相邻线路盾构施工对既有隧道的影响

【摘要】随着交通网络不断完善，新建盾构隧道近距离穿越既有隧道的现象越来越多。盾构隧道近距离穿越既有隧道的影响问题，比常规盾构施工的研究更为复杂。采用离心模型试验对盾构下穿越对既有隧道以及周围地层的影响进行了研究。分析了盾构下穿越施工引起的地层及既有隧道的纵向位移变化规律。研究成果可为相邻线路盾构施工提供参考。

【关键词】盾构隧道；下穿越；既有隧道

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的情况时有发生。由于新线穿越既有线不可避免地会引起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依据《地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应

二、盾构施工概念

TBM（Tunnel Boring Machine）施工法，即全断面隧道掘进机隧道施工法，是靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成型的隧道施工方法。自问世以几十年以来，以其高效、安全、环保等优点，已被广泛用在水利交通采矿等领域。TBM法施工在国内外已取得了很大的成功，但失败的实例也越来越多地被报道。目前对TBM展开的研究多集中在刀具、施工预测及施工技术等方面。在隧道方案选择，特别是长大隧道施工采用常规或是TBM法施工的选择上，还是建立在一般的比较上，没有完整的选择方法。隧道工程往往涉及资金投入大、工期长、相关因素多，如何选择合理的施工方案尤为重要。盾构施工法是使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。

三、盾构下穿引起上覆隧道沉降理论分析

盾构在推进时，有一定的超挖土量，在地层与管片间会留有空隙，虽有同步注浆，但水泥浆强度的升高需要一定的时间，且土层中有大量的孔隙，很难保证注浆的质量，这会引起地层应力释放，因此四周土体会挤向隧道，继而引起上覆地层沉陷。同时由于隧道的“长条”结构表现出一定的柔性，地层的沉陷会带动既有隧道结构发生位移和变形。到目前已经有些学者和专家根据实际工程提出了相应的理论和经验公式来计算地下工程施工引起的沉降，Peck等学者提出的沉降槽理论和公式，虽然可以初步计算地面沉降大小，但是不能计算出不同深度处的沉降。一方面，由于各地地层及地下水对盾构施工期间影响的差异性及施工技术的不均衡性；另一方面由于结构效应，上覆既有隧道不管在纵向还是横向上，都有一定的刚度，一般比其所在地层的大[1]。因此很难用统一的理论和公式准确地计算出盾构下穿时引起的既有隧道的位移。

四、盾构施工三维有限元模拟方法

盾构近距离下穿既有隧道问题是盾构、土体和既有隧道三者共同作用的问题。三维有限元法由于能够比较好地模拟隧道掘进过程及掘进过程产生的三维效应，如盾尾注浆、隧道开挖面土体的扰动等，而被广泛运用于盾构隧道施工对环境影响的模拟中。

对于新建隧道盾构施工过程的动态模拟，用改变单元材料的方法来反映盾构的向前推进，被开挖的单元用刚度极小的单元代替，而对应于盾壳、管片及注浆材料的位置分别将单元刚度用钢、管片和浆液的刚度替换。为计算简便，可假定盾构机每步推进3m(2倍管片宽度)。

盾构掘进过程数值模拟的关键是刀盘、盾壳和盾尾这三部分与土体间的相互作用关系的模拟。对于盾尾注浆，在盾构施工中当衬砌脱离盾尾后，在隧道开挖壁面和衬砌外环将形成一环形间隙，若忽略注浆及其压力的作用，土体将向这一间隙移动并产生较大位移。同时，注浆时浆液填充空隙并向土体内渗人，随后逐渐硬结，若不考虑注浆材料的硬化，而用等代层模拟也会使沉降值偏离实际。由于盾尾注浆这一交互作用将形成土与水泥浆的混合体，因此可将注浆体用弹性模型模拟。采用注浆材料的变刚度等效法来模拟注浆材料的硬化，初始弹性模量取为2.07MPa，浆液凝固后，采用提高材料的力学参数进行模拟，硬化后的弹性模量为1GPa。由于注浆体是由液态逐渐硬化成固态，但液态浆体难以模拟，故采用等效均布力来模拟盾尾同步注浆，其值为0.2MPa。下为模拟盾构推进示意图。

图1 模拟盾构推进示意图

采用三维有限元软件MIDAS／GTS对新建隧道盾构穿越施工进行三维有限元模拟。研究表明地下隧道开挖后的应力应变，仅在隧道周围距离隧道中心点3～5倍隧道开挖直径的范围内存在实际影响，从而确定模型沿新建隧道纵向长130m，宽120m，高35m，共7810个单元，47402个节点。边界条件：模型两侧边界限制水平方向位移；底部限制竖直方向位移；地表为自由表面(为简化计算，地表面模拟为水平面)，下部新建隧道正交下穿上部既有隧道。

土体采用莫尔一库仑模型，土层参数见表1。盾壳与管片所对应的单元均采用弹性模型，其中管片力学参数按《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002) 选取，考虑到管片衬砌结构是通过螺栓将单个管片连接在一起的整体结构，具有横观各向同性性质，采用均质体等效管片衬砌时，需乘以刚度折减系数0．8，折减后的管片材料参数见表1。

图2为新建隧道盾构下穿施工后既有隧道的沉降曲线，可以看出：新建隧道盾构下穿引起的既有隧道沉降计算值与实测值具有较好的一致性。沉降曲线符合正态分布且具有“双峰”特征，即衬砌最大下沉发生位置不在对称面处。这是由于当既有隧道与新建隧道间的相对距离(2．275m)小于两新建隧道中心间的水平距离(13m)时，新建隧道左、右线施工产生的影响相互叠加所致。同时，既有隧道发生不均匀水平位移[2]。数据分析可参考图3。

图2 既有隧道沉降曲线

图3 既有隧道水平位移曲线

五、交叉隧道盾构施工参数与交叉角度对既有隧道的沉降影响

隧道开挖施工引起地层的位移可能会引起附近建筑物或其他各类结构的变形，甚至造成灾害。运用三维有限元方法，采用变刚度等效法来模拟注浆材料的硬化，同时采用等效均布注浆压力来模拟盾尾同步注浆，分析了不同的盾构顶进力、盾尾注浆、千斤顶推力等施工参数以及不同的隧道交叉角度下，交叉隧道盾构施工对既有隧道沉降的影响。结果表明如下：

新、旧隧道间的相互作用受隧道施工参数等因素的影响。既有隧道的沉降值随着盾构顶进力增大而减小。当顶进力为100kPa-400kPa时，既有隧道的沉降量变化不大；而当顶进力为500kPa时，既有隧道沉降出现突变且沉降值显著减小。具体分析见图4、图5。

图4 既有隧道沉降与盾构顶进力的关系

图5 既有隧道最大沉降随盾构顶进力变化曲线

2、注浆压力和注浆材料的硬化对既有隧道沉降产生直接影响。既有隧道的沉降随着注浆层参数的增大而减小，不考虑注浆时既有隧道沉降值最大，考虑注浆体硬化和注浆压力时次之，而用均质等代层模拟注浆体时的沉降值最小。详见图6。

图6 既有隧道沉降与盾尾注浆的关系

3、千斤顶推力的变化将对既有隧道沉降产生影响，当新建隧道盾构叩头推进时既有隧道的沉降值最大，曲线推进次之，抬头推进最小，且三者均大于正常推进时引起的既有隧道沉降值。详见图7。

图7 既有隧道沉降与千斤顶推力的关系

4、当交叉角度小于90。时，新建隧道盾构下穿施工引起的既有隧道沉降曲线的对称轴将偏离对称面一定距离，且交叉角度越小，偏离量越大。同时，既有隧道沉降值随着交叉角度的减小而增大[3]。详见图8。

图8 既有隧道沉降与隧道交叉角度的关系

六、结束语

本次试验对相邻线路盾构施工对既有隧道的影响进行了研究，主要采用三维有限元模拟方法等分析了交叉隧道盾构施工参数与交叉角度对既有隧道的沉降影响，得到了一定的结论，为今后相邻线路盾构施工提供了一定的理论依据。

参考文献

[1] 胡军,杨小平,刘庭金.盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析.铁道建筑.

[2] 张毅,房明.盾构隧道下穿既有隧道施工影响的三维数值模拟.广州建筑.2012,6.

[3] 房明,周翠英,刘镇.交叉隧道盾构施工参数与交叉角度对既有隧道的沉降影响研究.工程力学.2011,28(12).