軟土盾構隧道近距離穿越既有地鐵影響數值分析

丁智，吳云雙，張霄，陳凱

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軟土盾構隧道近距離穿越既有地鐵影響數值分析

丁智1，吳云雙1，張霄1，陳凱2, 3

(1. 浙江大學城市學院 土木工程系，浙江 杭州，310015； 2. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083； 3. ?浙江交通職業技術學院，浙江 杭州，311112)

為了研究新建盾構隧道施工對既有地鐵的影響，采用數值分析方法，針對軟土地質分別改變兩隧道凈距與角度進行計算，從而得到不同工況下既有地鐵變形和襯砌內力變化規律及近接分區范圍。研究結果表明：兩隧道凈距與角度不同，既有地鐵變形與襯砌內力變化不同，上穿施工較下穿施工更加危險，斜穿施工引起既有地鐵變形和襯砌內力發生偏轉；得到軟土地區近接分區影響范圍，當近接區段位于強影響區時需對既有地鐵進行加固，進一步將分區研究成果應用于杭州地鐵4號線穿越1號線實際工程，實測數據表明分區研究成果較為合理。

盾構隧道；隧道變形；襯砌內力；近接分區

近年來，隨著軌道交通的不斷發展，不可避免得會出現新建盾構隧道近距離穿越既有地鐵的情況。尤其在軟土地區，新建盾構隧道施工將擾動周圍土層，進而危及既有地鐵的結構安全[1?4]。如上海地鐵7號線近距離穿越1號線時經注漿加固后1號線仍有超過5 mm的沉降。為了保證新建盾構隧道施工的順利進行和既有地鐵的安全，有必要對盾構穿越可能引發的既有地鐵變形及內力變化開展精細化分析。針對上述問題，國內外學者展開了相關研究[5?12]。丁傳松等[5]根據現場實測數據，對盾構上穿和下穿時既有地鐵的變形特點進行了分析，證明了盾構上穿會造成下部隧道隆起，且隆起變形呈拋物線，二次穿越中隧道變形具有疊合效應。徐前衛等[6]利用有限元方法進行數值計算，分析了盾構推進而引起的土層擾動規律和既有地鐵變形影響；劉樹佳等[7]依托上海地鐵11號線上穿4號線工程，建立有限元模型研究在不同凈距、不同土倉壓力、不同注漿量下新建隧道上穿既有地鐵管片變形的影響，結果表明凈距影響最大，并進一步提出了多線疊交隧道施工系數的概念；方勇等[8?9]采用有限元軟件ANSYS研究修建平行隧道和下穿隧道時，分析了既有地鐵變形和襯砌內力變化規律，發現平行施工對既有隧道產生“側向加載”效應；廖少明等[10]利用數值計算，對不同穿越次序引起的既有地鐵變形及地層擾動影響進行比較分析；房名等[11]研究了施工參數和穿越角度對既有地鐵沉降的影響，得出了隧道變形以縱向沉降為主且為正態分布的結論。上述研究主要針對既有地鐵變形和土層擾動規律，未考慮不同工況下新建盾構隧道開挖對既有地鐵襯砌內力變化的影響，亦未考慮軟土地區盾構施工對鄰近任意位置隧道的影響范圍，即無軟土地區近接分區影響的研究。為此，本文作者采用有限元模擬的方法，研究新建盾構隧道近接施工對既有地鐵變形和襯砌內力的影響，并提出軟土地區近接分區影響范圍。

1 盾構隧道施工數值模型驗證

1.1 模型及參數建立

依托杭州地鐵1號線施工實例[13]，采用Plaxis有限元軟件對盾構施工及參數選取進行模擬驗證。模型水平方向取60 m，豎直方向取40 m，地下水位線位于?4.0 m處。隧道外徑為6.2 m，埋深為19.0 m，襯砌厚度為0.35 m。

土體本構模型采用硬化模型(HS模型)，因為HS模型能同時反應土體壓縮與剪切變化，更符合軟土特性[14]。土體損失率為1.25%。地層剖面如圖1所示，各土層物理力學參數見表1。

圖1 地層剖面圖

表1 土體分層及物理力學參數

注：為重度；為黏聚力；為內摩擦角；0為小應變剪切模量；50為三軸試驗割線模量；oed為側限試驗切線模量；ur為卸載?重加載試驗模量。

襯砌管片采用板單元模擬，襯砌管片是由螺栓連接的整體結構，剛度折減系數取0.8[15]。襯砌注漿壓力起始深度為19 m，初始壓力為170 kN/m2，遞增壓力為20 kN/m2。襯砌物理力學參數見表2。模型網格劃分如圖2所示。

表2 襯砌物理力學參數

圖2 整體單元網格劃分圖

1.2 模型驗證

為了驗證盾構掘進數值模型參數的可靠性，本文選取G2(K29+970)監測點的地表沉降實測數據與該區段數值模擬結果進行對比，監測點分布如圖3所示，實測與數值模擬對比結果如圖4所示。從圖4可以看出：本文模型的計算結果與實測結果較為吻合，表明本文模型參數選取較為合理。

單位：mm

圖4 模型計算結果與現場實測值對比

2 新建盾構隧道近距離穿越既有地鐵數值模擬

2.1 模型建立

既有地鐵隧道與新建盾構隧道相對位置如圖5所示，研究兩隧道中心連線與水平線夾角分別為90°，45°，0°，?45°，?90°時不同凈距的影響(文中以逆時針為正，順時針為負)。利用有限元軟件Plaxis進行計算，兩隧道外徑均為6.2 m，襯砌厚度均為0.35 m，土體的本構模型仍為硬化模型(HS模型)。根據兩隧道相對位置關系的不同，共計算29種工況以探究軟土地區盾構隧道近接施工影響及分區范圍。土體物理力學參數與表1中淤泥質黏土相同，襯砌參數見表2，計算工況見表3。

圖5 兩隧道位置分布示意圖

表3 計算工況

2.2 不同工況下既有地鐵變形研究

為對比新建盾構隧道在不同位置處施工引起既有地鐵變形的規律，將各種工況下隧道變形示意圖繪制在同一圖中(隧道變形放大200倍)，如圖6所示。實線圓表示既有地鐵變形前形狀，虛線橢圓表示既有地鐵變形后形狀。

圖6 不同工況隧道變形圖

從圖6可以看出：既有地鐵最大位移和變形均在隧道凈距為0.25時達到。隨著兩隧道凈距的增大，既有地鐵變形逐漸減小。當隧道凈距達到1.5時，隧道幾乎不發生形狀改變，僅僅在整體位移上有變化；由于兩隧道穿越角度的不同，隧道偏離原有位置方向有所差異。豎直方向上(夾角為90°與?90°)，在卸荷作用和土體損失共同作用下，垂直上穿(夾角為90°)施工將引起既有隧道上浮，而垂直下穿(夾角為?90°)施工將引起既有隧道下沉，既有隧道呈“豎鴨蛋”形狀。當兩隧道凈距分別為0.25，0.5，1.0，1.5時，90°工況既有隧道最大變形量約為?90°工況的121.2%，116.4%，120.3%，119.4%。可知垂直上穿工況較垂直下穿工況對既有隧道的影響更大。對于夾角為45°，?45°這2種工況，由于新建隧道開挖的影響，隧道在豎向均產生位移，并且自身產生橢圓狀相對變形以及一定程度的旋轉。在0°工況下，隨著新建盾構隧道的掘進，既有隧道兩側拱腰偏離新建隧道，拱底略有下沉。就最大變形量而言，已建隧道最大變形量發生在靠近新建隧道的拱腰處，這與何川等[16]通過室內模型試驗得到的研究結果較為類似。

2.3 不同工況下既有地鐵襯砌內力分析

為探究不同工況下新建盾構隧道近接施工對既有地鐵襯砌內力的影響，采用極坐標圖繪制不同工況下襯砌內力變化情況示意圖(彎矩按比例縮小140倍，軸力縮小220倍)，見圖7和圖8。為比較新建盾構隧道施工前后既有隧道襯砌內力的變化情況，在每張圖中均加入新建盾構隧道開挖前既有地鐵隧道的襯砌內力圖(圖中以單個隧道表示)。

從圖7和圖8可以看出：新建盾構隧道在豎直方向開挖，由于卸荷作用，既有地鐵隧道的豎向壓力向兩側土體擴散而減小，從而使既有地鐵隧道彎矩相比新建盾構隧道施工前有所減小。其中襯砌左右兩側彎矩顯著減小，上下頂點彎矩略有減小。

圖7 90°各工況襯砌內力圖

圖8 ?90°各工況襯砌內力圖

同樣由于卸荷作用，在90°工況中既有隧道襯砌軸力較新建盾構隧道開挖前有所減小，其中拱頂與拱底軸力顯著減小，兩拱腰處變化不大，當兩隧道凈距為0.25時，既有隧道襯砌軸力為新建盾構隧道開挖前襯砌軸力的16.7%。由圖8(b)可得：在夾角為 ?90°工況下，隧道襯砌軸力變化與夾角為90°工況時的相反，襯砌軸力較新建盾構隧道開挖前反而增大，這是由于隨著埋深的增加，土的自重應力增大，并在較大的注漿壓力作用下抵消了卸荷作用。這與NGOC-ANH[17]的研究結論相符。

從圖9和圖10可以看出：對于盾構隧道斜穿工況而言，由于新建盾構隧道開挖引起的“卸荷”作用使既有隧道襯砌內力減小，而同時引起的“偏壓”作用使既有隧道襯砌內力增大，故當新建隧道開挖完成后，既有隧道襯砌內力變化較小。模擬結果表明：當兩隧道凈距分別為0.25，0.5和1.0時，夾角為45°工況彎矩變化僅為夾角為90°工況的14.4%，12.2%和9.0%，夾角為45°工況軸力僅為夾角為90°工況的17.0%，20.4%和15.2%。但值得注意的是，在夾角為?45°工況中，襯砌彎矩變化十分明顯，這是由于新建盾構隧道斜下穿開挖引起的卸荷作用遠大于偏壓作用，使既有隧道襯砌彎矩減小。但隨著兩隧道凈距的增大，新建盾構隧道開挖引起的偏壓作用大于卸荷作用，既有隧道襯砌彎矩增大。隨著盾構隧道凈距的繼續增大(達到1.0時)，新建隧道開挖對既有隧道影響逐漸減弱，既有隧道襯砌彎矩逐漸減小。同時，從圖9和圖10可以看出：斜穿施工使既有隧道襯砌彎矩與軸力出現偏轉，夾角為45°工況下襯砌彎矩發生順時針偏轉，夾角為?45°工況下，襯砌彎矩發生逆時針偏轉。隨著隧道凈距的減小，襯砌彎矩的非對稱性更加顯著。后多次改變新建隧道斜穿角度，建立數值模型分析其結果，可以認為：新建隧道斜上穿(夾角為45°工況)施工使既有隧道內力出現順時針偏轉，斜下穿(夾角為?45°工況)施工使既有隧道襯砌和軸力出現逆時針偏轉。

夾角為0°時各工況襯砌內力如圖11所示。由圖11可見：平行盾構隧道施工將引起既有隧道產生一定的附加彎矩和軸力，軸力附加量略大于彎矩附加量，當兩隧道凈距分別為0.25，0.5，1.0和2.0時，軸力附加量約為彎矩的125.0%，121.3%，112.4%和107.6%。同時隨著凈距的增大，既有隧道附加內力更加趨于平緩。

2.4 近接分區影響

由于硬化土本構模型(HS模型)的特點，選用以下加載面方程對盾構隧道近接分區進行劃分[14]：

圖9 45°各工況襯砌內力圖

圖10 ?45°各工況襯砌內力圖

圖11 0°各工況襯砌內力圖

表4 各工況近接影響分區

由表4繪出軟土地區盾構隧道近距離穿越近接分區影響范圍如圖12所示，圖中間實線圓表示既有隧道輪廓，虛線圓表示新建盾構隧道輪廓，既有隧道輪廓與實線之間為強影響區域，實線與虛線之間為弱影響區域，虛線之外表示無影響區域。由圖12可知：新建盾構隧道上穿施工對既有隧道的影響最大，這與張曉清等[18]的研究成果較為一致。因此當既有地鐵影響保護要求較高時，優先采用下穿形式。

圖12 盾構隧道近接分區圖

3 近接分區應用

3.1 工程概況

由上述近接分區研究成果，在杭州地鐵4號線盾構隧道下穿運營隧道1號線上實際案例進行近接分區劃分應用。

杭州地鐵4號線從官河站修建，期間4號線下穿正在運營的1號線并到達終點站杭州火車東站。官~火區間與已運營的1號線在里程K21+092.343相交，兩隧道最小凈距2.12 m，4號線以23°下穿已建地鐵1號線，其中1號線埋深19 m，其主要穿越土層同表1。圖13所示為杭州地鐵4號線盾構隧道下穿運營隧道1號線的平面示意圖。

圖13 杭州地鐵1號線與4號線平面示意圖

3.2 成果應用

以兩隧道最小凈距2.12 m的最危險工況進行分析，應用分區成果如圖14所示，表明該區段位于強影響區域內。因而須對該區段既有隧道進行加固，選用20 mm鋼板及16b槽鋼進行管片的環、縱向加固，加固后隧道如圖15所示。經鋼環加固后，實測數據表明既有地鐵受施工影響較小，正下方穿越時隧道結構豎向沉降僅為1.67 mm，加固措施取得良好效果。同時，亦可以認為本文近接分區劃分較為合理。

圖14 最危險工況影響分區圖

4 結論

1) 盾構近距離穿越既有地鐵時，兩隧道之間的相對位置對既有地鐵影響較大。隨著兩隧道凈距增大，變形逐漸減小；由于兩隧道穿越角度的不同，不同工況下既有地鐵偏移方向有所差異。在卸荷作用及地層損失共同作用下，新建盾構隧道上穿對既有地鐵變形較下穿更大。夾角為90°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩減小，軸力減小。夾角為?90°工況下施工引起既有地鐵彎矩減小，軸力增大。

2) 夾角為45°工況下與夾角為?45°工況下施工對既有地鐵軸力影響較小，但夾角為?45°工況下施工對既有地鐵彎矩影響更大。新建隧道夾角為45°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩發生順時針偏轉，夾角為?45°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩發生逆時針偏轉。平行施工引起軸力附加量略大于彎矩附加量。

[1] 張瓊方, 林存剛, 丁智, 等. 盾構近距離下穿引起已建地鐵隧道縱向變形理論研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(S1): 568?572.ZHANG Qiongfang, LIN Cungang, DING Zhi, et al. Theoretical analysis of vertical deformation of existing metro tunnel induced by shield tunneling under-passing in a short distance[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(S1): 568?572.

[2] 梁榮柱, 夏唐代, 胡軍華, 等. 新建隧道近距離上穿對既有地鐵隧道縱向變形影響分析[J]. 巖土力學, 2016, 37(S1): 391?399.LIANG Rongzhu, XIA Tangdai, HU Junhua, et al. Analysis of longitudinal displacement of existing metro tunnel due to construction of above-crossing new tunnel in close distance[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(S1): 391?399.

[3] 張瓊方, 夏唐代, 丁智, 等. 盾構近距離下穿對已建地鐵隧道的位移影響及施工控制[J]. 巖土力學, 2016, 37(12): 3561?3568.ZHANG Qiongfang, XIA Tangdai, DING Zhi, et al. Analysis on the deformation effects of shield-driven undercrossing the existing metro tunnel in a short distance and construction control[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(12): 3561?3568.

[4] 張曉清, 張孟喜, 李林, 等. 多線疊交盾構隧道近距離穿越施工擾動機制研究[J]. 巖土力學, 2017, 38(4): 1133?1140.ZHANG Xiaoqing, ZHANG Mengxi, LI Lin, et al. Mechanism of approaching construction disturbance caused by multi-line overlapped shield tunnelling[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(4): 1133?1140.

[5] 丁傳松, 楊興富. 盾構近距離上穿對已運營隧道的變形分析[J]. 施工技術, 2009, 38(1): 48?50. DING Chuansong, YANG Xingfu. Influence analysis on shield tunnel up-crossing nearby built tunnel[J]. Construction Technology, 2009, 38(1): 48?50.

[6] 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(增): 95?98. XU Qianwei, YOU Chunan, LI Dayong. Analysis of construction influence of shield tunnel machine passing over old nearby tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(S): 95?98.

[7] 劉樹佳, 張孟喜, 吳惠明, 等. 新建盾構隧道上穿對既有隧道的變形影響分析[J]. 巖土力學, 2013, 34(增): 399?405. LIU Shujia, ZHANG Mengxi, WU Huiming, et al. Deformation effect on existing tunnels overlapped by new tunnel in lower-region[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(S): 399?405.

[8] 方勇, 何川. 盾構法修建正交下穿地鐵隧道對上覆隧道的影響分析[J]. 鐵道學報, 2007, 29(2): 83?88. FANG Yong, HE Chuan. Analysis of influence of undercrossing subway shield tunneling construction on the overlying tunnel[J]. Journal of the China Railway Society, 2007, 29(2): 83?88.

[9] 方勇, 何川. 平行盾構隧道施工對既有隧道影響的數值分析[J]. 巖土力學, 2007, 28(7): 1402?1406. FANG Yong, HE Chuan. Numerical analysis of effects of parallel shield tunneling on existent tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(7): 1402?1406.

[10] 廖少明, 楊宇恒. 盾構上下夾穿運營地鐵的變形控制與實測分析[J]. 巖土工程學報, 2012, 34(5): 812?818. LIAO Shaoming,YANG Yuheng. Deformation analysis and control of a running subway crossed by upper- and lower-shield in succession[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(5): 812?818.

[11] 房明, 周翠英, 劉鎮. 交叉隧道盾構施工與交叉角度對既有隧道的沉降影響研究[J]. 工程力學, 2011, 28(12): 133?138. FANG Ming, ZHOU Cuiying, LIU Zhen. Influence of construction parameters and cross angle on existing tunnel settlement during undercrossing shield tunneling construction[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(12): 133?138.

[12] 王明年, 張曉軍, 茍明中, 等. 盾構隧道掘進全過程三維模擬方法及重疊段近接分區研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(1): 273?279. WANG Mingnian, ZHANG Xiaojun, GOU Mingzhong, et al. Method of three-dimensional simulation for shield tunneling process and study of adjacent partition of overlapped segment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(1): 273?279.

[13] CHEN R P, ZHU J, LIU W, et al. Ground movement induced by parallel EPB tunnels in silty soils[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2011, 26: 163?171.

[14] 王衛東, 王浩然, 徐中華. 基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(8): 2283?2290. WANG Weidong, WANG Haoran, XU Zhonghua. Experimental study of parameters of hardening soil model for numerical analysis of excavations of foundation pits[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(8): 2283?2290.

[15] 房明, 劉鎮, 周翠英, 等. 新建盾構隧道下穿施工對既有隧道影響的三維數值模擬[J]. 鐵道科學與工程學報, 2011, 8(1): 67?72. FANG Ming, LIU Zhen, ZHOU Cuiying, et al. Numerical simulation of influence of undercrossing shield construction on existing tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2011, 8(1): 67?72.

[16] 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. HE Chuan, SU Zhongxian, ZENG Dongyang. Research on influence of shield tunnel construction on deformation and secondary inner force of constructed parallel tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10): 2063?2069.

[17] NGOC-ANH D O, DANIEL D, PIERPAOLO O. Three- dimensional numerical simulation of mechanized twin stacked tunnels in soft ground[J]. Journal of Zhejiang University: Science A, 2014, 15(11): 896?913.

[18] 張曉清, 張孟喜, 吳應明, 等. 多線疊交盾構隧道近接施工模型試驗[J]. 上海交通大學學報, 2015, 49(7): 1040?1045. ZHANG Xiaoqing, ZHANG Mengxi, WU Yingming, et al. Model test on approaching construction of multi-lion overlapped shield tunneling[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2015, 49(7): 1040?1045.

(編輯 趙俊)

Numerical analysis of influence of shield tunnel in soft soil passing over existing nearby subway

DING Zhi1, WU Yunshuang1, ZHANG Xiao1, CHEN Kai2,3

(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China; 2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China)

In order to study the influence of new shield tunnel’s construction on the existing subway, the changes of the two tunnels’ clearance distance and angle respectively in soft soil were calculated by the numerical analysis method, and then the variation of existing subway deformation, internal force of lining and the range of adjacent partition are gained. The results show that when two tunnels’ clearance distance and angle are different, the change of existing subway deformation and internal force of lining are also different; the overlapped construction is more dangerous than undercrossing construction; slanted-passing construction causes the deflection of the existing subway deformation and internal force of lining. And the influencing range of adjacent partition in the soft soil is given. When close-spaced subarea is located in the strongly influencing zone, it is necessary to reinforce the existing subway. And the research of adjacent partition is applied to the practical project of Hangzhou Subway Line 4 crossed Line 1. The measured data show that the research result is comparatively reasonable.

shield tunnel; deformation of tunnels; Tunnel lining internal force;adjacent partition

U459；TB115

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.020

1672?7207(2018)03?0663?09

2017?04?13；

2017?06?06

浙江省自然科學基金資助項目(LQ16E080008)；國家自然科學基金資助項目(51508506)；浙江省重點研發計劃項目(2017C03020)；杭州市科技計劃項目(20160533B94，20172016A06) (Project(LQ16E080008) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province; Project(51508506) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017C03020) supported by the Key Research and Development of Zhejiang Province; Projects(20160533B94, 20172016A06) supported by Hangzhou Science and Technology Guiding of China)

丁智，博士，副教授，從事地鐵施工及運營對周邊環境影響的研究；E-mail: dingz@zucc.edu.cn