張俊偉

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽471000）

1 引言

隨著城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，地鐵工程的建設突飛猛進。在地鐵的建設過程中，不可避免地會出現(xiàn)下穿建筑物或構筑物的情況，其中隧道下穿地下通道就是地鐵設計和施工過程中經常出現(xiàn)的一個難點[1-3]。隧道的盾構掘進會引起地下通道主體結構的傾斜變形或扭轉，嚴重時可能會導致其主體結構發(fā)生破壞，危害地下通道的使用和運營，因此，開展相關影響研究成為該類工程安全施工的重要前提，并且具有一定的學術價值。

隧道開挖首先會引起周圍地層的擾動，傳遞給地下通道使其發(fā)生應力場與位移場的變化進而可能引發(fā)一系列的風險事故[4，5]。國內外眾多學者利用理論計算、模型試驗、經驗預測和數(shù)值模擬等手段[6-8]對盾構施工引起的地層擾動規(guī)律開展了相關研究，并且利用上述方法對各類隧道下穿工程也開展了相關的規(guī)律分析并取得了一系列成果[9，10]，但在相關的穿越工程研究中，常常只關注地下通道的穩(wěn)定性而忽略其與隧道間的相互作用規(guī)律，并且不考慮注漿加固的影響。因此，本文以徐州軌道交通某盾構施工區(qū)間下穿地下通道工程為依托背景，通過開展穿越段隧道開挖施工的數(shù)值計算，揭示注漿加固工況下隧道下穿既有通道的相互力學作用機制，分析結果對類似工程提供了較好的設計參考。

2 工程概況及數(shù)值建模

2.1 工程概況

徐州地鐵2號線某盾構施工區(qū)間，近似平行下穿一處既有地下通道。隧道埋深20.95 m，外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片環(huán)寬1.2 m。地道結構尺寸約為19 m×5 m，兩側布置有圍護樁進行支護，主體結構底部另設有直徑1 000 mm的抗拔樁。由于穿越段隧道在施工過程中存在諸多風險，需要對該穿越段隧道利用管片增設的注漿孔進行深孔注漿，注漿孔直徑50 mm，注漿漿液選擇雙液漿，水泥等級42.5。注漿加固范圍為隧道上部270°，注漿深度為2 m。

2.2 數(shù)值模型的建立

采用有限差分軟件FLAC3D進行計算分析，根據工程經驗取整體模型尺寸為80 m×50 m×48 m，地層、圍護樁、隧道管片和注漿等代層均采用實體單元進行模擬。在對土體進行運算時，采用Mohr-Coulomb本構模型，圍護樁、管片和注漿等代層采用彈性本構模型。用等代層來模擬管片外側的注漿層和沿隧道徑向漿液滲透的巖土體，并通過賦予等代層彈性模量、泊松比等參數(shù)來實現(xiàn)注漿影響區(qū)域的模擬。限制前后左右4側的法向位移和底部邊界3個方向的位移，上表面取至地表，設置為自由表面。其中，地下通道主體結構、圍護樁、隧道管片和注漿等代層模型如圖1所示（為方便后續(xù)研究，已在隧道監(jiān)測點進行標記）。

圖1 地道與隧道主體結構圖

2.3 計算參數(shù)選擇

根據地質勘探結果，地層自上而下主要可劃分為雜填土、黏土和中風化石灰?guī)r。根據土體和結構體所選的本構模型進行賦值，各土層的主要物理力學指標如表1所示。

表1 地層計算參數(shù)

各支護和主體結構的計算參數(shù)詳見表2。

表2 結構計算參數(shù)

3 新建注漿加固隧道與既有地道的相互作用分析

3.1 盾構隧道掘進引起地道主體結構的變形分析

在本次算例的開挖中，隧道開挖后管片立即布置，隨后通過賦予等代層彈性本構模型及參數(shù)來實現(xiàn)壁后的注漿加固。左右線隧道開挖并注漿完成后的地道主體結構變形云圖如圖2所示（顯示云圖進行了放大處理）。

圖2 隧道注漿加固開挖完成后的地下通道變形云圖

分析可知，由于新建隧道的開挖擾動影響，地下通道發(fā)生了一定的變形與沉降，主體結構上側整體沉降明顯大于下側，且最大沉降集中在中隔墻的正上方，向兩側方向沉降逐漸減小，主體結構兩側受到擾動影響向內發(fā)生了彎曲，彎曲值最大處發(fā)生在沿兩側結構豎直方向的中部位置。由于主體結構的不均勻沉降，其上方結構也發(fā)生了向內的彎曲，以距離中隔墻越近處彎曲值越大，通道左右兩側變形近似呈對稱性分布，主體結構中隔墻上側由于擠壓稍微發(fā)生了鼓起。主體結構最大沉降量為9.07 mm，在主體結構偏下部變形值急劇減小，最小變形發(fā)生在主體結構底部，其沉降值為0.41 mm，沉降和變形在規(guī)定范圍內，即本工程盾構隧道在注漿加固條件下開挖引起上方地下通道產生的風險在可控范圍內，符合地下通道安全使用和運營的要求。

3.2 既有地下通道對新建注漿加固隧道的影響分析

盾構隧道的掘進會引起上方既有地下通道產生變形和受力變化，同時，土層中既有地下通道的存在也會對隧道盾構管片的受力和位移產生影響。為更加清晰地研究這種影響規(guī)律，再次進行無地下通道存在工況下新建注漿加固隧道的開挖模擬。得出2種工況下隧道開挖后的豎向和水平位移情況見表3（表3中豎向位移以上為正，水平位移以右為正）。

表3 隧道開挖完成后管片位移表

由表3對比分析可知，在有地下通道存在的情況下，雙線隧道開挖并壁后注漿完成以后，盾構管片四周產生了不同程度的變形，隧道拱頂由于承受了上方地層傳遞的荷載發(fā)生了向下的豎向位移，隧道拱底由于開挖卸荷作用發(fā)生了向上的隆起，而隧道左右?guī)蛥^(qū)域管片由于承受了上部管片和巖體傳導的應力，發(fā)生了背離開挖面的擠壓變形。在無地下通道存在的情況下，隧道的豎向位移和水平位移產生了不同程度的減小，其對應最大豎向位移的1號和10號監(jiān)測點位移分別減少了15.5%和13.59%，對應最大水平位移的6號和13號監(jiān)測點位移分別減少了16.73%和16.90%。說明在存在既有地下通道的情況下，隧道上方地層的應力傳遞受到了影響，隧道的變形呈現(xiàn)了增大的趨勢。因此，在盾構隧道掘進經過既有地下通道時，需考慮地下通道給隧道帶來的受力和變形的影響，增大監(jiān)測頻率，并注意及時采取對管片的防護措施，本節(jié)模擬的2種工況下的隧道管片并沒有較大的變形是由于在盾構隧道掘進過程中及時采取了壁后注漿的控制措施，并且注漿厚度較大，有效控制了隧道的各向位移，在相似工程中也可以采取壁后注漿加固的方法來減少穿越的風險。

3.3 既有地下通道存在條件下注漿加固對隧道開挖的影響分析

基于3.2節(jié)的2次模擬，再次對2種工況下隧道的變形進行分析，研究在既有地下通道存在的條件下注漿加固對盾構隧道掘進的影響規(guī)律。繪制出2種工況下左右線隧道開挖完畢后的隧道監(jiān)測點豎向和水平方向位移如圖3所示。

圖3 2種工況下隧道監(jiān)測點位移圖

由圖3分析可知，注漿加固對隧道變形的控制效果比較明顯，工況一由于在開挖過程中沒有采取注漿措施發(fā)生在拱頂?shù)淖畲蟪两狄呀涍_到了12.16 mm，而工況二的最大沉降為7.48 mm，相比之下減少了38.49%，工況一隧道拱底的最大隆起值為8.2 mm，工況二相對應的值為5.03 mm，相比之下減少了38.66%。同時從圖3也可以得到采取注漿加固措施使隧道的水平位移也得到了較好的控制，工況一最大水平位移值為7.28 mm，發(fā)生在隧道左幫，工況二對應的位移值則為5.08 mm，相比減少了30.2%，工況二的豎向和水平位移曲線均包含于工況一的位移曲線與坐標軸圍成的區(qū)域內，說明在隧道掘進過程中進行壁后注漿加固能夠在較大程度上減少隧道的各向變形，使隧道的穩(wěn)定性得到增強，減小施工風險。

3.4 隧道下穿既有地下通道支護結構的受力分析

盾構隧道掘進不僅會對地下通道的位移場產生影響，同時也會使其主體結構的應力場發(fā)生變化，根據模擬結果繪制出施工完成后支護結構與地下通道的豎向應力場等值線如圖4所示。

圖4 隧道開挖后整體應力場云圖（單位：MPa）

由圖4可知，在隧道施工完成后，應力集中區(qū)域主要分布在其主體結構的拐角處，其中，中隔墻上拐角與下拐角處應力集中情況最為明顯，在主體結構的兩側上方局部區(qū)域受力呈“耳朵狀”分布。距隧道較近處巖土體應力分布受開挖影響較大，在靠近隧道下方區(qū)域由于承受了管片傳導的巖土體應力導致此處豎向應力較大。因此，在隧道施工過程中需要注意上述地下通道應力較為集中區(qū)域與隧道下方區(qū)域受力情況，以保證穿越工程的安全進行。

4 結論

1）開展了注漿加固隧道下穿既有地下通道的相互力學分析，揭示了位于下穿位置的盾構隧道掘進引起的地道主體結構變形情況，分析在既有地下通道存在的情況下注漿加固對隧道變形的控制數(shù)值，可為類似工程提供設計依據。

2）在盾構隧道掘進的影響下，主體結構上側發(fā)生了較大的變形，峰值集中在主體結構的正上方，向兩側方向減小，主體兩側受擾動影響向內發(fā)生彎曲，峰值位于沿兩側結構豎直方向的中部位置。隧道開挖會引起周圍環(huán)境的應力場發(fā)生變化，使地下通道主體結構產生更大的集中應力。既有地下通道存在也會影響隧道的開挖效應，增加隧道的變形，同時采取壁后注漿加固能很好地控制隧道的各向位移，增加安全性。

3）穿越過程因為具有本身空間結構的復雜性，施工前應做好詳盡的勘探，準確揭示相關過程巖土參數(shù)。在盾構施工經過既有地下通道時，需對相互作用效應進行專項論證，做好防控措施，以防止工程結構變形過大而引發(fā)工程事故。