新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

张毫毫，雷明锋, 2，刘凌晖，李玉峰，唐钱龙, 4，王立川, 5

新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

张毫毫1，雷明锋1, 2，刘凌晖1，李玉峰3，唐钱龙1, 4，王立川1, 5

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；3. 中建隧道建设有限公司，重庆 401320；4. 江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013；5. 中国铁路成都局集团有限公司，四川 成都 610082)

针对新建盾构隧道下穿施工时，对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题，应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术，建立三维非连续精细化数值模型，重点分析隧道正交下穿施工扰动下，既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明：新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉，表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著；纵缝接头变形以张开为主，环缝接头变形以错台为主，且同一环中拱顶处变形最大；环缝接头应力集中明显，靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值，局部裂损风险高；受下部开挖影响，上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。

盾构隧道；下穿施工；三维非连续接触模型；管片接头

随着城市地下空间的高密度、大规模开发，岩土近接施工问题日益突出，特别是城市轨道交通的高速发展，紧邻既有地铁线路再建新隧道等地下结构的情况不断涌现[1−4]。如，上海轨道交通明珠线上、下行近距离交叠区间隧道和北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁2号线区间隧道[4]。邻近新建工程的施工，必然会导致既有隧道周边地层及结构本身的变形、受力状态发生变化，轻则诱发结构裂损、渗漏水，重则导致结构整体失稳垮塌，严重影响既有线路的安全运营[5−6]。尤其是对由管片拼装而成的盾构隧道，受施工扰动更为敏感，更加容易出现上述安全风险。如，宁波轨道交通1号线海晏北路站～福庆北路站区间隧道因上部基坑开挖导致隧道内出现管片纵缝张开、错台、开裂及渗水。可见，揭示新建工程对既有结构的扰动机制，提出控制既有结构变形的有效措施，是当前岩土近接施工领域面临的基础科学问题，也是突破高密度城市地下空间开发利用技术瓶颈的关键。围绕新建工程施工扰动对邻近盾构隧道的影响机制机理及控制措施问题，国内外学者在理论研究[7−9]、数值分析[10−13]与现场实测[14−16]等方面均开展了颇为丰富的研究工作。Klar[7]基于Winkler弹性地基梁理论，研究了基坑开挖对附近地下管线的影响。来弘彭等[8]通过对既有地铁沉降控制因素的分析，推导了既有地铁允许沉降的计算公式。王剑晨等[9]基于镜像法和当层法，推导了下穿施工影响下既有隧道和地层的位移解析解。孙钧等[10]针对上海轨道交通明珠线上、下行近距离交叠区间隧道施工，采用ANSYS软件模拟分析了不同开挖方法下地层位移和地表沉降随掘进过程的变化。郑余朝等[11]针对深圳地铁老街−大剧院区间的重叠隧道工程，采用三维有限元软件对重叠隧道结构内力演变进行了弹塑性数值模拟分析，给出了合理的施工顺序以及新建隧道施工对既有隧道的纵向影响范围。马文辉等[12]针对北京南水北调东干渠工程盾构隧道穿越既有地铁盾构隧道施工，通过数值模拟和现场监测、盾构掘进参数的分析，总结了沉降控制的施工经验。李倩倩等[14−16]通过现场实测数据分析，研究了新建工程扰动对既有盾构隧道的影响。上述研究成果，在一定程度上促进了该领域理论研究与实践水平的发展与提升，但仍存在较多亟需进一步开展研究的问题。如：由于岩土介质和工程边界的复杂性，很难通过理论解析法求解施工扰动对既有隧道的影响；尽管数值方法具有模拟复杂材料特性、荷载和边界等诸多优点，且在一定程度上已成为解决这类问题的有力工具[17]，但模型的精细化程度仍有待于提高，特别是对于拼装形成的盾构隧道结构，当前的绝大多数研究没有考虑管片接头等细部构造，得到的计算结果也难以准确预测管片结构、接头的受力和变形。为此，本文基于三维非连续多尺度建模技术，以新建盾构隧道下穿既有盾构隧道为例，建立精细化数值模型，探讨新建隧道施工对既有盾构隧道结构的扰动影响规律。

1 研究对象

以一软土地层地铁盾构隧道下方新开挖一隧道工程为研究对象。既有盾构隧道上部覆土厚6 m，断面为圆形，半径为3 m；新建隧道与上部既有隧道断面尺寸相同，上下两隧道呈90°交叉，交叉点处竖向净距为6 m，如图1。根据资料[18]，地层与结构物理力学参数如表1~2。

单位：m

表1 土体参数

表2 隧道结构材料力学参数

注：1和2是双参数Mooney-Rivlin模型的力学性能常数。

2 三维非连续多尺度有限元模型

1) 首先，按1.1节所述的位置关系及力学参数建立盾构均质圆环数值模型，并开展新建隧道掘进施工力学计算。模型中，新建盾构隧道分11步开挖，每次进尺4 m，如图2。

图2 新建下穿隧道掘进进尺示意图

2) 提取新建隧道开挖完后两隧道的变形结果，并初步分析其影响区域。如图3，新建隧道开挖对上部既有隧道扰动影响显著，特别是两隧道交叉部位附近约12 m范围内，既有隧道变形较大，可定义为影响区段。

3) 根据上述计算结果，对影响区段进行精细化建模。在数值模拟中管片采用实体单元模拟，橡胶止水条采用超弹性实体单元模拟，螺栓设置为弯梁单元，并且嵌入到管片单元中，预紧力设置为30 kN。管片间的接触在法向上设置为硬接触，管片与土体界面在法向和切向分别采用罚摩擦和库伦摩擦接触连接，管片与橡胶止水条、管片与道床均为共节点绑定约束。最终建立的三维非连续多尺度有限元模型如图4。

图3 均质圆环模型计算结果

(a) 整体；(b) 管片环模型；

3 计算结果分析

取交叉点中心处既有隧道截面(管片环④和⑤交界面)进行分析，如图5。

图5 分析区段

3.1 整体变形

图6～8分别给出了既有隧道分析断面处系统变形计算结果。经分析可知：

1) 下部新建隧道开挖过程中，既有隧道的整体变形主要表现为竖向收敛波动和拱底沉降增加。且由于下方新建隧道为单向开挖，开挖完成后管片两侧的水平位移偏向先开挖一侧。

2) 下部隧道开挖引起围岩卸载，导致上方隧道于其正交处管片下沉明显，周围衬砌也随之出现不同程度的下沉，其中隧道开挖引起的沉降和开挖方式对上方隧道的影响较大。

3) 随着下部隧道的开挖卸载，既有隧道竖向收敛出现一定波动。当开挖面离分析截面较远时，竖向收敛值逐渐增大；随着开挖面的接近，竖向收敛值逐渐减小；在正交处管片的竖向收敛值最小，之后又逐渐增大。

(a) 开挖前竖向位移图；(b) 开挖前水平位移图；(c) 开挖完竖向位移图；(d) 开挖完水平位移图

图7 既有隧道拱底沉降曲线

图8 衬砌竖向收敛曲线

3.2 接头变形

为便于分析，对管片之间的接缝编号如图9。

(a) 环缝；(b) 纵缝

3.2.1 纵缝

纵向接头变形最明显的为第⑧环管片，选择靠近拱顶处接头2、拱腰处接头3和拱底处的接头5进行分析，如图10。经分析可知：

1) 随着下部隧道开挖，位于同一环中不同位置的衬砌管片所表现出来的接头变形规律不同。第⑧环管片，位于拱顶处的接头⑧−2的张开量最大，位于拱腰处的接头⑧−3的张开量最小，而拱底处的张开量处于两者之间。

2) 拱顶和拱腰处接头的张开量均随开挖呈现增长趋势，而拱底处接头张开量则逐渐减小。下部隧道开挖前拱顶处的接头张开量为0.11 mm，当隧道开挖完后其接头张开量达到0.13 mm，增幅 为22%。

3) 相对而言，纵缝错台量的变化较小，这可能是由于正交段下方的土体是一次开挖通过的。但还是可以发现拱顶处的接头错台量最大，拱底次之，拱腰处最小。

(a) 张开变形；(b) 错台变形

3.2.2 环缝

隧道开挖过程中，段环缝接头的错台量变化显著，错台量最大的是环缝①~②，如图11。经分析可知：

1) 下部正交隧道开挖前，管片环缝接头张开和变形都比较小，并且各环处的变形值相差不大，但随着隧道的开挖，环缝错台变化明显。

2) 下部正交隧道开挖过程中，管片环缝①~②处接头错台量逐渐增大，从隧道开挖前的0.07 mm，增大到隧道挖完时的0.10 mm，增幅45%。

3) 下部正交隧道开挖过程中，管片环缝⑦~⑧处接头错台量呈减小趋势，当开挖值两隧道正交处附近时骤减，之后缓慢变化后又有所增大，至隧道开挖完后，错台量为0.03 mm。

3.3 接头处混凝土应力

前述分析可见，下部隧道开挖使得管片纵缝接头变形状态发生了明显变化，势必会引起纵缝接头应力变化。图12~16分别给出了典型接头部位混凝土的应力云图及最大(小)主应力变化曲线。经分析可知：

1) 下部正交隧道开挖对既有隧道管片的影响主要是环缝接头应力值，而对管片纵缝接头应力值的影响相对较小。

2) 接头处应力集中明显，拱顶纵缝接头⑧−2处的压应力达10.2 MPa；下部隧道开挖完后，拱底处纵缝接头⑧−6的最大拉应力为2.2 MPa。

3) 随着下部隧道开挖卸载，管片环缝⑥~⑦接头拉应力逐渐增大，当下部隧道开挖至正交处附近时，拉应力的增幅有所下降，但仍呈上升趋势，最终，环缝⑥~⑦接头的最大主应力增大至2.7 MPa，与C50混凝土的极限抗拉强度极为接近，此处混凝土有局部开裂的危险；同时，隧道开挖过程中，环缝⑥~⑦的最小主应力从19.1 MPa增长到22.2 MPa，接近C50混凝土的抗压强度设计值(23.1 MPa)，在开挖过程中需对此处特别注意。

4) 随着下部正交隧道开挖，管片纵缝接头压应力先减小，当开挖至正交处附近时达到最低值，之后又逐渐增大，呈现一定的波动。

图11 环缝错台变化曲线

(a) 隧道开挖至正交处；(b) 隧道开挖完

(a) 隧道开挖至正交处；(b) 隧道开挖完

(a) 隧道开挖至正交处；(b) 隧道开挖完

(a) 隧道开挖至正交处；(b) 隧道开挖完

(a) 最大主应力变化曲线；(b) 最小主应力变化曲线

3.4 接头螺栓受力

接头螺栓的内力与管片接头的张开错台量有紧密联系，并且轴力的变化往往与接头张开量有关，剪力的变化往往与错台量的变化相关。图17为隧道开挖完后纵缝螺栓的轴向应力与剪应力图，相应的变化曲线见图18。经分析可知：

1) 随着下部正交隧道的开挖，研究区段内变化较为明显的是纵缝接头螺栓的轴力和环缝接头螺栓的剪力。

2) 开挖前，靠近拱顶处的螺栓轴力最大，随着下部正交隧道开挖，纵缝接头⑧−2处的螺栓轴力先随着隧道开挖逐渐增大，在掌子面靠近正交管片处时有所减小，之后逐渐上升。开挖前轴向应力值为95.0 MPa，开挖后增至108.2 MPa。

3) 环缝①~②处的螺栓在开挖前剪力值很小，但环缝接头随隧道开挖发生较大错台，此处的螺栓剪力亦随之增大，到下方隧道开挖完后剪力值达到33.7 MPa。

(a) 纵缝轴力；(b) 环缝剪力

图18 研究区段螺栓内力变化曲线

4 结论

1) 下部正交隧道开挖会引起既有隧道竖向收敛波动和拱底沉降。其中既有隧道与其正交处拱底沉降最大，正交处既有隧道的竖向收敛值最小，进而会对既有隧道结构受力产生不利影响。

2) 随着下部隧道开挖，纵缝接头变形以张开为主，环缝接头变形以错台为主。其中位于同一环中不同位置的管片纵缝接头变形规律不同，位于拱顶处变形最大，拱腰处变形最小，拱底变形处以两者之间。

3) 管片接头处应力集中明显，主要表现在环缝接头应力值，而对纵缝接头应力值的影响相对较小。其中环缝⑥~⑦的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值，此处混凝土有局部开裂危险，需要引起重视。

4) 接头螺栓受力变化主要表现在纵缝接头螺栓的轴力和环缝接头螺栓的剪力。开挖前轴力应力值为95.0 MPa，开挖后增至108.2 MPa；开挖前剪力值为1.01 MPa，开挖后增至33.7 MPa。可见，下部正交隧道开挖对既有隧道的管片受力影响显著，需引起重视。

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Study on the influence law of underpass construction of new tunnel on the disturbance of existing upper shield tunnel

ZHANG Haohao1, LEI Mingfeng1, 2, LIU Linghui1, LI Yufeng3, TANG Qianlong1, 4, WANG Lichuan1, 5

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha, 410075, China;3. China Construction Tunnel Construction Co., Ltd., Chongqing 401320, China;4. Jiangxi Transportation Vocational and Technical College, Nanchang 330013, China; 5. China Railway Chengdu Group Co., Ltd, Chengdu 610082, China)

To further understand the influence caused by construction of underline shield tunnel on the existing shield structure, a three-dimensional non-continuous refined numerical model was established by non-linear contact theory and multi-scale hybrid modeling technology. The emphases were put on the stress and deformation of segment and joint structures of existing tunnel, especially when the underline shield tunnel is passing through perpendicular to the existing one. The results show that under the construction of underline tunnel, integral sinking is observed in the existing one, which is characterized by fluctuant vertical convergence and significant settlement of inverted arch. Besides, the deformation of joints at longitudinal and circumferential seams of lining show significant opening and dislocation respectively, and the largest deformation is found in the vault. The stress concentration is obvious around the joints at circumferential seam of lining, where the maximum and minimum stress values almost reach to the design values of concrete strength nearthe intersection of two tunnels, resulting in high risk at local cracking. On the other hand, significantly increased shear stress of longitudinally connected bolt is detected during construction of underline shield tunnel.

shield tunnel; underpass construction; three-dimensional discontinuous contact model; segment joint

TU122

A

1672 − 7029(2020)02 − 0396 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190297

2019−04−14

湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ3657)；江西省教育厅科学技术研究资助项目(GJJ171292)；中建隧道科技研发课题(cscec5b- SUI-2019-02)；中国铁路成都局集团有限公司科技研究开发计划资助项目(CX1919)

雷明锋(1982−)，男，湖南祁东人，副教授，从事隧道及地下工程专业教学与科研工作；E−mail：124520238@qq.com

(编辑 蒋学东)