行业要闻

 

摘  要: 针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。研究结果表明: 在盾构推进至距既有隧道边缘3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大; 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉降量与之相反; 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大，随既有隧道刚度增大而减小。为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。

关键词: 隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转

 

      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《上海市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 ＜ 20 mm;根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降差应 ＜ 4 mm。因此这类下穿工程对既有地铁的安全形成了严峻的考验。分析盾构下穿既有隧道的力学行为是非常必要的。

      姜忻良、赵志明等^［1］用理论推导的方法，提出隧道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式; 汪洋、何川等^［2］利用模型试验和数值分析的方法，并考虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力对上覆隧道的位移和附加应力的分布规律; 文献^［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进与上方近接隧道结构位移的关系; 陈越峰、张庆贺等^［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧道的沉降规律; 张海波、殷宗泽等^［7］运用三维数值模拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此的影响。

      本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下穿既有隧道全过程进行动态模拟。研究盾构下穿时，上方隧道竖向位移、横向变形与盾构的推力、位置及自身刚度的关系，从而找出盾构下穿时上方隧道位移、变形变化的趋势并给出相应的建议。

 

      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^［8］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。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。

      目前还没有公认的理论公式可以用来准确地计算盾构下穿引起的既有隧道的沉降，但是比较通行的方法有模型试验和数值模拟两种。前者对试验条件要求比较严格，否则将得不到符合工程的结果; 后者较易于实现，且有了一定的经验基础，是可行的方法。本文就是运用有限元方法对盾构下穿过程引起的一系列力学行为进行研究。

 

      该工程位于商业比较发达的地段，周围高楼林立，交通流量极大。根据相关的资料和现场调查，上方既有隧道为矿山法修建，其顶部埋深为 9. 4 m，左、右平行隧道中心距约为 17 m，隧道截面为“马蹄形”。下穿盾构隧道结构顶部的埋深为 17. 7 m，左、右平行隧道的中心距为 13 m，隧道的外径为 6 m，内径为 5. 4 m，管片厚度为 0. 3 m; 上、下交叉隧道外壁的最小净距为2. 3 m。上、下隧道的平面位置如图 1( 箭头指向为盾构推进方向) 。场地主要地层的物理及力学参数如表1。

      按照地铁设计图纸及勘查资料，确定隧道间的位置关系、距离和地层; 根据隧道埋深、交叉区域的大小、地层情况及相邻地铁车站位置，确定整体模型的大小为 137 m ×169 m ×35 m，如图 2 所示。本模型中的土体采用 M-C 本构，结构采用线弹性本构。

      上方隧道所在土层为可塑状粉质黏土; 下穿盾构隧道所在土层为硬塑状粉质黏土、红层强风化岩和红层中风化岩。相关的土层力学参数如表 1。上覆隧道采用矿山法修建，初次衬砌为喷射混凝土，厚度为 0. 3m，二次衬砌为现浇防水混凝土，厚度为 0. 3 m，为考虑上覆隧道刚度对其位移的影响，本文取 C20 和 C30 两种混凝土分别研究。模型中采用板单元模拟衬砌; 锚杆直径为 20，长 3 m，采用植入式桁架单元模拟; 盾构管片混凝土强度等级为 C50，模型中采用板单元来模拟; 梁、柱等结构均采用梁单元模拟。结构的材料力学参数均采用《混凝土结构设计规范》^［9］规定的指标。

      本模型中盾构的推进过程简化成: 通过“生死单元”模拟盾构作用在掌子面上的推力、管片、挖出土体及注浆，如图 3。荷载大小为掌子面的水土压力，侧压力系数 K 分别取 0. 7 和 0. 4，如图 4。盾构在下穿时，为了说明盾构位置与上方隧道位移的关系，特选取了临近上方隧道的三个位置( 依次为刚到达隧道边缘，隧道正下方，刚出隧道另侧边缘) 为重点分析地段，其它段均每次推进 6 m。

      为了获得盾构下穿时上方隧道纵向位移特征及力学行为，需要确定:

      1) 在盾构推力及上方隧道刚度不变的情况下，上方隧道发生最大位移时盾构所在的位置，即最不利位置的确定。

      2) 盾构推力一定，在上方隧道取不同的刚度时，上方隧道最大隆沉。取弹模分别为 25. 5 GPa 和 30. 0GPa( 分别对应于 C20 和 C30 混凝土) 进行研究。

      3) 纵向刚度不变，盾构以不同的推力推进时，上方隧道最大隆沉。

      图 5 示出了上方隧道的隆沉量大小和盾构位置之间的关系。取 E =30 GPa，K =0. 7 的情况研究。左线盾构先通过，右线盾构后通过。规定上方隧道右线中心为零点位置，盾构推进至隧道中心处之前的位置为负，之后的位置为正，隆起位移为正，沉降位移为负。

      根据图 5 结果可以得出如下几点结论:

      1) 当盾构推进至 － 3 m位置时，隧道隆起量最大，最大值约为 +1. 5 mm，之后隧道开始沉降，右线盾构通过时，最大沉降值约为 －13. 4 mm。

      2) 从整个过程来看，盾构推进至将要穿出既有隧道时，上方隧道的沉降增量最大，此位置即为盾构最不利位置。

      3) 右线盾构穿过后，上方隧道的累计沉降量约为－ 13. 4 mm，比左盾构通过时增大约 5. 4 mm，且发生在左线盾构隧道的正上方位置，这表明后通过的盾构，可以加强先通过的盾构引发的位移。

      在盾构推力( K =0. 7) 不变的情况下，考察不同刚度的上方隧道的位移，结果如图 6。正负号的规定与前相同。这里仅考虑盾构左线下穿上方右线的过程。

      分析图 6 结果可以得到如下几点结论:

      1) E = 30 GPa 时，上方隧道的最大隆起位移约为+ 1. 5 mm，最大沉降位移约为 － 8. 1 mm; E = 25. 5 GPa时，隧道的最大隆起位移约为 +0. 8 mm，最大沉降位移约为 －9. 1 mm。

      2) 上方隧道的隆起量大小随纵向抗弯刚度增大而增大; 沉降量大小随抗弯刚度增大而减小。

      在上方隧道的刚度( E = 30 GPa) 不变的情况下，对盾构以不同的顶推力下穿隧道发生位移的情况进行考察，结果如图 7。

      分析图 7 的结果，可以得出如下几点结论:

      1) 在上方隧道刚度不变的情况下，K = 0. 7 时，最大的隆起位移约为 +1. 5 mm，最大的沉降位移约为－ 8. 1 mm; K = 0. 4 时，上方隧道一直处于沉降状态，且最大沉降量约为 －9. 6 mm。

      2) 不同盾构推力下，上方隧道发生最大位移的位置相同，且盾构的最不利位置相同。隆起量随推力增大而增大; 沉降量随推力的增大而减小。

      3) 比较图 5、图 6 和图 7，可以认为上方隧道结构发生最大隆沉位移的位置与隧道的刚度及盾构推力无关，但是位移量的大小与它们紧密相关。

      总结以上的结论可以认为，以盾构推进至 －3 m的位置为分界点，之前引起上方隧道隆起，之后引起沉降。在盾构推力相同时，隧道隆起量随刚度的增大而增大，沉降随刚度的增大而减小。在刚度相同时，隧道隆起随推力的增大而增大，沉降随盾构推力的增大而减小。