盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响
摘 要:通过三维有限元方法对盾构近距离下穿越已建隧道的数值仿真模拟，得出盾构穿越施工时已建隧道随各进尺开挖的的沉降规律及施工影响特点，并根据实测反馈数据进行了对比分析，为合理确定施工方案和已建施工技术保护措施的选择提供可靠的依据。
关键词: 盾构; 下穿越; 三维有限元; 沉降; 监测
1 引 言
近年来，我国地铁建设发展迅速，地铁网络的逐步形成。当使用盾构工法新建隧道时，受地下空间限制及换乘的需要，不可避免地要穿越已建隧道，会遇到不同线路的隧道空间近距离交叉穿越问题。新建地铁隧道工程必须保证现有既有地铁线路的安全，施工面临极大的技术难度和安全风险。
文献［1］采用通用解析 Peck 公式解析计算了盾构施工引起的邻近地下管线平面处的土体竖向位移。文献［2］运用边界单元法解析计算了盾构掘进施工过程中对已建建筑的影响。有限元数值模拟盾构施工步骤、管片与土层接触面、开挖过程中地应力释放等具有独特的优势，文献［3 ～ 6］分别采用二维、三维有限元方法模拟了盾构隧道穿越施工中的深层土体的位移场及邻近隧道的变形规律，分析了覆土、土体强度、结构刚度等因素对已建隧道变形的影响。文献［7，8］通过实测数据对盾构近距离穿越扰动影响问题进行了定量分析。
针对上海地铁 7 号线某区间近距离下穿越地铁 1 号线盾构掘进工程，通过数值模拟，得出盾构法施工对近距离下穿越已建隧道的隆沉规律，为合理确定施工方案和施工技术保护措施的选择提供可靠的依据。并在监测反馈中得到印证，探讨了近距离下穿越施工技术控制要领。
2 工程概况
地铁 7 号线某区间隧道施工中，上、下行线隧道在 SDK17 +040 处穿越运营中的地铁 1 号线区间隧道。地铁 1 号线为正在运营的隧道，是上海市修建的第一条地铁隧道，目前日客流量在 100 万人次以上，本工程隧道施工时必须以百分百的把握确保地铁列车的运行安全。
( 1) 新建上、下行线隧道与地铁 1 号线隧道间距离很小，结构净距仅 1． 5 m。
( 2) 该处为两根隧道先后出洞施工。下行线隧道出洞完成穿越施工后 2 个月上行线隧道将再次出洞进行穿越施工，上行线盾构掘进使土体再次扰动。
( 3) 下行线盾构出洞推进 15 m 后与隧道呈98°相交、下穿。由于工作面压力没有通过前100 m试推进确定，要保持开挖面稳定难度较大。当下行线进入正常推进阶段后，而上行线再次进行出洞推进，隧道下行线距离常熟路站进洞口最近仅约18 m。
( 4) 地铁 1 号线隧道所处的土层主要为④淤泥质粘土层，本工程隧道所处的土层主要为⑤1灰色粘土层。该两层土属高压缩性土，地基承载力差，受扰动后沉降大、稳定时间长。
3 数值模拟
由于隧道开挖对邻近构筑物的影响具有很强的三维特征，二维有限元法无法模拟三维空间效应。而盾构隧道开挖的三维模拟可考虑的因素较多，包括土体的本构模型、开挖面支护压力、盾构千斤顶推力等，因此相对比二维模拟可以得到较为全面而理想的结果。本文采用三维有限元分析软件模拟地铁 M7 线盾构隧道下穿越运营中的地铁 1号线隧道的施工的力学性态以及对 1 号线隆沉变形规律。
3． 1 计算模型以及边界条件的确定
计算中假定如下: ①假定地表面和各土层均呈匀质水平层状分布; ②计算中考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间的纵向连接对衬砌结构整体刚度的折减作用; ③盾构每一推进步长为一环管片宽度 1． 2 m( 为缩短计算时间，计算中采用了 5 ～6 m/步长) ; ④不考虑盾壳本身与土体的挤压、剪切作用; ⑤不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的改变。
土体材料按照理想弹塑性介质来考虑，选取 8结点实体单元来模拟; 由于管片材料的刚度较大，一般认为在弹性范围内工作，故选取弹性壳体单元模拟。为了提高计算效率，模型取在单元的网格划分上做了适当简化，远离隧道的土体单元较大，两隧道相互交汇处单元划分较密，计算模型的长 ×宽 × 高 =57． 5 m ×57． 5 m ×39． 75 m( D = 6． 2 m，H = 13． 0 m) 。分析时采用齐次边界条件，除了上表面为自有面外，其余4 个侧面和底部均施加法向约束同时。
3． 2 计算工况设计
为了详细模拟盾构动态掘进过程，整个 M7 线开挖模拟共分 23 个工况，上下行线开挖各分 20 个工况，分别各进行 10 次进尺开挖。
( 1) 工况 1 为初始地应力场的模拟。
( 2) 工况 2 为 1 号线全长开挖并初始地应力场的模拟，得到七号线未开挖前土体和 1 号线的原始应力场。
( 3) 工况 3 至 13 为下行线开挖进尺，进行衬砌拼装，盾尾同步注浆及开挖面压力的模拟。盾构切口分别方向 z 坐标分别为 － 6 m、－ 12 m、－ 17． 5 m、－ 22． 5 m、－ 27． 5 m、－ 32． 5 m、－ 37． 5 m、－ 42． 5 m、－ 48． 5 m、－ 57． 5 m。
( 4) 工况 13 至 23 为上行线进尺开挖，工况同上。
3． 3 模拟结果分析
2 进尺时，开挖了 12 m，盾构虽然在原状土内推进，但是受到隔离桩的屏蔽作用，由图 3 可以看到 M7 线隧道 y 方向的位移被隔离桩限制，y 方向变形影响范围大为减小，且变形值减小，隧道周围土体竖向位移在 1． 11 ～6． 14 mm。说明出洞区围护桩加固与隔离对于减小上下行线推进对 1 号线影响有良好的作用。
3 进尺推进 17． 5 m 后，盾构穿越隔离桩区后对开挖面前方土体立即产生影响，由于已经达到 1号线下行线的边缘，可以看出 1 号线下行线下方土体的产生隆起 1． 2 ～ 5． 2 mm。隧道前方土体明显产生了扰动，扰动范围大体为前方向上向下沿45° － Φ /2，影响范围在前方 2D 盾构直径范围内。
由图 4 可，由于土仓压力的影响，在切口到达前逐步隆起，在盾构推进到 3 进尺 17． 5 m 时，即切口到达时达到隆起的最大值 1． 1 mm。在盾尾脱出后，由于开挖荷载的释放，1 号线下行线由隆起逐渐转变为沉降，最终沉降为 －5． 1 mm。说明盾构的推进过程对1 号线下行线的沉降呈先隆后沉的影响。
3 信息化监测
监测是施工的眼睛，是施工效果的直接反应。监测工作为信息化施工提供真实、及时、准确的数据，可了解盾构穿越对邻近已运营地铁隧道的扰动程度，并在此基础上，可进一步对现有的盾构施工参数方案进行优化，确保已运营地铁隧道的安全。因此，盾构穿越前，在地铁 1 号线隧道穿越影响区段内布设电子水平尺自动监测系统，通过连接电缆将监测数据传输到监控室，进行实时、精确的监测。在运行中的 1 号线隧道内设置自动差异沉降监测点( 静力水准仪) 进行差异沉降跟踪监测，监测范围为施工轴线两侧各 50 m 左右，测点间距为 2 m。上下行线隧道安装了 25 ×2 ×2 =100 个静力水准( 电子平尺) 测量传感器，采用计算机联网，在隧道盾构穿越 1 号线期间内进行实时监测。
4 计算结果与实测结果的对比
通过监测数据与三维数值模拟仿真结果对比分析，可以验证数值模拟的正确性。并可根据实时监测数据，修正模拟计算的参数，用以预测下一步开挖引起已建隧道隆沉变形的规律，以便及时采取相应的施工措施，控制已建线隧道的变形。
由图 6，三维数值模拟结果的计算结果在盾构通过前基本是吻合，而在盾构通过后存在较大差异，计算沉降比实测沉降大。由于计算软件的局限性，数值模拟无法模拟盾构推进时盾壳的摩阻力，因此在计算时1 号线的最大隆起值发生在盾构切口到达时。而实测时最大隆起值出现在盾尾脱出时。
盾构通过后，施工沉降和土体固结沉降将延续数月甚至更长的时间，隧道产生的沉降值较大，因此在盾构通过后必须采用注浆等措施控制长期沉降的发展［9］。因此，在施工方案中，在盾构通过后在 7 号线隧道内做补压浆处理以减少长期沉降，从而也导致图 6 中后期计算有沉降，而实测数据反应了注浆的效果。
5 盾构施工控制及隧道保护
5． 1 出洞口加固
由于盾构在出洞加固区，应力释放，无法保证同步注浆施工所需的围压，土体变形难以控制，倘若在盾构出洞时出现涌水、涌砂的情况，会引起地面沉降及土体流失，容易造成地铁 1 号线隧道出现差异沉降、运行隧道移位等情况，将对地铁 1 号线隧道造成不利影响，严重时甚至会危及地铁 1 号线的运行安 全。
一般出洞口加固区厚度为 3 m。为确保穿越和出洞的安全，综合考虑出洞与穿越施工的影响，本工程将出洞口加固体厚度扩大到 6 m 并进行满膛加固，加固方法为 φ850@600 三轴深层搅拌桩，加固土体无侧限抗压强度 0．5 ～0．8 MPa，渗透系数不大于1 ×10－ 8c / sm，桩深约 27 m，出洞加固区与地墙间的空隙采用一排 Ф650 高压旋喷桩加固处理。
从数值模拟可知围护加固与隔离对于减小上下行线推进对 1 号线影响有较大的作用。因此在出洞加固体外沿地铁 1 号线轴线方向，距离地铁 1号线 3 m 处设置 1 500 mm 厚 φ850 三轴深层搅拌桩隔断( 加固后 28 天强度 qu≥1． 2 MPa) 。
在穿越区地面上地铁 1 号线两侧梅花状预设七排 φ32 mm@1 200 mm 长度 17． 2 m 垂直注浆管共 203 根，注浆管水平相离地铁 1 号线隧道 1 m。必要时根据监测数据，进行跟踪注浆。
5． 1 盾构通过后拱顶补强注浆
盾构通过后地铁 1 号线隧道与在建 M7 线隧道间的 1． 5 m 厚范围内，存在7 号线施工期间所注的惰性浆液、还有被多次扰动过的土体，多种成分并存使得这一区域土体稳定性很差，加上上部地铁1 号线列车的运行，容易产生变形导致破坏。已建隧道沉降过大势必会对已运营隧道产生不可逆的不利影响，甚至影响隧道的安全。因此在这一区域注浆时，必须考虑使用快速有效的注浆方法，把土体短期内整合为具有一定强度的整体，作为地铁 1号线隧道的持力层以达到效控制长期沉降的目的。
具体做法是在 M7 线隧道内拱顶范围内压注水泥水玻璃浆液，加固注浆深度 1． 5 m。此外为防止 M7 线隧道位移，基底注浆和拱顶注浆同时进行。即在隧道上半部进行土体补强注浆的同时，在隧道下半部对称部位进行反压注浆［10］。
6 结 语
( 1) 在穿越施工前，利用三维数值仿真数值模拟可以对穿越施工中已建的沉降变形规律进行了预测，为施工方案的确定和已建隧道的保护提供了理论依据和决策数据。
( 2) 出洞口加固采用围护加固和隔离屏障等手段可有效减少盾构出洞及穿越推进对已建隧道的沉降影响。
( 3) 在盾构通过已建隧道后，可采用注浆等手段对已建隧道的应力释放及长期固结沉降进行有效控制。
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