區(qū)間，新建盾構(gòu)隧道與既有地鐵的凈距僅為3.9 m。電纜隧道先后穿越地鐵右線(xiàn)和左線(xiàn)，穿越區(qū)域的地層主要為全風(fēng)化花崗巖層和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。場(chǎng)地內(nèi)主要位于礫質(zhì)黏性土中，新建電纜隧道工程穿越區(qū)域的地層主要為全風(fēng)化花崗巖層和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，圍巖分類(lèi)為Ⅴ類(lèi)。考慮到圍巖巖性較差，且新建電纜隧道與既有地鐵凈距過(guò)小，因此有必要開(kāi)展隧道下穿既有地鐵的影響性分析。

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

電纜隧道下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1、圖2。為充分考慮盾構(gòu)開(kāi)挖引起的邊界效應(yīng)[14-16]，模型邊界與主要結(jié)構(gòu)的距離應(yīng)達(dá)到3D以上（D為盾構(gòu)隧道直徑），本文取模型尺寸為：高41 m，長(zhǎng)41 m，寬60 m。模型側(cè)向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。土層采用實(shí)體單元，地鐵及電纜隧道管片按均質(zhì)圓環(huán)單元考慮，不考慮管片環(huán)之間的縱向連接和管片分塊之間的橫向連接，但將管片的整體剛度進(jìn)行折減，參考相關(guān)研究[13， 17-19]，折減系數(shù)取0.65。

2.2 模型參數(shù)

參照《深圳市北環(huán)線(xiàn)電纜隧道工程巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》和《深圳北環(huán)線(xiàn)電纜隧道地質(zhì)補(bǔ)充勘察報(bào)告》，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫模型;新建電纜隧道外徑4.6m，內(nèi)徑4.0 m，既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道內(nèi)徑6.0 m，兩者的管片厚度均為300 mm，管片材料為C50。為了和實(shí)際相符，在新建電纜隧道管片外圍考慮注漿層實(shí)體，厚度為140mm，本構(gòu)關(guān)系采用彈性模型。土層和隧道結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 交叉角度對(duì)既有地鐵影響性分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，對(duì)立體交叉隧道產(chǎn)生影響的因素主要有圍巖級(jí)別、交叉角度以及凈距[7-14]。深圳北環(huán)電纜隧道南線(xiàn)工程的埋深設(shè)計(jì)已經(jīng)確定，即已建深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)與預(yù)建的北環(huán)電纜隧道南線(xiàn)盾構(gòu)隧道頂?shù)淖钚∠鄬?duì)凈距約3.9 m，且下穿既有地鐵的區(qū)段地質(zhì)起伏不大，故本文只分析下穿時(shí)的交叉角度對(duì)既有地鐵的影響，分別建立交叉角度為0°、45°和90°的數(shù)值模型（圖3），以期為該工程下穿既有深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)及其他地鐵線(xiàn)合理角度的設(shè)置提供參考。

表3、圖4給出了不同交叉角度條件下既有地鐵隧道的豎向位移計(jì)算結(jié)果，從表3和圖4可知，在0～90°的范圍內(nèi)，隨著交叉角度的增加，既有地鐵結(jié)構(gòu)的豎向位移逐漸減小。當(dāng)電纜隧道與既有地鐵垂直時(shí)，對(duì)既有地鐵的影響最小，但是不同交叉角度條件下地鐵隧道的豎向位移均小于-4 mm。在實(shí)際工程中，考慮到新建電纜隧道工程起終點(diǎn)限制、線(xiàn)性選擇、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟(jì)效益，新建電纜隧道與既有地鐵的交叉角采用45°較為合適。

3.2 電纜隧道開(kāi)挖引起既有地鐵隧道豎向位移分析

為研究新建電纜隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)既有地鐵的影響（交叉角度為45°），分別對(duì)新建電纜隧道開(kāi)挖至既有地鐵右線(xiàn)前方（階段1）、既有地鐵右線(xiàn)下方（階段2）、既有地鐵右線(xiàn)和左線(xiàn)中間（階段3）、既有地鐵隧道左線(xiàn)下方（階段4）、離開(kāi)既有地鐵隧道（階段5）這5個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)的地鐵隧道沉降分析。各階段的豎向位移云圖如圖5所示。

如圖5所示，根據(jù)對(duì)新建電纜隧道盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)的數(shù)值模擬，得到既有地鐵隧道的豎向位移值，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的最大豎向位移值為-1.185、-2.193、-2.774、-2.843、-2.819 mm，且既有地鐵出現(xiàn)最大豎向位移值的位置主要分布在地鐵右線(xiàn)的拱底附近;當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至地鐵左線(xiàn)下方，在開(kāi)挖面后方約15 m、地鐵右線(xiàn)的底部出現(xiàn)最大沉豎向位移-2.843 mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方式，分別對(duì)既有地鐵隧道左線(xiàn)和右線(xiàn)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。監(jiān)測(cè)地鐵里程為左線(xiàn)的ZDK28+230.478—ZDK28+340.478區(qū)段和右線(xiàn)的YDK28+219.708—YDK28+329.708區(qū)段，分別從新建電纜隧道與既有地鐵中心線(xiàn)相交處向大里程方向和小里程方向各55 m的范圍內(nèi)。每條地鐵隧道布設(shè)9個(gè)斷面，左、右線(xiàn)監(jiān)測(cè)斷面命名為L(zhǎng)1～L9和R1～R9。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖7為新建電纜隧道盾構(gòu)掘進(jìn)前10天深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)的右線(xiàn)監(jiān)測(cè)斷面沉降時(shí)程曲線(xiàn)，由圖7可知，在整個(gè)盾構(gòu)下穿掘進(jìn)過(guò)程中，右線(xiàn)監(jiān)測(cè)斷面R1～R2和R8～R9幾乎沒(méi)有沉降或隆起，主要發(fā)生沉降的為R3～R7監(jiān)測(cè)斷面，其中R5監(jiān)測(cè)斷面正下方拱底位置附近累計(jì)沉降最大，約為4.1mm，經(jīng)注漿加固后，R5監(jiān)測(cè)斷面的沉降長(zhǎng)期穩(wěn)定值在1.3 mm;右線(xiàn)最大累計(jì)沉降發(fā)生在盾構(gòu)正下穿之后1天，按照盾構(gòu)掘進(jìn)速度，最大沉降發(fā)生在盾構(gòu)穿過(guò)20m左右，即最大沉降值位于電纜隧道掌子面后方20m左右，之后沉降值趨于穩(wěn)定，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論及建議

（1）新建電纜隧道下穿時(shí)對(duì)既有地鐵隧道豎向位移的影響隨著交叉角度的增加逐漸減小，當(dāng)電纜隧道與既有地鐵隧道垂直時(shí)對(duì)既有地鐵的影響最小。

（2）新建電纜隧道近距離下穿既有地鐵施工必然會(huì)對(duì)既有地鐵隧道產(chǎn)生擾動(dòng)，使得隧道發(fā)生變形，最大沉降值發(fā)生在掘進(jìn)掌子面后方15～20m。施工中為減少穿越擾動(dòng)，降低隧道變形，可以通過(guò)控制盾構(gòu)土壓力、加強(qiáng)同步注漿和二次補(bǔ)漿及提前采取輔助措施對(duì)既有地鐵隧道進(jìn)行加固等措施，確保既有地鐵隧道安全。

（3）在新建電纜隧道下穿掘進(jìn)過(guò)程中，數(shù)值模擬既有地鐵隧道最大累積沉降約2.84 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)既有地鐵隧道最大累計(jì)沉降約為4.1 mm。考慮施工和監(jiān)測(cè)誤差，該監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值基本接近，表明數(shù)值模擬可行。

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收稿日期 2019-07-17

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Analysis on influence of new cable shield tunnel under passing the existing subway at short distance

Dong Zhiwei， Chen Junsheng， Bao Qingfeng

Abstract： Based on the project of the south line of Shenzhen north ring cable tunnel passing under section between Gangxia North Station and Huaqiang North Station of existing Shenzhen metro line 2， through the finite element numerical simulation this paper analyzes the influence pattern of new cable shield tunnel on the existing metro when under passing the metro line in a short distance. The research results show that the vertical settlement of the existing metro decreases with the increase of the crossing angle between the cable tunnel and the existing metro， the cable tunnel shield tunneling disturbs the existing metro structure and makes its structure deform， the maximum settlement value is 15 ～ 20 m behind the excavation work face， and the numerical analysis results are approaching to the field measured data.

Keywords： subway， cable shield tunnel， under passing existing subway， numerical simulation