蔡光偉，蔣超，劉振興，胡江鋒

（1.長沙市軌道交通集團有限公司，湖南 長沙 410000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075）

隨著城市軌道交通路徑的完善，接近運營隧道的新建隧道施工工程日益增多。對于近接穿越既有隧道的盾構(gòu)隧道施工，新建盾構(gòu)隧道的施工會對地層中的土體產(chǎn)生擾動，引起地層應力的重新分布，導致地表土體的沉降，并對既有隧道的結(jié)構(gòu)造成損傷，給隧道的安全運營帶來隱患。因此，研究盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工變形規(guī)律，對隧道安全運營有重要意義。很多學者已對類似工程進行了研究。張健等人[1]通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，得出盾構(gòu)隧道近距離下穿既有隧道施工時的土層變形規(guī)律。魏綱等人[2]采用剪切錯臺模型，建立了計算方程，求解了新建隧道正交下穿時既有隧道的豎向位移。王明年等人[3]建立了新的三維模擬方法，對盾構(gòu)隧道重疊段進行了橫向近接分區(qū)。孫志崗[4]利用有限元方法對接近隧道施工時產(chǎn)生的力學效應進行了研究，并提出了相應的施工優(yōu)化方案。王思洋[5]通過FLAC3D 研究了盾構(gòu)隧道下穿并行近接已有隧道施工中盾構(gòu)參數(shù)的影響，并總結(jié)出適用于對應工程最可靠的施工參數(shù)。楊成永等人[6]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，闡明了雙線盾構(gòu)交叉下穿既有運營隧道的沉降規(guī)律。張海波等人[7]模擬并行隧道的不同空間位置，認為其相對位置的接近會增大既有隧道襯砌的位移和應力。AVGERINOS 等人[8]分析了盾構(gòu)垂直下穿運營隧道空間位置的變化對既有隧道縱橫向襯砌的影響。肖果[9]運用有限差分軟件模擬了盾構(gòu)施工，得到新建隧道的盾構(gòu)推力與既有隧道間距、上覆土層厚度對既有隧道擾動的影響規(guī)律。張孟喜等人[10]研究了四線疊交的盾構(gòu)穿越，對既有隧道的變形規(guī)律進行了分析。廖少明等人[11-14]等人對重疊近接隧道施工進行了研究，分析了施工順序條件對既有隧道和地表沉降的影響規(guī)律。奚靈智等人[15]利用FLAC3D有限元軟件，對比分析了既有隧道軟土地基的不同加固方式，提出了最適合軟土地區(qū)重疊下穿既有隧道施工的地基加固方案。但針對重疊下穿既有隧道的施工參數(shù)對地表和既有隧道變形的影響規(guī)律研究少見。因此，本研究擬以長沙地鐵3 號線近接重疊下穿既有1 號線的盾構(gòu)隧道施工為依托，采用Midas/GTS NX 模擬軟件對盾構(gòu)施工進行模擬，分析不同施工參數(shù)對既有隧道和地表變形的影響，獲得最適宜的掘進參數(shù)，為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

長沙地鐵3號線靈官渡站—侯家塘站區(qū)間，該區(qū)間隧道在DK18+087～DK18+348(261 m)和DK18+516～DK18+705(189 m)段與既有隧道1 號線的相對空間位置關(guān)系為下穿重疊，重疊段總長度為450 m。區(qū)間隧道在侯家塘站西端頭處的最小垂直凈距為5.5 m。

在該重疊段范圍內(nèi)，新建3號線隧道位于強風化泥質(zhì)粉砂巖和中風粉砂質(zhì)泥巖中，運營地鐵1號線隧道處于強風化泥質(zhì)粉砂巖和沖擊中砂內(nèi)。強風化泥質(zhì)粉砂巖呈褐紅色、暗紫紅色，巖石組織結(jié)構(gòu)大部分被破壞，但尚可清晰辨認，礦物成分已顯著變化，局部夾有中風化巖塊，巖質(zhì)極軟，遇水易軟化成為軟化巖石，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。中風化粉砂質(zhì)泥巖呈褐紅色、褐黃色等，礫狀結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，巖芯呈短柱狀、塊狀、餅狀，局部夾強風化巖塊，節(jié)長5～25 cm，RQD為10～96，軟化系數(shù)0.12～0.63，均小于0.75，為軟化巖石，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

模擬區(qū)間盾構(gòu)隧道地層條件、尺寸及隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地層條件剖面（單位：mm）Fig.1 Formation condition section(unit:mm)

2 數(shù)值模擬計算

結(jié)合現(xiàn)場隧道穿越土層的實際情況，利用Midas/GTS NX 對盾構(gòu)施工進行模擬。為增加模型的準確性，盡可能減小模型的體積，提高計算機的計算速率，取模型邊界到隧道中心軸線距離的3～5 倍距離開挖洞徑，X，Y，Z方向分別取66、75、64 m。根據(jù)勘測的土體物理力學參數(shù)進行取值，考慮土體符合摩爾-庫倫準則，本模型中土層物理力學參數(shù)見表1，模擬材料物理力學參數(shù)見表2。模型中，根據(jù)長沙類似盾構(gòu)工程和現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)，設置模擬工況參數(shù)，見表3，建立數(shù)值模型如圖2～4所示。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

表1 模型地層參數(shù)Table 1 Model stratigraphic parameter

表2 模擬材料物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameter of simulated material

表3 模擬工況參數(shù)Table 3 Simulated operating parameter

為直觀突出盾構(gòu)隧道施工過程中對地表和既有隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，將模擬新建3號線隧道左線完成固結(jié)沉降的施工過程，與新建3號線隧道右線施工的模擬結(jié)果進行對比。

圖3 3號線與1號線空間位置關(guān)系Fig.3 Spatial position relationship of the Metro Line 3 and the Metro Line 1

圖4 注漿壓力示意Fig.4 The grouting pressure schematic

2.1 盾構(gòu)掘進土倉壓力

在盾構(gòu)隧道施工過程中，土倉壓力作為盾構(gòu)掘進的主要參數(shù)之一，其大小影響掌子面的支護和地層變形。選取土倉壓力分別為120、240、360和480 kPa 4種施工工況進行施工模擬。

當盾構(gòu)施工右線開挖完成時，研究盾構(gòu)推進對模型中心處地表沉降位移的影響，如圖5 所示。當盾構(gòu)右線開挖至試驗環(huán)時，研究了其距離對地表豎向位移的影響，如圖6所示。

圖5 模型中心處地表沉降位移橫截面對比Fig.5 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

圖6 隧道開挖至試驗環(huán)地表土體豎向位移對比Fig.6 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

從圖5 中可以看出，土倉壓力分別為150、200、250 和300 kPa 時，地表沉降曲線均符合Peck公式沉降槽的形式，隨著土倉壓力的增大，對土體的變形有一定控制效果，地表最大沉降減小。從圖6中可以看出，隨著土倉壓力的增大，掌子面前、后方的地表豎向位移均減少，在掌子面前、后各3.5 倍隧道洞徑區(qū)域內(nèi)為地表豎向變形變化的最大區(qū)間，大約完成了90%的豎向變形。因此，加強掌子面前、后各3.5 倍隧道洞徑內(nèi)土體控制，可以減小地表沉降。

考慮既有隧道右線所處位置最為不利，研究了盾構(gòu)推進對既有隧道右線軸線方向豎向位移的影響，如圖7所示。

圖7 既有隧道右線仰拱豎向位移對比Fig.7 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

從圖7可以看出，隨著土倉壓力的增大，掌子面前、后方的既有隧道左線沉降減小。表明：注漿壓力的增大，可減少新建隧道盾構(gòu)開挖對既有隧道的沉降變形，但效果有限。土倉壓力在120～480 kPa 時，既有隧道右線仰拱最大豎向位減少了約0.4 mm。

結(jié)合土倉壓力在不同工況下地表與既有隧道的沉降變形規(guī)律，該區(qū)間土倉壓力設置在120～240 kPa。

2.2 盾構(gòu)掘進注漿壓力

盾構(gòu)施工過程中，盾尾與管片之間存在間隙，為避免土體產(chǎn)生過大的沉降量，需及時對盾尾空隙進行注漿，選取注漿壓力分別為200、300、400、500 kPa 4 種施工工況對該區(qū)間進行建模分析。模擬中心地表沉降位移橫截面對比如圖8 所示。盾構(gòu)右線開挖至試驗環(huán)時，研究了其距離對地表豎向位移的影響，如圖9所示，其對既有隧道軸線方向豎向位移的影響如圖10所示。

圖8 模型中心處地表沉降位移橫截面對比Fig.8 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

圖9 隧道開挖至試驗環(huán)地表豎向位移對比Fig.9 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

圖10 既有隧道右線仰拱豎向位移對比Fig.10 Comparison of the vertical displacement at the inverted arch of the right line of existing tunnel

從圖8～10中可以看出，注漿壓力分別為200、300、400、500 kPa 時，最大地表豎向變形值依次降低，但變化幅度減小，對減少地表豎向位移作用有限；注漿壓力在200～500 kPa，最大既有隧道右線仰拱豎向變形值約降低0.5 mm。表明：注漿壓力對既有隧道豎向變形的控制作用較土倉壓力的大。結(jié)合現(xiàn)場的地層條件和施工經(jīng)驗，將該區(qū)間內(nèi)的注漿壓力控制在300～400 kPa較為合適。

2.3 盾構(gòu)掘進注漿量

權(quán)衡同步注漿的效果，除考慮注漿壓力，還需考慮注漿材料、漿液配比和注漿量等因素的影響。盾構(gòu)施工過程中，注漿材料及其配比已選定，除注漿壓力外，注漿量也常發(fā)生動態(tài)變化。選取注漿量分別為5、6、7、8 m34 種施工工況，對該區(qū)間進行建模分析。模擬中心地表沉降位移橫截面對比如圖11 所示。盾構(gòu)右線開挖至試驗環(huán)時，研究了距離對地表豎向位移的影響如圖12 所示，以及距離對既有隧道軸線方向豎向位移的影響如圖13所示。

圖11 模型中心處地表沉降位移橫截面對比Fig.11 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

圖12 隧道開挖至試驗環(huán)地表豎向位移對比Fig.12 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

圖13 既有隧道右線仰拱豎向位移對比Fig.13 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

從圖11～13中可以看出，注漿量分別為5、6、7、8 m3時，最大地表豎向變形值依次降低，但變化幅度減?。蛔{量在5～8 m3時，最大既有隧道右線仰拱豎向變形值約降低0.9 mm。表明：注漿量對其豎向變形的控制作用較注漿壓力的大，其原因是隨著注漿量地增大，漿液向周圍土體中擴散、擠密，導致既有隧道與新建開挖隧道之間的土體被加固，進而降低既有隧道仰拱的沉降變形。結(jié)合現(xiàn)場的地層條件，將該區(qū)間注漿量設置為6.5～7.5 m3。

2.4 盾構(gòu)掘進速度

選取盾構(gòu)掘進速度分別為10、20、30、40 mm/min 4 種施工工況，對此區(qū)間進行建模分析。模型中心地表沉降位移橫截面對比如圖14 所示。地表豎向位移對比如圖15 所示。既有隧道軸線方向處豎向位移對比如圖16所示。

圖14 模型中心處地表沉降位移橫截面對比Fig.14 Comparison of cross-section of surface subsidence displacement at the center of the model

圖15 隧道開挖至試驗環(huán)地表豎向位移對比Fig.15 Comparison of vertical displacement of surface while tunnel excavate to test ring

圖16 既有隧道右線仰拱豎向位移對比Fig.16 Comparison of the vertical displacement at inverted arch of the right line of the existing tunnel

從圖14～16 中可以看出，隨著掘進速度的增大，最大地表豎向變形值依次增大，地表豎向位移的變化幅度減小，掘進速度從10 mm/min增大到40 mm/min，最大地表沉降約增大0.8 mm。表明：當掘進速度提高時，土體內(nèi)應力集中釋放，導致土體產(chǎn)生較大的變形。因此，根據(jù)本模型的計算結(jié)果和類似盾構(gòu)施工工程的資料分析，將該區(qū)間的掘進速度設定為20～30 mm/min為宜。

3 與監(jiān)測結(jié)果進行對比分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

根據(jù)長沙軌道交通3 號線與1 號線的平面位置關(guān)系，沿著重疊區(qū)域設置地表沉降觀測點，每隔10 m 設置一個斷面，每個斷面設置15 個測點，測點間距2 m，其測點布置平面圖如圖17 所示。圖17中▲表示測點。

圖17 監(jiān)測點平面布置Fig.17 Layout plan of the monitoring points

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

盾構(gòu)掘進過程中，施工參數(shù)隨現(xiàn)場實際土層情況而變化，取左、右線中心處附近地表部分現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，如圖18所示。

圖18 地表沉降監(jiān)測點成果曲線Fig.18 Results curve of the surface settlement monitoring points

從圖18 可以看出，D52-7 在前期有隆起現(xiàn)象，這是由于現(xiàn)場土層的不均勻性和注漿壓力調(diào)整過高，地表土體總體沉降變形呈先增大，后穩(wěn)定趨勢，最大沉降值為5 mm，與數(shù)值分析結(jié)果吻合，證明數(shù)值分析可靠。

4 結(jié)論

結(jié)合長沙地鐵3號線靈侯區(qū)間情況，對近接重疊下穿既有運營地鐵1 號線進行施工。采用Midas/GTS NX 有限元軟件對掘進施工進行模擬分析，得到結(jié)論為：

1）隨著土倉壓力的增大，掌子面前、后方的地表豎向位移減少，且掌子面前、后各3.5 倍隧道洞徑范圍為地表豎向變形的最大區(qū)間，且完成了90%的豎向變形。因此，加強掌子面前、后各3.5倍隧道洞徑內(nèi)土體的控制，對減小地表沉降有重要意義。

2）注漿壓力的增大可減少地表豎向位移，但效果有限。注漿量對既有隧道的豎向變形控制作用較注漿壓力的大，其原因是隨著注漿量的提高，漿液向周圍土體中擴散、擠密，導致既有隧道與新建開挖隧道之間的土體加固范圍擴大，降低了既有隧道仰拱的沉降變形。

3）盾構(gòu)隧道施工過程中掘進速度越大，地表最大沉降量和既有隧道最大豎向位移也越大。

4）結(jié)合該工程下穿施工特點，最佳的盾構(gòu)施工參數(shù)取值為：土倉壓力取120～240 kPa，注漿壓力取300～400 kPa，注漿量取6.5～7.5 m3，掘進速度取20～30 mm／min?？蔀轭愃平又丿B下穿既有隧道的盾構(gòu)施工提供指導。