試論新建盾構隧道垂直下穿對既有隧道的影響

呂建林

摘要：本文以某新建盾構隧道模擬垂直下穿城市地鐵隧道為例，運用了有限元數值模擬技術來研究盾構隧道的施工環節，并解釋了在間隔距離不同的情況下新建盾構隧道垂直下穿是如何對既有地鐵隧道造成影響的過程。

關鍵詞：盾構隧道；地表沉降；垂直建造

一、盾構隧道的定義及其內涵

盾構法作為暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，是指盾構機在地下掘進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制鋼筋混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。

盾構法施工的復雜性非常強，其作業水平直接決定了其對周圍環境的影響程度。因而，在準確把握盾構施工的主要因素的前提下進行理論分析，才能使得到的結果更符合實際情況。

二、盾構隧道的優點和缺點

（一）盾構隧道的優點

1、挖掘的速度快，安全性高。

2、建筑隧道全程基本上可以實現自動化作業，降低了工人的勞動強度，減輕了工作壓力。

3、不會對交通設施和地下管線造成影響。

4、隧道在河流中建造時不會阻礙航運工作，沒有施工噪音，不會受到氣候條件影響。

5、使施工過程更加經濟化，技術更加先進化。

（二）盾構隧道的缺點

1、每一條隧道都是結合了符合相關條件的信息制造的，因而具有很強的針對性，不能直接用于其他隧道的建設，需要進行改造。機器本身造價昂貴，施工成本高。

2、一旦出現隧道曲率半徑過小或隧道頂覆土太淺的情況就無法按照原有的方案施工。

3、在含水量較大的地質條件下施工，盾構法施工所用的拼裝襯砌，對達到整體結構防水技術要求較高。

4、在水底施工時，如果出現覆土太淺的情況，容易造成安全隱患。

5、采用全氣壓法疏干和穩定地層時，因施工條件較差，需要花費較大的成本來進行勞動保護。

三、建筑模型的模擬計算

國際社會對關于建造盾構隧道造成周圍地質環境破壞的相關課題的研究已取得了很大發展。近年來，新建盾構隧道下穿既有隧道已經引起了各方關注，并成為對相關項目研究的主要內容。然而目前對該課題的研究主要集中在地面下沉的方面，但是，關于新建隧道下穿既有隧道的研究大多是從位移沉降角度進行分析，缺乏對隧道襯砌內力的探索。為了說明此觀點，這里列舉了某新建盾構隧道模擬垂直下穿某城市地鐵隧道的事例，通過使用有限元數值模擬技術，進一步闡明了新建盾構隧道垂直下穿既有隧道時，對周圍土層變化產生影響的規律。

（一）建立幾何模型

保證計算結果的準確性離不開模型的模擬計算，其中，幾何模型的建立是模擬計算的前提和基礎。筆者在研究過程中，結合了土層變化、襯砌性質、盾構機器施工方式等因素，建立了比較符合實際情況的幾何模型。

整體模型高100m，長120m.寬90 m，如圖所示。越江隧道的軸線沿Y方向，地鐵隧道沿X負方向掘進。模型共43920個單位，43484個節點。如下圖1所示。

圖1 幾何模型構建示意圖

（二）選擇各項單元和參數

在實際作業中，盾構機殼體存在著很大的剛度，盾構殼由于其剛度較大，結合線性彈性本構關系，參考鋼結構來決定其彈性模量和泊松比的取值范圍。采用盾尾注漿的方法可以使被干擾破壞的土層更加穩固，其材料要大于土的特性值，小于水泥土的特性值。縱向螺栓與橫向螺栓將管片接連起來就形成了隧道的襯砌，一般情況下，使用錯縫拼裝的方式可以實現襯砌的整體性的目的。以上這些情況容易造成混凝土的實際剛度大于襯砌的剛度，使得縱向和橫向的剛度不一致。為了避免這些情況的出現，模型的襯砌使用線性彈性本構關系的原理制定。具體參數設定參考下表1：

（三）模擬施工過程

未受到任何干擾破壞的土層具有原始的應力狀態；開始最初的挖掘隧道的工程后，土層受到改變，土層的應力就會重新分布，越江隧道開挖后，地層受到擾動，引起土體應力重新分布，土層的應力狀態就變為了二次應力狀態；而新建隧道的動工又再一次改變了土層，應力狀態再次改變。所以，施工過程的模擬需要針對以上幾種情況來逐步進行。詳情如下圖2及圖3所示：

圖2

圖3

（四）研究分析計算結果

新建盾構隧道對既有隧道的影響突出表現在位于盾構隧道正上方的地鐵隧道截面，也就是建筑計算模型中新建盾構隧道軸向的對稱面。新建盾構隧道對既有隧道的影響程度是由在對稱面上產生的內力變化、橫向位移、最大沉降所反映出來的。施工所要關注的重點也要包括地鐵隧道縱向、橫向差異的沉降。因而要結合既有隧道在對稱面上的節點和新建盾構隧道在縱向的外邊緣點來進行計算結果的分析。

具體方法可研究下圖4：

圖4 隧道應力與位移隨開挖過程的變化曲線

（五）分析影響范圍

新建盾構隧道的工程項目對既有隧道的沉降、側移等方面的影響是必然的。但這些影響并不是廣泛的存在于所有地方，由于這項技術本身的特性，在一些部分只存在著極小的影響，也可以通過對技術的改良、操作水平的提升，讓這些影響不復存在，實際上，隨著建筑工程的不斷推進，這些影響也會慢慢消失。

從模擬施工過程的環節可以看出，盾構機在剛開始工作時，幾乎不會對既有隧道的側移、沉降等方面造成影響；在進一步的挖掘后，對既有隧道的側移、沉降完全沒有造成任何影響。這個觀察結果更進一步的證實了以上觀點。

（六）研究的結論

1、新建盾構隧道對既有隧道造成側移和沉降的影響都體現在對稱面處。通過對計算結果的研究可以得出這樣的結論：新建盾構隧道對既有隧道造成的下沉影響較大，側移影響較小。

2、新建盾構隧道對既有隧道的影響程度是由盾構機施工進度決定的。

3、隨著既有隧道所受到的壓力和應力不斷增加，可能會造成隧道表面的破裂和滲水情況，設計人員和施工人員需要特別關注這個問題。

4、新建盾構隧道垂直下穿對既有隧道的影響不存在普遍性，影響范圍是有限的。

結束語

結合以上研究成果來看，盡管新建盾構隧道垂直下穿會對既有隧道和土層造成一定程度的影響，但并不存在于所有環節，其影響只針對部分環節，影響程度也是可以隨著技術的不斷改良而逐漸降低的，因而總體上并不會阻礙到整個建筑工程的完成。只要各環節的工作人員具備高超的專業水平和職業素養，按照合理的流程作業，同時高度重視前文中提到的一些問題，靈活地處理好各種突發狀況，一定可以保障整個工程的順利進行。隨著更多高質量的、先進的隧道工程順利完工，我國的交通行業一定會更迅速地發展。

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