下穿已有隧道泥水盾構施工的預測分析

寧 寅， 馮 偉， 馬永其，3， 朱 斌

(1.上海大學上海市應用數學和力學研究所，上海200072; 2.上海隧道工程股份有限公司盾構工程分公司，上海200023;3.上海大學理學院，上海200444)

當今城市建設中，地下工程疊交設計、交叉施工、互相影響的情況越來越多.盾構法作為城市地下和越江隧道建設的一個重要方法，因其施工所引起的地層沉降將會影響周邊建(構)筑物、道路、管線等設施的使用安全，甚至引發一系列的環境危害，如倒塌、斷裂破損等［1-3］.因此，預測施工對環境的影響已成為了工程施工的一個重要問題.文獻［4］研究了在新建隧道與已有隧道對接的盾構施工中，兩隧道相互間的影響和對地表的影響.文獻［5］根據4條隧道相互影響的現場測量結果，從地層位移、襯砌內力等方面分析了隧道間的相互影響.文獻［6-8］研究了在大直徑泥水盾構施工過程中地層的變形規律.文獻［9-12］研究了平行隧道施工的相互影響及對地表的影響.文獻［13-19］分別研究了地鐵隧道盾構沿不同角度直線上穿或下穿施工時，對已有隧道的影響.

作為2010年上海世博會重大配套工程，打浦路隧道復線盾構施工將沿弧線近距離近似平行并斜下穿已有隧道，其施工過程必然會對已有隧道和地表產生影響.由于盾構施工期間已有隧道照常運營，因此，必須要保證已有隧道的安全.基于此，需要進行打浦路隧道復線盾構施工對已有隧道影響的預測研究，以便為施工提供參考，保證已有隧道的安全和隧道盾構施工的順利完成.本研究根據實際工程，建立了泥水盾構沿弧線斜下穿已有隧道施工的三維有限元模型，通過非線性計算，分析了在盾構施工過程中已有隧道發生的變形、產生的應力以及地表發生的沉降，預測了盾構施工對已有隧道和地表的影響.通過對沉降的實測數據與計算預測值的比較，驗證了分析預測的可信性.

1 工程背景

打浦路隧道復線將與打浦路隧道共同承擔穿越黃浦江的公路運輸任務，其浦東陸地段的淺覆土隧道位于已有的打浦路隧道西側.已有的打浦路隧道建成于1970年，設有一備用車道隧道，斷面均為矩形.已有隧道的浦東入口到備用車道處為圓弧，保持水平;備用車道以后軸線為圓弧切線，豎直下坡.復線隧道斷面為圓形，軸線為圓弧，整段豎直下坡.工程施工采用Φ 11.22 m的首臺國產大直徑泥水平衡盾構機，具體的相對位置如圖1所示.

圖1 隧道復線與已有隧道的位置關系Fig.1 Relative position of the tunnels

2 非線性有限元模擬

根據工程背景，選取沿隧道縱向長200 m，豎向深60 m，橫向寬150 m，作為計算區域.采用Abaqus軟件建立泥水盾構沿弧線斜下穿已有隧道施工的三維有限元模型.土體分為灰色粉質粘土、灰色淤泥質粘土、灰色粘土和灰色砂質粉土4層.新建隧道管片、已有隧道管片、盾構機、注漿材料、4層土體等均采用六面體三維實體減縮積分單元進行模擬，模型共計31 748個節點，27 827個單元，如圖2所示.

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element models

土體采用Drucker-Prager彈塑性本構模型，其他材料采用線彈性本構模型，具體材料參數如表1所示.

表1 主要土層和結構材料的計算參數Table 1 Parameters for numerical simulation

模型位移邊界條件為模型上表面是自由面，其余模型的4個側面和底面均施加法向約束.施加的荷載為重力、開挖面泥水壓力、盾殼與土體的摩擦力及盾尾注漿壓力.

盾構施工過程采用生死單元法進行模擬，整個過程分為如下5個步驟.

步驟1 初始地應力的計算與平衡.首先，殺死盾構、管片、注漿單元，就土體單獨施加重力，計算初始地應力場.然后，將初始地應力場施加于模型，進行地應力平衡.

步驟2 土體開挖，盾構掘進.殺死開挖土體，同時激活盾構單元，施加開挖面泥水壓力以及盾構殼體與土體的相互作用.開挖面泥水壓力取切口水壓上下限［20］的平均值，其中上限值Psu為

下限值Psl為

式中，γw為水容重，Hw為地下水高度，γ為土體濕容重，H為土體深度，K0為靜止土壓力系數，Ka為主動土壓力系數，c為土的內聚力，P0為常數.盾構殼體與土體的相互作用采用硬接觸模擬，摩擦系數取0.2.

步驟3 管片拼裝，盾尾注漿.殺死盾尾盾構單元，同時激活管片單元和初始注漿，施加盾尾注漿壓力.盾尾注漿壓力q［21］為

式中，K為注漿壓力系數，取1.3，γi為土層重度，Hi為土層深度.

步驟4 注漿硬化.殺死初始注漿，卸載盾尾注漿壓力，同時激活凝固注漿.

步驟5 循環步驟2～步驟4.每步長推進6 m作為計算步長，共4環管片，共計計算載荷步70步、133環管片.

3 預測分析

3.1 近似平行已有隧道的變形與應力分析

圖3為盾構施工對近似平行已有隧道變形的影響.可以看出，該隧道截面發生了沉降和傾斜，變形最大處發生在距盾構施工直線距離的最近處，即位于該隧道近施工側底部軸線方向18 m處.由于該隧道各部位距盾構施工的距離不同，隨著距離由近到遠，它們發生沉降和傾斜的程度也由大到小.

圖3 近似平行已有隧道的變形Fig.3 Deformation of the nearly parallel existing tunnel

圖4為近似平行已有隧道變形最大處的沉降隨施工進度變化的曲線.可以看出，隨著盾構施工的推進，該處不斷下沉，最大沉降為-5.51 mm.當注漿硬化后，新建隧道周圍土體的變形基本穩定，該處沉降也保持穩定，最終沉降為-5.50 mm，其中在盾構施工完成0～28環管片(即開挖面位置由軸線方向12 m推進到45 m)時，沉降為-4.23 mm，占最終沉降的76.77%.

圖4 近似平行已有隧道變形最大處隨施工進度的沉降曲線Fig.4 Settlement curve of the max deformation in the nearly parallel existing tunnel vs.construction process

圖5為盾構施工完成后，近似平行已有隧道近施工側底部沉降的變化曲線.可以看出，該隧道前30 m段由于距盾構施工近，底部沉降較大.隨著距盾構施工距離的增大，沉降逐漸減小.在該隧道軸線方向120～138 m處沉降出現微小波動，原因是該處為2個已有隧道的連接處，相互影響強化.

圖6為盾構施工完成后，近似平行已有隧道的Mises應力分布.可以看出，該已有隧道的整體應力不大，2個已有隧道連接處的應力狀態復雜，存在應力集中.應力最大處位于2個已有隧道的連接處，即該隧道頂部軸線方向121 m處.

圖5 施工完成后，近似平行已有隧道的沉降曲線Fig.5 Settlement curve of the nearly parallel existing tunnel when the construction completed

圖6 施工完成后，近似平行已有隧道的應力分布Fig.6 Stress distribution of the nearly parallel existing tunnel when the construction completed

圖7為近似平行已有隧道應力最大處的Mises應力隨施工進度的變化曲線.可以看出，在盾構施工完成64環管片(即開挖面位置在軸線方向108 m處)之前，盾構施工距該處較遠，應力基本保持不變，為750.0 kPa;當完成64～84環管片(即開挖面位置由軸線方向108 m推進到138 m)時，盾構施工處在斜下穿已有隧道的下方，由于土體和斜下穿已有隧道共同的擾動，應力增大，達到815.5 kPa;當完成84環管片后，盾構施工逐漸遠離斜下穿已有隧道，應力繼續增大，最終達到最大應力857.9 kPa，其中在盾構施工完成64～84環管片時，應力變化了65.5 kPa，為應力變化總量的60.7%.

3.2 斜下穿已有隧道的變形與應力分析

圖8所示為盾構施工對斜下穿已有隧道變形的影響.可以看出，隧道發生了沉降，且底板沉降較大.這是由于該隧道與盾構施工相交，變形最大處位于該隧道的底板中心，盾構施工軸線的正上方.

圖9為斜下穿已有隧道變形最大處的沉降隨施工進度變化的曲線.可以看出，在盾構施工完成60環管片(即開挖面位置在軸線方向102 m處)之前，盾構施工距該處由遠到近，沉降由小變大，沉降較小;當完成60～72環管片(即開挖面位置由軸線方向102 m推進到120 m)時，由于開挖面支護壓力大于水土壓力的作用，使變形由沉降變為微微隆起1.07 mm;當完成72～92環管片(即開挖面位置由軸線方向120 m推進到150 m)時，盾構施工穿過該處，變形由隆起再次變為沉降;且由于施工中實際開挖土體的體積大于隧道體積，引起了周圍土體的沉降，沉降迅速增大到-8.56 mm;當完成92環管片以后，盾構機逐漸遠離該處，沉降變化趨緩，并逐漸增至-9.70 mm.

圖7 近似平行已有隧道應力最大處的應力隨施工進度的變化曲線Fig.7 Stress curve of the max stress in the nearly parallel existing tunnel vs.construction process

圖8 斜下穿已有隧道變形圖Fig.8 Deformation of the oblique beneath existing tunnel

圖9 斜下穿已有隧道變形最大處隨施工進度的沉降曲線Fig.9 Settlement curve of the max deformation in the oblique beneath existing tunnel vs.construction process

圖10為施工完成后，斜下穿已有隧道底板中心沉降的變化曲線.可以看出，該隧道的底板整體發生沉降，在盾構施工軸線正上方的沉降最大，為-9.70 mm，沉降最大處兩側的沉降呈對稱分布.

圖10 施工完成后，斜下穿已有隧道底板的沉降曲線Fig.10 Settlement curve of the oblique beneath existing tunnel’s floor when the construction completed

圖11為盾構施工完成后，斜下穿已有隧道的Mises應力分布.可以看出，該隧道整體應力不大，應力最大處發生在該隧道頂板，即位于盾構施工軸線的正上方，施工前進方向的后棱邊處.

圖11 施工完成后，斜下穿已有隧道的應力分布Fig.11 Stressdistribution ofthe oblique beneath existing tunnel when the construction completed

圖12為斜下穿已有隧道應力最大處的Mises應力隨施工進度的變化曲線.可以看出，在盾構施工完成60環管片(即開挖面位置在軸線方向102 m處)之前，盾構施工距該處較遠，應力基本保持不變，約為260.5 kPa;當完成60～84環管片(即開挖面位置由軸線方向102 m推進到138 m)時，盾構施工靠近并下穿該處，應力值從268.0 kPa先略微增大到301.1 kPa，再減小到227.6 kPa，變化較小;當完成84～104環管片(即開挖面位置由軸線方向138 m推進到168 m)時，盾構施工穿過并逐漸遠離該處，應力迅速增大，達到926.3 kPa;當完成104環管片后，應力增速減緩，最終達到1 081.7 kPa，其中在盾構施工完成84～92環管片(即開挖面位置由軸線方向138 m推進到150 m)時，應力變化了476.5 kPa，為應力變化總量的58.0%.

圖12 斜下穿已有隧道應力最大處的應力隨施工進度的變化曲線Fig.12 Stress curve of the max stress in the oblique beneath existing tunnel vs.construction process

3.3 地表的沉降分析

圖13為計算區域整體地表沉降的計算結果.可以看出，地表沉降發生在盾構施工軸線及其兩側，呈對稱分布，且沿軸線的沉降較大，軸線兩側的沉降逐漸減小.隨著盾構的推進，埋深增大，地表沉降增大，且沉降區域增大.地表沉降最大處發生在盾構施工軸線地表，位于軸線方向162 m處.由于斜下穿已有隧道混凝土結構的剛度比較大，對土體具有支護作用，因此，斜下穿已有隧道處地表沉降區域較小，且沉降值也較小.

圖13 地表沉降計算結果Fig.13 Results of ground settlement

圖14為地表沉降最大處隨施工進度的變化曲線.可以看出，在盾構施工完成72環管片(即開挖面位置在軸線方向138 m處)之前，盾構施工距該處由遠到近，沉降由小變大，沉降較小;當完成72～80環管片(即開挖面位置由軸線方向120 m推進到132 m)時，由于開挖面支護力作用，該處沉降微微減小;當完成80環管片以后，由于下方土體卸載，地層損失，沉降迅速增大直至達到124環時的穩定狀態，最終沉降為-19.39 mm.

圖14 地表沉降最大處隨施工進度的沉降曲線Fig.14 Settlement curve of the max settlement in ground vs.construction process

圖15為施工完成后，盾構施工軸線地表沉降的變化曲線.可以看出，軸線地表整體下沉.地表最大沉降為-19.39 mm，位于盾構施工軸線方向162 m處.這是因為在軸線方向162 m以前，覆土由盾構機直徑的0.85倍增大到1.55倍，該段施工上浮現象較明顯，埋深增大，上浮減小，地表沉降增大.在軸線方向162 m以后，覆土大于盾構機直徑的1.55倍，埋深增大，邊界效應減弱，地表沉降減小，其中斜下穿已有隧道處地表沉降較其他位置小，沉降最小處為-5.35 mm.這是由于存在已有隧道，因此，該處土層薄，土體重量輕，且已有隧道的混凝土結構對土體也具有支護作用.

圖15 施工完成后地表沉降曲線Fig.15 Ground settlement curve of new tunnel when the construction completed

4 監測與驗證

施工中分別對地表和已有隧道的沉降進行了監測.地表監測點的設置為：沿盾構施工軸線方向，0～20 m段每3 m布置一個沉降監測點，20～50 m段每4 m布置一個沉降監測點，50 m以后每5 m布置一個沉降監測點.近似平行已有隧道監測點的設置為：沿軸線方向0～120 m段，在該隧道內近施工側墻上每20 m布置一個沉降監測點.斜下穿已有隧道監測點的設置為：以2個已有隧道的連接處為起點，沿軸線方向，在該隧道內底板左側每22 m布置一個沉降監測點.

圖16為盾構施工完成8環管片時，近似平行已有隧道內監測點實測值與計算預測值的比較結果.圖17為盾構施工完成88環管片時，地表監測點實測值與計算預測值的比較結果.圖18為斜下穿已有隧道內一監測點隨施工進度變化的沉降實測值與計算預測值的比較結果.可以看出，實測與計算預測的沉降趨勢相同，說明預測結果是有效和可行的.但實測值與計算預測值也存在一定的誤差，這是由于實際工程條件復雜，土體分布不均勻，施工參數不斷調整，而模型計算則對工程條件和土體分布進行了簡化，施工參數保持不變等原因造成的.

圖16 施工完成8環管片時，近似平行已有隧道沉降值的比較Fig.16 Comparisons of settlement of the nearly parallel existing tunnel when 8th lining completed

圖17 施工完成88環管片時，地表沉降值的比較Fig.17 Comparisons of ground settlement when 88th lining completed

5 結論

(1)預測了施工對近似平行已有隧道的影響.近似平行已有隧道發生了沉降與傾斜，其變形隨距盾構施工直線距離的增大而減小.變形最大處發生在距盾構施工直線距離最近處，且變形主要發生在盾構施工近似平行經過期間.應力集中出現在2個已有隧道的連接處，且應力變化主要發生在盾構施工下穿斜下穿已有隧道期間.

圖18 斜下穿已有隧道隨施工進度的沉降比較Fig.18 Comparisons of settlement of the oblique beneath existing tunnel vs.construction process

(2)預測了盾構施工對斜下穿已有隧道的影響.斜下穿已有隧道發生沉降，其底板變形較大，且變形隨距盾構施工軸線距離的增大而減小.變形最大處發生在底板中心，位于盾構施工軸線正上方，且變形主要發生在盾構施工下穿該隧道期間.應力最大處發生在該隧道頂板，即位于盾構施工軸線正上方，施工前進方向的后棱邊處，且應力變化主要發生在盾構機下穿該隧道期間.

(3)預測了盾構施工對地表的影響.地表沉降發生在盾構施工軸線及其兩側，且呈對稱分布，軸線沉降最大，沿兩側逐漸減小.隨著盾構推進，埋深增大，地表沉降區域增大.地表沉降最大處發生在盾構施工軸線地表，位于軸線方向162 m處，且沉降變化主要發生在盾構機下穿該處的施工期間.

(4)通過比較沉降的實測數據與計算預測值，驗證了預測結果的有效性和可信性.

［1］ 劉建航，侯學淵.軟土市政工程施工技術手冊——對構筑物影響預測和防治［R］.上海：上海市政工程管理局，1990：20-23.

［2］ 尹呂超，朱振宏，李玉珍，等.日本隧道盾構新技術［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999：112-115.

［3］ 日本鐵道綜合技術研究所.近接既有隧道施工對策指南［R］.1996：30-35.

［4］ YAMAGUCHII，YAMAZAKII，KIRITANIY.Study of groundtunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity，in relation to design and construction of parallel shield tunnels［J］.Tunelling and Underground Space Technology，1998，13(3)：289-304.

［5］ LOK W，CHONGL K，LEUNGL F，et al.Field instrumentation of a multiple tunnel interaction problem［J］.Tunnels and Tunnelling，1998，30(6)：1045-1050.

［6］ 林志，朱合華，夏才初.近間距雙線大直徑泥水盾構施工相互影響研究［J］.巖土力學，2006，27(7)：1181-1186.

［7］ 汪成兵，劉豐軍，廖少明，等.大直徑泥水盾構淺覆土掘進隧道穩定性分析［J］.公路，2007(9)：216-219.

［8］ 尚國慶，馮偉.超大型泥水平衡盾構施工的三維非線性模擬［J］.上海大學學報：自然科學版，2009，15(5)：541-545.

［9］ SOLIMANE，DUDDECKH，AHRENSH.Two-and threedimensionalanalysis ofclosely spaced double-tube tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1993，8(1)：13-18.

［10］ 陳先國，高波.地鐵近距離平行隧道有限元數值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9)：1330-1334.

［11］ 何川，蘇宗賢，曾東洋.盾構隧道施工對已建平行隧道變形和附加內力的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(10)：2063-2069.

［12］ 姚捷，楊光華，張玉成，等.相鄰線路盾構施工對既有隧道的影響［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(S2)：3945-3951.

［13］ 何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響［J］.土木工程學報，2008，41 (3)：91-98.

［14］ 李強，曾德順.盾構施工中垂直交叉隧道變形的三維有限元分析［J］.巖土力學，2001，22(3)：334-338.

［15］ 徐前衛，尤春安，李大勇.盾構近距離穿越已建隧道的施工影響分析［J］.巖土力學，2004，25(S)：95-98.

［16］ 張海波，殷宗澤，朱俊高.近距離疊交隧道盾構施工對老隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2005，26(2)：282-286.

［17］ 張志強，何川.南京地鐵區間盾構隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關鍵技術研究［J］.巖土力學，2005，26(11)：1711-1716.

［18］ 胡群芳，黃宏偉.盾構下穿越已運營隧道施工監測與技術分析［J］.巖土工程學報，2006，28(1)：42-47.

［19］ 李圍，何川.盾構隧道近接下穿地下大型結構施工影響研究［J］.巖土工程學報，2006，28(10)：1277-1282.

［20］ 李昀，張子新，張冠軍.泥水平衡盾構開挖面穩定模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29(7)：1074-1079.

［21］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004：383-393.