楊滿倉

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030024）

引言

隨著城市軌道技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)地下交通網(wǎng)絡(luò)布局的需求，不可避免地出現(xiàn)隧道下穿上部隧道的情況，而隧道的施工會(huì)對周圍土層造成擾動(dòng)，特別是施工所帶來的土體損失及應(yīng)力釋放會(huì)改變周圍土體的應(yīng)力場，由此產(chǎn)生的荷載增量造成上部既有隧道的縱向變形[1-2]，若變形過量，會(huì)對隧道正常的服役產(chǎn)生較大影響[3-4]，如北京地鐵6號線下穿越4號線隧道，白水江電站引水隧洞下穿內(nèi)昆鐵路隧道[5-6]。為保證既有隧道的安全性，有必要對新建隧道引起的上部隧道沉降進(jìn)行預(yù)測分析。針對此類問題，一些學(xué)者做了相關(guān)的研究。梁榮柱等[7]對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，采用兩階段分析方法求得了既有隧道的縱向變形規(guī)律，丁智等[8]采用數(shù)值分析方法分析了不同工況下地鐵襯砌的變形。戴志仁等[9]分析了新建礦山法隧道近距離下穿已運(yùn)營隧道工程時(shí)的支護(hù)技術(shù)手段，陳城等[10]分析了下穿施工時(shí)注漿對既有隧道的加固作用。

1 工程概況

上海某新建隧道采用盾構(gòu)法從既有隧道下方穿越，兩條隧道的平面關(guān)系接近正交，隧道外徑均為6.2 m，管片厚度為0.35 m，每環(huán)管片的寬度為1.2 m。已建隧道軸線埋深為9 m，新建隧道的埋深為20 m。土層參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 三維數(shù)值分析模型

數(shù)值模擬中一般將盾構(gòu)推進(jìn)、管片安裝以及盾尾注漿的連續(xù)性循環(huán)過程進(jìn)行簡化，通常情況下采用剛度與荷載遷移法，通過改變材料參數(shù)與荷載條件來反映隧道施工的過程。采用FLAC3D軟件模擬計(jì)算，先在模型里預(yù)設(shè)隧道開挖單元、管片單元及注漿體單元，使用model null命令模擬隧道開挖，改變相應(yīng)單元的材料屬性來模擬管片安裝和注漿過程，見圖1。根據(jù)張?jiān)频萚11]的研究，可采用等代層的方法模擬注漿及施工擾動(dòng)影響，等代層厚度δ=η△，△為計(jì)算的盾尾空隙，即盾構(gòu)外徑與襯砌外徑之間的差值的一半（m），η為系數(shù)，根據(jù)土層類型取值。

圖1 盾構(gòu)推進(jìn)示意

建立三維數(shù)值分析模型，其尺寸為48 m×48 m×40 m，即沿既有隧道和新建隧道縱向方向的長度均為48 m，沿豎向方向取40 m。低應(yīng)力條件下的土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合理想彈塑性，屈服規(guī)律符合Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。因此數(shù)值模擬計(jì)算分析中，土體的本構(gòu)模型取彈塑性模型，屈服采用 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，管片在外荷載的作用下其變形一般處于彈性階段，因此采用線彈性本構(gòu)模型?？紤]管片接縫的影響對其彈性模型進(jìn)行折減，折減系數(shù)取 0.85，彈性模量取3×e10Pa，泊松比取0.2。對于等代層，根據(jù)相關(guān)的研究，線彈性本構(gòu)模型可以很好地模擬盾構(gòu)施工的過程，等代層中的材料是土、水泥漿及土與水泥漿的混合體，其彈性模量參考水泥土的壓縮模量取12×e6Pa，泊松比為0.2。數(shù)值分析模型見圖2。模擬中，先貫通上部隧道，然后模擬下穿隧道開挖的影響，根據(jù)孫鈞等的研究[12]，隧道每次開挖6 m對計(jì)算結(jié)果影響不大。為了節(jié)省計(jì)算資源，模擬中隧道每次開挖4.8 m，即4環(huán)，開挖10次后隧道貫通。

圖2 三維數(shù)值分析模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

下部隧道貫穿后整體豎向位移云圖見圖3。土層及管片位移呈對稱分布，隧道軸線正上方土層沉降最大，地表處最大沉降為10 mm左右。

圖3 隧道貫穿后位移云圖

開挖40環(huán)后隧道貫通，開挖至20環(huán)位置正好位于上部既有隧道的正下方，為分析下穿隧道開挖對上部隧道的影響，取此交叉位置前后一定范圍的各開挖步下既有隧道沉降曲線進(jìn)行分析對比，見圖4?？芍?，開挖面靠近上部隧道8環(huán)范圍時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了一定的影響，但沒有明顯的沉降差異，及至開挖至上部隧道下方時(shí)，上部隧道出現(xiàn)明顯的沉降差異，最大沉降位于為疊交處位置（中點(diǎn)），之后隨著開挖的進(jìn)行，上部隧道持續(xù)性沉降，及至開挖至36環(huán)時(shí)，繼續(xù)開挖時(shí)上部隧道的沉降曲線無明顯變化，既有隧道基本穩(wěn)定下來，最終最大沉降值達(dá)到5.7 mm。

圖4 下穿隧道施工時(shí)上部隧道的沉降曲線

上部隧道沉降量隨著隧道開挖環(huán)數(shù)的變化而變化，取上部隧道中點(diǎn)位置沉降進(jìn)行分析，見圖5，橫坐標(biāo)表示下部隧道開挖面到上部隧道中點(diǎn)的水平距離，用環(huán)數(shù)表示。

圖5 上部隧道沉降量隨著隧道開挖環(huán)數(shù)的變化

可以看出，開挖面靠近疊交處時(shí)上部隧道沉降速度變大，開挖至疊交處時(shí)上部隧道最大沉降為3.2 mm，此時(shí)沉降值主要由下部開挖引起的土體損失造成。過疊交處16環(huán)后下穿施工不再對既有隧道產(chǎn)生影響，最終沉降為5.7 mm，是下部隧道過疊交處時(shí)的1.8倍左右，過疊交處后的開挖擾動(dòng)對上部隧道有巨大影響，工程中應(yīng)準(zhǔn)確把握這種影響大小及范圍。

4 與監(jiān)測結(jié)果對比

下部隧道貫穿后既有隧道沉降穩(wěn)定，將模擬的隧道沉降曲線與工程監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，見圖6。

圖6 既有隧道沉降值對比

可以得出，模擬的沉降值與實(shí)測值有差異但基本接近，可以驗(yàn)證三維數(shù)值模擬有效地反應(yīng)了下穿隧道開挖對上部隧道的影響。

5 結(jié)語

研究了下穿施工中既有隧道的沉降規(guī)律，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性：既有隧道隨著下穿隧道的開挖而持續(xù)性沉降，中點(diǎn)處為沉降最大位置，整體上呈左右對稱狀，下部隧道開挖面過疊交處16環(huán)后繼續(xù)開挖對上部隧道沉降無影響，上部隧道基本穩(wěn)定，最終沉降為5.7 mm，是下部隧道過疊交處時(shí)的1.8倍左右，過疊交處后的開挖擾動(dòng)對上部隧道有巨大影響，工程中應(yīng)準(zhǔn)確把握這類影響大小及范圍。