摘　要：以某新建盾构隧道拟近距离垂直下穿苏州地铁１号线区间隧道为研究对象，采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对盾构隧道施工过程进行三维弹塑性数值模拟，分析不同间距时新建隧道垂直下穿对既有地铁隧道的影响。结果表明：应力、弯矩、轴力和土层位移均随着开挖步的增加而增加；新建隧道开挖对既有隧道的影响在３倍新建隧道直径范围之内；在条件允许的情况下，新建隧道垂直下穿既有隧道的间距应大于０．８倍新建隧道直径，否则，应采用改变施工参数、加固既有隧道周围土体等施工措施，降低既有隧道截面的应力、弯矩、轴力和土层位移的增加值，确保既有隧道结构的安全和新建隧道的顺利掘进。　　

关键词：盾构隧道；隧道间距；衬砌；应力；弯矩；轴力；土层位移

 

      近年来，随着城市轨道交通的不断发展，新建隧道下穿既有运营隧道的情况不断增多。既有运营隧道施工时已经对周围土体产生了扰动，新建隧道下穿施工将对土体产生二次扰动，加剧土体的变形和沉降，若防护措施不利，将导致既有运营隧道出现衬砌破坏或者变形过大，影响既有地铁运营的安全。因此，研究新建隧道下穿施工对既有运营隧道造成的影响，采取合适的防护措施保障既有运营隧道的安全，成为新建隧道施工必须解决的问题。

      国内外关于盾构隧道施工引起周围环境影响的研究已有３０多年的历史，并取得显著成果^{［１－２］}，而对于新建隧道邻近施工对既有隧道的影响则是近年来研究的主要课题^{［３－８］}。但是，关于新建隧道下穿既有隧道的研究大多是从位移沉降角度^［９］进行分析，对隧道衬砌内力研究涉及较少。因此，本文以某新建地铁隧道拟垂直下穿苏州地铁１号线区间隧道为例，采用有限元数值模拟方法，分析新建隧道拱顶距既有隧道拱底不同间距时既有隧道衬砌内力及土层位移的变化规律。

 

１　工程背景　　

      苏州地铁１号线金枫路站—汾湖路站区间隧道为既有隧道，区间右线ＤＫ１＋６３１．０００处地层剖面状况及既有隧道与新建隧道的位置关系如图１所示。既有隧道为正在运营的隧道，顶端上覆土层厚度为１１ｍ。新建隧道和既有隧道的尺寸均为：直径６．２ｍ、内径５．５ｍ、管片厚度０．３５ｍ、每环管片宽度１．２ｍ、注浆层厚度０．１１ｍ。区间地下水位较深，位于⑥黏土层层底，故不考虑地下水对隧道施工的影响。

      采用ＡＮＳＹＳ有限元软件对该工程建立有限元模型。为消除边界效应的影响，模型沿既有隧道轴向 （即ｘ向）取４５ｍ、竖向 （即ｙ向）取３６ｍ、沿新建隧道轴向 （即ｚ向）取４８ｍ。所有边界条件均为位移边界条件，其中模型四周及底面采用垂直约 束，上表面为自由边界。土层、隧道采用ＳＯＬＩＤ４５六面体８节点单元进行模拟，建立的有限元模型如图２所示。

      根据图１所示的地质剖面，结合地质勘探报告，将土层概化为４层，各层基本物理力学参数见表１。鉴于盾构施工的特点，将盾尾空隙的大小、注浆填充程度、衬砌外侧土体受扰动的范围等一些与施工关系密切但又不易量化的变量，概化为均质、等厚、弹塑性的替代层，使之与考虑盾尾空隙、注浆填充程度、土体自然填充、衬砌外侧土体受扰动程度等多种施工因素造成的地面沉降程度等效^［１０］。并根据修正惯用法理论对隧道衬砌刚度进行折减，取刚度折减系数λ＝０．８，隧道衬砌结构混凝土等级为Ｃ５０，基本物理力学参数见表２。隧道施工注浆压力为１５０ｋＰａ，掌子面顶推力为３００ｋＰａ，地面为市政交通道路，选择汽超－２０荷载为２０ｋＰａ。隧道衬砌按各向同性弹性材料考虑，土体和等代层本构采用Ｄｒｕｃｋ－Ｐｒａｇｅｒ准则。

      两隧道间距取新建隧道拱顶与既有隧道拱底间的距离。两隧道轴线间距取两隧道垂直交叉处两轴心线间的距离。计算工况取５种，分别对应两隧道间距取新建隧道直径 （Ｒ＝６．２ｍ）的０．３，０．５，０．８，１．０和１．２倍，详见表３。新建隧道模型两端边界各选取１８和６ｍ为一开挖步，中间垂直交叉部分以１．２ｍ为一开挖进步，共有１６开挖步。新建隧道各开挖步与既有隧道中心线的水平距离见表４。用生／死单元模拟新建隧道衬砌激活与核心土杀死的过程。考虑到既有隧道施工完成时间比较早，受扰动的土体在新建隧道开挖前已经完成了主固结沉降，故将既有隧道的沉降视为零。

      由于在两隧道垂直交叉处的既有隧道截面上的地表沉降和应力达到最大，故选取ｘ方向为应力方向，选取两隧道垂直交叉处的既有隧道截面为研究截面，这样可以消除边界效应的影响。

由有限元模型计算结果可知，环形截面最大压应力发生在衬砌拱顶处，环形截面最大拉应力发生在衬砌拱底处；最大正弯矩发生在衬砌两侧拱腰处，最大负弯矩发生在衬砌拱底和拱顶处；衬砌最大轴力发生在隧道拱顶和拱底处。

      不同工况时既有隧道截面最大应力、弯矩、轴力和土层位移与新建隧道开挖步的关系如图３—图６所示。其中：弯矩以衬砌外表面受压为正，受拉为负；轴力以衬砌环面受拉为负，受压为正；既有隧道正上方地表土层和既有隧道拱底土层作为土层沉降的研究对象。

      由图３—图６可以得出如下认识。

      （１）在开挖步０—１及开挖步１５—１６时，开挖面距既有隧道中心线的水平距离较远，应力、弯矩和轴力增加幅度均很小。因此，结合表４可知，新建隧道开挖对既有隧道的影响范围是距既有隧道中心线水平距离±１８．０ｍ，也即３倍新建隧道直径范围之内。

      （２）应力、弯矩、轴力和土层位移均随着开挖步的增加而增加；工况１和２中的应力、弯矩、轴力和土层位移增幅均较大，主要原因是两隧道的间距较小；１—３和１３—１５开挖步时应力、弯矩、轴力和土层位移增幅均较大，４—１２开挖步时应力、弯矩、轴力和土层位移增幅均较平稳，主要原因是开挖步长的长短 （６和１．２ｍ）；０—１和１５—１６开挖步时应力、弯矩、轴力和土层位移增幅均较小，主要原因是虽然开挖步较长 （６ｍ），但开挖面距既有隧道中心线的水平距离较远。

      （３）与新建隧道未开挖之前的应力相比，５种工况 的最大压应力增加值分别为２．７７，１．８１，１．２８，１．２０和１．００ＭＰａ，最大拉应力增加值分别为２．９３，１．８９，１．３７，１．３５和１．２９ＭＰａ。

      （４）与新建隧道未开挖之前的最大正弯矩３７．５０ｋＮ·ｍ、最大负弯矩－２９．２０ｋＮ·ｍ相比，５种工况的最大正弯矩增加值分别 为６９．８１，４５．３１，３２．４５，２９．６３和２８．０４ｋＮ·ｍ，最大负弯矩增 加值分别为－６４．１５，－３９．６５，－２６．７８，－２３．９７和－２２．３７ｋＮ·ｍ。

      （５）拱底处轴力由开始受压逐渐转为受拉，主要原因是随着新建隧道的开挖，既有隧道拱底处土层产生的沉降越来越大，使得衬砌在失去土层支撑的作用下有下沉的趋势，同时衬砌环间螺栓对它有反向约束的作用，使得拱底处轴力开始受拉。

      （６）与新建隧道未开挖之前既有隧道ｘ向最大正轴力９２．４ｋＮ相比，５种工况的拱顶处最终轴力增加值分别为８１５．１，６１３．５，５１８．０，４８０．８和４６６．１ｋＮ·ｍ，拱底处最终轴力增加值为－９４６．４，－７２９．１，－６２８．７，－６２３．６和－６１１．１ｋＮ·ｍ。

      （７）５种工况地表土层最终沉降值分别为－１５．０，－１０．２，－７．２，－６．５和－６．１ｍｍ，隧道拱底土层最终沉降值分别为－２４．０，－１９．２, －１６．２，－１５．５和－１５．１ｍｍ。

      （８）由工况１至工况５的应力、弯矩、轴力及位移增幅值比较可知，两隧道间距小于０．８倍新建隧道直径时，其内力和位移的增幅较大，对既有隧道的影响较大；两隧道间距大于０．８倍新建隧道直径时，其内力及位移对既有隧道的影响相对较小。因此，在施工条件允许的情况下，控制两隧道间距大于０．８倍新建隧道直径，从而确保既有隧道的安全及新建隧道的顺利掘进。

 

      （１）新建隧道开挖对既有隧道的影响范围是距既有隧道中心线水平距离±１８．０ｍ，也即３倍新建隧道直径范围之内。

      （２）工况１、工况２的应力、弯矩、轴力和土层位移均较大，对既有隧道造成的损害就较大，因此，在条件允许的情况下，新建隧道垂直穿越既有隧道的间距应大于０．８倍新建隧道直径。

      （３）既有隧道的沉降值决定着其内力的变化程度，而弯矩和轴力是衬砌设计的主要力学参数，因此，在新建隧道近距离穿越既有隧道时，应采用改变施工参数、加固既有隧道周围土体等施工措施，降低既有隧道截面的应力、弯矩、轴力和土层位移的增加值，确保既有隧道结构的安全和新建隧道的顺利掘进。