軟硬不均地層盾構下穿既有隧道近接施工影響特性研究

魯茜茜， 蹇蘊奇， 王先明

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

近年來，盾構法廣泛應用于城市地鐵建設，對城市地下空間的利用也越來越充分，使得地下結構物分布情況愈加復雜，近接施工現象逐漸增多。在盾構隧道近接穿越既有結構物的過程中，往往對既有建(構)筑物安全產生不利影響，甚至造成結構物的破壞。國內外學者針對城市地鐵修建過程中的近接施工已開展相關研究并取得一定的研究成果。Shahrour等[1]借助三維有限元，通過探討平行隧道在施工過程之中的相互作用，提出了兩相鄰隧道近接率的合理取值；Yamaguchi等[2]結合施工監測對施工過程進行分析，研究隧道交疊對結構內力、土體應力與土體位移的影響，并得到了隧道掘進過程中壓力影響特征；何川等[3]采用相似模型試驗與有限元分析相結合的方法，研究新建隧道施工對既有平行隧道的位移及內力的影響規律。張治成等[4]利用三維數值模擬的方法，對新建盾構隧道斜穿既有隧道時，對關鍵點位移及內力進行分析，提出了距離既有隧道一定范圍內采取降低推進力并放慢掘進速度的施工模式；孔慶凱等[5]利用有限元軟件，研究了在不同施工凈距條件下新建隧道施工對既有地鐵隧道的影響。路平等[6]采用有限元剛度遷移法，對土體局部加固的情況下，新建隧道施工對既有隧道襯砌以及周圍土體的位移和內力影響進行研究，并結合現場實測數據進行了對比，發現小凈距雙線隧道近接施工在加固區與未加固區交界附近可產生一定的突變；張曉清等[7]采取模型試驗，通過排水模擬開挖的方法，探究了盾構隧道在多線交疊的情況下地表沉降與既有隧道縱向變形的客觀規律。

本文以深圳地鐵7號線在上軟下硬地層條件下下穿既有1號線科華區間為工程依托，利用非線性有限元軟件ABAQUS對新建地鐵線路近接既有隧道施工進行三維數值模擬，研究盾構施工對既有地鐵線路及附屬設施影響的客觀規律，對類似工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

深圳地鐵7號線華強南站～華強北站區間隧道以盾構工法進行施工，左右線設計起始點里程分別為DK21+815.074及DK22+166.878，區間隧道左右線長度均為351.963 m。盾構掘進斷面直徑為6.28 m，管片外徑6 m，內徑5.4 m；襯砌環厚度與幅寬分別為0.3 m及1.5 m。隧道拱頂覆土深度為10～20 m。7號線區間正交下穿已運營地鐵1號線，兩者最小凈距為1.21 m，位于7號線路右線DK22+89.980及1號線路左線SK5+44.971連線位置，1號線上方存在過街通道。7號線施工鄰近既有1號線及上部過街通道，從而埋下不均勻沉降等安全隱患，對既有建(構)筑物運營安全產生不利影響。

新建地鐵線路主要穿越礫質黏性土和全風化花崗巖，隧道洞身穿越軟硬不均地層。1號線隧道周圍大范圍覆蓋礫質黏性土，土層厚度約8.3～13 m。其中，礫質黏性土在遇水條件下具有較高流動性，且自身強度大大降低，導致土體自穩能力差，易造成坍塌。線路地質剖面圖如圖1所示。

2 計算模型及參數

根據深圳地鐵7號線華強南站～華強北站區間與既有1號線及上部過街通道的空間位置關系，建立如圖2所示的有限元模型。

圖2 模型總體示意

模型尺寸：根據隧道開挖影響范圍以及新建地鐵隧道與既有隧道之間的位置關系，將模型縱向寬度(X軸方向)定為46.2 m，模型橫向長度(Y軸方向)定為48.2 m，模型深度方向將根據地質斷面情況進行確定。

邊界條件：沿著模型縱向方向，對模型前后兩面邊界結點施以水平約束力；沿模型橫向方向，對模型左右兩面邊界結點施以水平約束力；另外模型深度方向對模型地面節點施加豎向約束力，地表為自由面。

選取既有1號線左、右兩條線路軸線上方(分別記為位置1、位置2)進行地表沉降觀測，并選取過街通道頂部位置3、位置4進行分析，掘進過程中先后通過位置1、位置2。選取6種工況進行分析：工況1～工況3分別為新建隧道左線掘進至位置1、掘進至位置2、左線貫通；工況4～工況6分別為新建隧道右線掘進至位置3、掘進至位置4、右線貫通。管片位移觀測位置選取既有1號線與新建7號線交界處，如圖3所示觀測面左側截面，選取其截面處管片拱頂、拱底以及左右拱腰關鍵點進行位移觀測。

圖3 管片位移觀測位置

計算土體采用Mohr-Coulomb屈服準則；模型采用2環襯砌作為一個計算開挖步，即開挖步長為3 m，模型中地層參數根據《深圳地鐵7號線華強南站～華強北站區間詳細勘察階段巖土工程勘察設計參數建議值表》及 JTGD70-2004《公路隧道設計規范》確定地層參數。管片襯砌采用C50鋼筋混凝土材料，彈性模量為34.5 GPa，采用剛度折減方法來模擬接頭對管片襯砌結構的影響，縱向剛度折減系數取為0.85；考慮到注漿層硬化需要一定時間，選取兩種注漿材料即液態注漿材料和長期固化注漿材料，來模擬盾尾注漿材料性態的變化；具體物理力學參數見表1。

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

隧道施工產生的地層損失傳遞至地表引起地表沉降，施工過程中地表沉降曲線如圖4所示。隨著盾構掘進，既有線路上方地表沉降呈現出逐漸增大的趨勢，其中，當盾構隧道左線隧道掘進至單線貫通時，位置1、位置2處地表沉降值呈增大的趨勢，兩位置處地表沉降最大值分別增至-4.112 mm以及-9.232 mm；隨著右線隧道掘進直到貫通，位置1、位置2處地表沉降值均逐漸增大，此時地表沉降最大值分別為-7.885 mm及-14.388 mm，在右線掘進至全線貫通的過程中，地表沉降幅值急劇增大，其主要原因為7號線右線在開挖過程中土體受到二次擾動，加劇土體應力釋放，雙線貫通以后，地表沉降槽呈雙“V”型，沉降槽峰值位置大致位于新建隧道左、右線路正上方，左、右線沉降峰值分別為-14.152 mm以及-14.338 mm，偏于安全考慮，可適當的采取相應的地表沉降控制措施。

(a)左線掘進

(b)右線掘進圖4 7號線正上方地表沉降

3.2 既有隧道位移分析

在新建隧道近接施工過程中，既有隧道受掘進影響產生沉降及扭曲變形，以觀測面1、觀測面2為例進行說明，各關鍵點間相對沉降量如圖5所示。其中，左、右拱腰之間的相對沉降表明管片環發生扭轉，而拱頂、拱底位置相對沉降則表示管片環產生變形。在盾構掘進過程中，各關鍵點沉降值整體呈增大的趨勢；當盾構掘進至1號線正下方時，觀測面1左、右拱腰之間相對沉降量為0.570 mm；當左線貫通后，兩拱腰關鍵點間相對沉降量增至2.102 mm，右線的掘進引起左、右拱腰間相對沉降量的進一步增大，至右線貫通，兩拱腰之間相對沉降量值達到3.243 mm，在掘進過程中觀測面1拱頂與拱底間相對沉降量逐漸增大，當左線貫通后，兩點間相對沉降值為2.428 mm，而在右線掘進至貫通過程中，拱頂及拱底關鍵點相對沉降值則基本保持不變。在雙線盾構掘進過程中，觀測面2各關鍵點間也產生較為明顯的差異沉降，其中拱頂、拱底位置差異沉降量值較小，相比之下，左、右拱腰關鍵點位置處相對沉降量則較為明顯，說明該位置處結構變形以扭轉為主。既有1號線最大沉降發生在拱頂位置，其值達到-13.992 mm，并且通過對比觀測面1與觀測面2中各關鍵點豎向位移，可以看出，相對沉降變化規律因盾構隧道空間位置不同而產生較大的差異。

以觀測面1為例對既有隧道水平位移進行分析。既有隧道各關鍵點水平位移如圖6所示，其中，各關鍵點于X方向上的水平位移產生一定的差異，表明各關鍵點產生相對側移，其中，拱頂、拱底位置關鍵點水平位移變化較為突出，在掘進過程中，兩者相對側移量值逐漸增大，當掘進至既有1號線正下方時達到最大值，其相對側移量為0.31 mm，隨后，受盾構掘進影響，拱頂與拱底關鍵點水平位移表現出了先減小，再反向增大的過程，到最后的開挖步則趨于相對穩定，兩者相對側移量約為0.25 mm。對比圖5和圖6可知，在隧道施工過程中，各關鍵點水平位移量值總體較小，結構變形主要以豎向變形為主。

(a)觀測面1

(b) 觀測面2圖5 既有隧道豎向位移

圖6 既有隧道水平位移

3.3 過街通道位移分析

盾構掘進致使上部過街通道產生差異沉降，為研究隧道施工對過街通道的影響，沿左、右線掘進方向，分別于過街通道正上方地表及過街通道頂部位置布置觀測面3、觀測面4進行分析，各觀測位置沉降如圖7所示。由圖7可知，隨著盾構施工的進行，過街通道頂部及正上方地表累計沉降量呈逐漸增大的趨勢，當左線貫通后，位于位置3處最大沉降量為-7.614 mm，右線的掘進加劇了過街通道正上方地表處的不均勻沉降，在右線掘進至貫通過程中，位置3處沉降量值逐漸增大，至右線貫通時最大沉降量增至-18.407 mm；位置4處沉降變形規律與位置3處趨于一致，且在掘進過程中產生的沉降變化更為明顯，當區間隧道左、右線貫通以后，位置4處最大沉降值分別為-8.897 mm以及-19.769 mm。通過上述分析表明，在盾構掘進過程中，過街通道頂部及正上方土體沉降變化較為明顯，沉降幅值較大，為保證既有結構物的安全，施工過程中應注意加強對過街通道的安全監測。

(a)位置3

(b) 位置4圖7 過街通道觀測位置沉降變化

4 結論及建議

以深圳地鐵7號線在軟硬不均地層條件下正交下穿既有1號線及上部過街通道為工程背景，采用三維數值模擬的方法，研究新建隧道近接施工擾動對既有隧道及上部過街通道力學特性的影響，可以得出以下結論：

(1)在下穿隧道近接施工過程中，既有隧道正上方地表沉降及過街通道頂部沉降值受盾構施工影響較為顯著，建議在地表及過街通道相應位置進行施工監測。

(2)在下穿隧道近接施工過程中，既有隧道整體產生差異沉降及沿盾構機推進方向的不均勻側移與扭轉，不均勻變形峰值主要位于新建隧道與既有隧道正交位置，其中，各關鍵點水平位移量值總體較小，結構位移主要以沉降變形及扭轉變形為主。

軟硬不均地層條件下盾構隧道近接施工對既有隧道的影響較均勻地層而言更為顯著，為保證既有結構物的安全，施工過程中考慮對新舊隧道重疊區域進行合理加固，并在施工過程中對盾構頂推力、土倉壓力及壁后同步注漿壓力等進行嚴格的控制。