盾构下穿既有隧道扰动效应分析

肖果

(湖南省有色地质勘查局工程地质总队， 湖南 长沙 410000)

随着城市建设不断推进，地铁线路越来越多，线路空间交错情况越来越复杂，其中新建隧道近距离下穿既有隧道的情况最为常见。下伏新建线路施工会扰动周边一定范围内土体，破坏土层结构原有平衡，导致既有线路结构产生附加内力和位移，甚至影响既有隧道的正常使用。已有学者针对盾构正交和斜交下穿既有隧道的情况进行了研究，如康佐等以西安某盾构隧道正交下穿既有隧道为背景，采用有限元软件分析了既有隧道管片位移、内力及地表沉降规律；杨成永等通过数值模拟结合现场监测数据及盾构施工参数，研究了盾构隧道近距离下穿既有线路时既有隧道的沉降规律；贺雪来等通过现场监测与数值模拟，证明了盾构下穿工程采用MJS加固措施能显著控制地面沉降和既有隧道变形；杨春山等以广州某盾构隧道工程为背景，建立盾构下穿既有线数值计算模型，得到了盾构掘进对既有线路位移的影响规律；来弘鹏等针对新建隧道小角度斜下穿既有隧道工程，分析了土仓压力、注浆压力、注浆量等施工参数对既有隧道的扰动效应。但鲜有研究分析下穿隧道的不同设计施工因素对既有隧道的扰动效应。该文以杭州某盾构隧道下穿运营隧道为背景，采用有限差分软件构建数值计算模型，分析新建隧道在不同盾构推力、与既有隧道间距、上部覆土厚度情况下盾构施工对既有隧道的扰动效应。

1 工程概况

杭州某新建地铁线路近距离盾构下穿已运营地铁隧道，两隧道的位置关系见图1。新建线路埋深20.6 m，与既有隧道距离仅2.1 m，为超近距离下穿工程。施工隧道结构采用预制钢筋砼管片，管片外径6.4 m，厚度0.4 m，每环宽度1.2 m。隧道穿越区域内地下水以上层滞水和承压水为主，对隧道施工影响较小。区域内主要地层自上而下依次为杂填土、砂质粉土、粉砂、淤泥质粉质黏土，各地层的物理力学参数见表1。既有隧道主要位于淤泥质粉质黏土中，这类土体强度低、压缩性高，外界施工扰动易造成土体承载强度下降，导致隧道产生变形，影响正常运营。因此，有必要分析新建隧道施工对既有线路的影响。

表1 土层的物理力学参数

图1 两隧道的位置关系(单位：m)

2 数值模拟计算

2.1 模型构建

为减小边界效应对计算的影响，施工隧道左右两侧各取4倍洞径，上部边界至地表，下部深度取3倍洞径；数值计算模型考虑新建隧道开挖过程，沿开挖方向取32环长度，模型几何尺寸长、宽、高分别为49.6、38.4、44.8 m。对于盾构隧道开挖模型，忽略其边界位移影响，分别约束模型X、Y方向及底部位移。划分网格时，隧道网格划分密集，周边土体划分稀疏，以减少数值计算时间，模型共划分56 780个单元(见图2)。

图2 数值计算模型(单位：m)

2.2 材料属性

模型中所有土层服从Mohr-Coulomb准则，物理力学参数见表1。盾构管片采用弹性模型实体单元模拟，模型计算中考虑到上部运营线路同步注浆加固效果，将既有隧道周边0.3 m范围内土层强度提高1.2倍，模拟同步注浆的加固效果。而新建隧道注浆时间较短，加固效果暂未达到，考虑最不利情况，不考虑施工隧道的同步注浆加固效果。管片及注浆加固层参数见表2。

表2 管片及注浆加固层的材料属性

2.3 数值计算过程

(1) 固定模型边界，按照土层厚度赋予模型材料参数，在自重应力作用下使计算模型达到初始应力平衡。

(2) 将初始应力平衡的位移归零，同时将既有隧道土体一次性移除并赋予既有隧道管片参数，计算得到开挖既有隧道后的应力及沉降分布。

(3) 只研究下伏隧道开挖对既有隧道的影响，不考虑1号线开挖所引起的沉降，将上一步计算得到的沉降归零，随后移除下伏新建隧道4环土体(模拟1 d的开挖工作量)，并赋予4环管片参数，在掌子面处施加盾构推力p[推力大小由式(1)计算，p=(380±20) kPa，计算中p=380 kPa]并进行计算，每开挖4环计算一次并记录既有线隧道的位移及内力分布情况，直到开挖完毕。

p=K0γ′H+pw±20 kPa

(1)

式中：K0为静止土压力系数；γ′为土的有效重度；H为隧道上覆土厚度(m)；pw为水压力；20 kPa是波动压力。

2.4 测线布置

下伏新建隧道开挖主要引起既有隧道结构产生竖向沉降及附加内力，针对这一现象，沿既有隧道方向在隧道底板和拱顶处共布置38个沉降监测点，其中SD-1～SD-19为拱顶测点，DB-1～DB-19为底板测点(见图3)，同时通过编制fish语言监测施工过程中既有隧道管片的最大内力。

图3 沉降及附加内力测点布置

3 计算结果与分析

3.1 既有隧道沉降

数值模拟计算结果见图4，开挖工况下变形曲线及隧底、拱底最大沉降曲线见图5、图6。

图4 既有线隧道沉降云图(单位：m)

由图5、图6可知：既有隧道沉降呈V形对称分布，新建隧道掌子面未通过相交区域(开挖0～14环)时，隧底向上隆起，最大隆起量0.36 mm。这是由于在新建隧道盾构推力作用下，掌子面前方产生一个主动破坏的楔形滑动体，导致前方土体向上方产生移动，引起既有隧道底部向上位移。新建隧道通过相交区域(开挖18～32环)后，因施工线路土体损失，应力释放，既有隧道底板向下沉降，最大沉降量5.12 mm，既有线隧道主要沉降区域位于左右两侧10 m范围，其余范围沉降量较小，主要影响范围内隧道不均匀沉降达0.05%，超过CJJ/T 202-2013限值(<0.03%)，新建隧道施工前应采取加固措施。

图5 既有隧道各工况拱顶及隧底沉降曲线

图6 既有隧道最大沉降变化曲线

3.2 既有隧道内力

既有隧道应力情况见图7、图8。

图7 既有线隧道应力变化云图(单位：Pa)

图8 既有隧道最大应力变化曲线

从图7可看出：新建隧道开挖未通过相交区域时，隧底的最大应力维持在75～80 kPa；隧道掘进通过后，隧底应力降至50～60 kPa。与隧底沉降规律一致。

从图8可看出：新建隧道开挖对既有隧道结构内力的影响较大，结构内部最大应力由未开挖前的139.2 kPa增至开挖后的153.2 kPa，增幅约10%，可能对既有隧道内部结构产生破坏，应采取相应加固措施并加强对既有管片应力监测。

4 敏感性因素分析

为探究不同盾构推力、新建隧道与既有隧道间距及新建隧道覆土厚度对既有隧道的扰动大小，基于前文构建的数值模型，分别修改这3个因素重新进行计算。因篇幅有限，主要分析不同因素对既有隧道底板沉降的扰动规律。

4.1 盾构推力

前文数值计算模型中盾构推力p=380 kPa，且存在20 kPa的波动压力未考虑。分别取盾构推力p为360、370、380、390、400 kPa，分析既有隧道的沉降变化，结果见图9。

图9 不同盾构推力沉降曲线

从图9可看出：新建隧道开挖至12环时，既有隧道拱底隆起量随着盾构推力的增加而增大，且盾构推力增减幅度一致情况下，增加推力导致的隆起效果更明显；盾构推力越大，既有隧道的最终沉降越小，但效果不明显，主要原因可能是盾构推力越大，对掌子面前方土体的挤压作用越大，从而减小了应力释放导致的后续沉降。

4.2 与既有隧道的距离

原模型中，按照现场实际设计布置，新建隧道与既有隧道的距离为2.1 m，该距离再减小的可能性较小。因此，重新构建两线距离为4.1、6.1、8.1 m的数值计算模型，分析既有隧道底板沉降的变化，结果见图10。

图10 不同两线距离沉降曲线

从图10可看出：两线距离越大，施工导致的沉降越小；两线距离小于1倍洞径(<6.4 m)时，既有隧道沉降受两线距离变化较敏感；大于1倍洞径后，既有隧道沉降变化程度较小。

4.3 上层覆土厚度

原模型中新建隧道的覆土厚度为20.1 m，将上覆各土层按照厚度权重分别增加或减少相同比例，得到16.1、18.1、22.1、24.1 m覆土厚度模型，计算不同覆土情况下既有隧道沉降，结果见图11。

图11 不同覆土厚度沉降曲线

从图11可看出：上覆厚度越大，既有隧道隆起和沉降越小。主要原因可能是土拱效应作用，在软土隧道中，隧道埋深越大，土拱效应作用越充分，开挖导致的土体释放荷载分摊比例越大，既有隧道结构所受荷载越小，从而减小了既有隧道的沉降。

5 结论

构建新建隧道下穿既有隧道数值计算模型，分析下穿既有隧道的扰动效应，得到以下结论：1) 新建隧道下穿会对既有隧道结构沉降和内力产生较大影响，应采取对应加固措施进行控制。2) 施工阶段，既有隧道隆起随盾构推力增加而增大，最终沉降随盾构推力增加而减小；既有隧道隆起和沉降随两线距离的增加而减小，且在小于1倍洞径时尤为显著；覆土厚度变化改变了土拱效应作用，厚度越大，土拱作用越明显，既有隧道受到的扰动荷载越小，沉降越小。

文中只构建了正交下穿计算模型，未考虑新建隧道斜下穿的情况，同时未考虑新建隧道同步注浆压力、盾壳摩阻力及盾壳空隙等因素对既有隧道结构沉降及内力的影响，有待进一步完善。