黃土地區地鐵盾構隧道近距離下穿既有線影響規律及控制標準研究

王立新,汪 珂,李儲軍,白陽陽

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

引言

近年來，隨著地鐵、市政等地下工程的建設規模不斷加大，線路的縱橫交錯現象越來越普遍，隧道下穿已建地鐵及各類已修筑于地下的管線等市政設施已不可避免。因新建隧道施工的本質對地層是一個卸載過程，而在實際工程中無論采取什么手段都不可能及時抵消卸荷的影響，故其必將引起施工區域內的周圍巖土體向開挖區域移動，繼而對臨近既有線的運營安全產生影響。黃土特殊的生成環境造成了其以粉粒為主的組成結構，同時具有富含可溶鹽、欠壓密、大孔隙、垂直節理發育等特性，導致了諸多工程問題，因此黃土地層新建隧道施工對既有線變形規律的預測、變形的控制及防治己然成為隧道現代化建設過程中一個亟需解決的問題。

凌昊等[1]采用土工離心模型試驗分析了近接盾構隧道的相對位置和推進距離對隧道結構位移和內力的影響。黃德中等[2]采用土工離心模擬技術，分別研究了盾構上穿及下穿對既有隧道的影響。汪洋等[3]以某盾構隧道為背景，采用室內模型試驗分析了盾構正交下穿對既有隧道的影響，得出既有隧道出現的“上壓下拉”的應力變化趨勢。Ghaboussi J等[4-5]通過建立有限元模型，并將計算結果與實踐對比研究了隧道上穿地下通道的影響。E.Soliman，H.Duddeck等[6]通過建立近距離平行設計雙孔隧道的有限元模型，得出雙孔隧道的解可用單孔隧道來近似。張毅[7]以廣州地鐵交叉隧道為背景，通過施工模擬對既有隧道的沉降和水平位移進行了分析。張海彥等[8]利用有限元軟件ANSYS，對新建隧道不同近距離正交盾構下穿既有隧道的施工過程進行了模擬。翁效林，王俊，王立新等[9]針對黃土地層浸水濕陷開展了研究。王立新[10]針對盾構超近距離穿越大型立交樁基群影響開展了系統研究。邵華，張子新[11]開展了盾構近距離穿越施工對已運營隧道的擾動影響研究。胡群芳，黃宏偉[12]開展了盾構下穿已運營隧道施工監測與技術分析，何川等[13]開展了地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響。張瓊方[14]，張冬梅[15]，黃栩[16]均開展了盾構近距離穿越施工對已建隧道的縱向變形研究。

黃土的特性，可簡要歸納為三點：第一，富含碳酸鹽類使其結構強度明顯；第二，實際工程中一般以非飽和、大孔隙狀態存在；第三，較強的水敏性。下穿隧道對既有隧道和周邊環境的影響受多種因素影響，其中下穿隧道與既有隧道之間豎直凈距的影響尤為突出，而目前對其的研究較少。鑒于此，以西安地鐵5號線盾構下穿既有2號線隧道工程為依托，采用MIDAS/GTS對盾構隧道下穿既有隧道進行模擬，分析在既有隧道與下穿隧道豎直凈距為盾構隧道管片外徑(D=6 m)的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍5種工況下的地表沉降，既有隧道特定位置處的拱頂及拱底位移、附加應力，得出保證既有隧道安全運營的位移控制標準，可為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

既有地鐵隧道為淺埋暗挖單洞單線隧道，南北走向，馬蹄形斷面，高度6.5 m，寬度6.28 m，兩隧道水平凈距為6.27 m，埋深約9.6 m；新建盾構隧道為單洞單線隧道，東西走向，外徑為6 m的圓形斷面，兩隧道水平凈距為9.5 m，埋深約18.6 m；既有隧道與新建盾構隧道豎向最小凈距約為2.5 m，兩者的相對位置關系如圖1所示。地層自上而下依次為：1-2素填土、3-1-1新黃土、3-1-2新黃土、3-2-2古土壤、4-1-2老黃土、4-4粉質黏土。該工程為黃土地層中雙線近距下穿既有運營隧道，地層條件復雜，下穿距離較近，施工風險較大。

圖1 新建隧道和既有隧道相對位置關系(單位：mm)

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS對該工況進行數值模擬。根據實際工程情況，建立如圖2所示的三維模型：模型長60 m，寬60 m，高38 m；地下水位埋深為10.0 m，既有隧道埋深9.5 m，隧道水平凈距為6.27 m；新建隧道水平凈距為9.5 m，既有隧道與新建隧道之間的垂直距離為0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D；掘進方向如圖所示，先開挖左線再開挖右線；既有隧道位于3-1-2新黃土、3-2-2古土壤和4-4粉質黏土中。

圖2 三維模型(單位：m)

2.2 土層參數

研究區域土層自上而下依次為：1-2素填土，厚度為2.1 m；3-1-1新黃土，厚度為5.4 m；3-1-2新黃土，厚度為2.8 m；3-2-2古土壤，厚度為3.5 m；4-4粉質黏土，厚度為22.8 m；地下水位位于地表以下10.0 m。地層巖土參數如表1所示[17]。

表1 地層巖土參數

2.3 隧道材料參數

查閱相關設計資料[18]可得既有隧道的二次襯砌是厚度為35 cm的C30鋼筋混凝土。新建隧道的管片采用C50鋼筋混凝土。因新建隧道管片接頭會對結構整體剛度產生影響，故將管片結構彈性模量折減20%[19]，具體參數如表2所示[18]。

2.4 盾構下穿既有隧道豎直凈距的影響

既有隧道和新建隧道豎直凈距分別取其為盾構隧道管片外徑的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍，具體見表3。

表2 結構材料參數

表3 不同豎直凈距的工況

3 計算結果及分析

3.1 監測點布置

為監測盾構下穿施工過程中的地表沉降，在既有隧道連心線的中點正上方地表布設地表沉降監測線。為監測既有隧道的拱底及拱頂沉降和應力，在既有隧道和新建隧道的正交部位的正交截面上，分別布設既有隧道拱頂和拱底位移監測點、應力監測點，位移監測點共計8個，布置方式如圖3所示。

圖3 數值模擬監測布置

3.2 不同豎直凈距盾構下穿結果分析

3.2.1 地表沉降分析

將5種工況地表最終沉降曲線繪于圖4內，由圖4可知，地表最大沉降值隨豎直凈距的增大而呈減小趨勢，各工況的地表沉降峰值如表4所示。

圖4 5種工況地表沉降最終曲線

表4 地表沉降峰值統計 mm

將5種工況下的地表沉降峰值進行擬合，得到的圖形如圖5所示。可以看出，隨豎直凈距的增加地表沉降峰值呈線性減小的趨勢，擬合度較好。

圖5 地表沉降峰值隨豎直凈距變化

3.2.2 既有隧道拱底沉降分析

各工況的左右線拱底最終沉降曲線如圖6所示，新建隧道盾構完全穿越后，既有隧道左線拱底沉降曲線呈現出雙峰形態，左峰值小于右峰值。既有隧道右線沉降曲線呈現出與左線相似的規律，但兩者最終的沉降峰值差異量最大約為0.51 mm。原因為左線穿越既有隧道后隧道發生了整體沉降。此外，從圖6可以看出，隨豎直凈距的不斷減小，左右線拱底沉降呈不斷增加的趨勢，沉降曲線形態由寬而淺的沉降槽轉變為深而窄的沉降槽。各工況既有隧道沉降峰值見表5，由表5可知，左線拱底的峰值均大于右線相同狀況下的峰值，原因是右線隧道發生整體沉降時，左線下方已被開挖，因而產生更大變形。

表5 既有隧道拱底沉降峰值統計 mm

圖6 既有隧道拱底沉降曲線

將雙線貫通時刻既有隧道拱底各工況沉降峰值與豎直凈距繪于坐標軸中并進行擬合，得到的圖形如圖7所示。從圖7可以看出，兩隧道的拱底沉降峰值均隨豎直凈距的增加而呈現線性減小趨勢，且相關性較好。

圖7 雙線貫通時刻既有隧道拱底沉降與凈距關系

3.2.3 既有隧道拱頂沉降分析

各工況的左右線拱頂最終沉降曲線如圖8所示，沉降曲線的形態表現為各工況的沉降差值基本相等，隧道拱頂沉降形態近似于隨著豎直凈距的增加整體增加。新建隧道盾構完全穿越后，因隧道拱腰和拱肩對拱頂的約束作用使變形受限，既有隧道左右線拱頂沉降曲線呈現出單峰形態。既有隧道拱頂沉降峰值如表6所示。

圖8 既有隧道拱頂沉降曲線

mm

同樣將雙線貫通時刻既有隧道拱頂各工況沉降峰值與豎直凈距繪于坐標軸中并進行擬合，得到的圖形如圖9所示。從圖9可以看出，兩隧道的拱頂沉降峰值均隨凈距的增加而呈現線性減小的趨勢，相關性較好。

圖9 既有隧道拱頂沉降與豎直凈距關系

3.2.4 既有隧道與盾構隧道正交截面拱底附加應力分析

在圖2(b)所示位置提取拱底X方向上的應力，并通過計算得到附加應力，研究附加應力的變化規律，得到的5個工況下拱底的附加應力如圖10所示。圖10表明，各工況附加應力曲線出現較大分化始于盾構通過既有隧道下方時，各工況新建右線隧道上方拱底附加應力曲線，在新建隧道左線穿越其所在隧道下方時出現了微弱的分化，各工況新建左線上方拱底的附加應力曲線在右線穿越其所在隧道下方時明顯減小，但各工況應力的差值基本不變。隨著豎直凈距的增加，各監測點的沉降變化幅度逐漸減弱。

圖10 既有隧道拱底附加應力5種工況對比

將雙線貫通時刻既有隧道拱底附加應力與豎直凈距繪于坐標軸中并進行擬合，得到的曲線如圖11所示。圖11表明，拱底附加應力值隨豎直凈距的增加而呈現不斷減小趨勢，且拱底附加應力與豎直凈距呈線性關系，相關性較好。

圖11 拱底附加應力與凈距關系

3.2.5 既有隧道與盾構隧道正交截面拱頂附加應力分析

在圖2(b)所示位置提取拱頂X方向上的應力，與拱底附加應力的處理方法類似，得到的5個工況下拱頂的附加應力如圖12所示。曲線的變化規律與拱底相似，與之不同的是新建隧道左線上方拱頂應力在整個施工過程中一直保持負值，新建隧道右線上方拱頂應力在左線穿越其所在的既有隧道下方時向正值發展，在之后右線穿越其下方的階段迅速發展為負值；右線穿越既有隧道下方的同時，新建隧道左線上方拱頂壓應力在明顯減小。既有隧道拱底為拉應力，拱頂為壓應力，說明既有隧道在盾構穿越過程中產生正彎矩。拱頂附加應力產生上述現象的原因為：新建隧道左線盾構穿越過程中，由于彎矩反彎點的作用，位于右線上方的同一既有隧道的拱頂出現拉應力；在新建隧道右線盾構穿越過程中，由于彎矩反彎點的抵消作用，使得位于同一既有隧道左線上方的拱頂壓應力明顯減小。由于左線下方土體受之前左線穿越的擾動，其對左線的應變約束能力減弱，因此右線穿越時，左線上方彎矩反彎點產生的反方向應力大于左線穿越時在右線上方反彎點產生的反方向應力，導致雙線貫通時刻既有隧道右線上方拱頂壓應力大于左線上方拱頂壓應力。

圖12 既有隧道拱頂附加應力5種工況對比

將雙線貫通時刻既有隧道拱頂附加應力以豎直凈距為橫坐標繪于坐標軸中并進行擬合，得到的圖形如圖13所示。圖13表明，拱頂附加應力絕對值隨凈距的增加呈現出不斷減小的趨勢，拱頂附加應力值與豎直凈距呈線性關系，相關性較好。

圖13 拱頂附加應力與凈距關系

4 雙線盾構下穿的位移控制標準

為保證既有線路運營安全，根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[20]規定，既有隧道拱頂沉降值應控制在10 mm范圍內。由圖6可知當豎直凈距為0.2D時，既有隧道左右線拱底沉降峰值均超出限值；當豎直凈距為0.4D時，既有隧道左右線拱底沉降峰值與限值基本相等；當豎直凈距>0.4D時，既有隧道左右線拱底沉降峰值距限值較遠。因此在雙線盾構下穿時，應盡量避免豎直凈距<0.4D的情況；當采用0.4D豎直凈距下穿時，隧道拱底的沉降發展應進行密切關注，防止沉降超限；當豎直凈距>0.4D時，既有隧道拱底的沉降值不會超出限值，符合相關規定。

對0.4D工況進行著重研究，確保既有線的安全運營。為方便與經濟，將拱底沉降的監測限值用新建隧道拱頂沉降限值代替，雙線貫通時刻新建隧道拱頂沉降曲線繪于圖14中。從圖14可以看出，在0.4D豎直凈距工況下，為保證雙線盾構下穿時既有隧道底板沉降值滿足運營要求，應將兩條新建隧道拱頂沉降值控制在13.0 mm以內。

圖14 0.4D工況新建隧道拱頂沉降

5 結論

(1)地表和既有隧道的拱頂和拱底的位移和應力值均隨著既有隧道與新建隧道豎直凈距的增加而呈線性減小趨勢。

(2)各工況下地表沉降曲線與既有隧道拱頂位移曲線呈現單峰形態，而拱底位移曲線呈現雙峰形態，且左峰值小于右峰值。隨著豎直凈距的減小，拱底位移沉降曲線形態由寬而淺的沉降槽轉變為深而窄的沉降槽。

(3)各工況中，既有隧道拱底為拉應力，拱頂為壓應力，說明既有隧道在盾構過程中產生正彎矩。各監測點不同工況下的應力監測值，均在盾構穿越其正下方時出現分化。

(4)為保證既有隧道安全運營，應盡量避免豎直凈距小于0.2D的雙線盾構下穿；當采用0.4D豎直凈距下穿時，應將新建隧道拱頂沉降值控制在13 mm以內。