新建電纜盾構隧道近距離下穿 既有地鐵影響分析

董志偉 陳俊生 寶青峰

摘 要：以深圳北環電纜隧道南線下穿深圳既有地鐵 2 號線崗廈北站—華強北站區間工程為依托，通過有限元數值模擬分析新建電纜盾構隧道近距離下穿地鐵線路時對既有地鐵的影響規律。研究結果表明，既有地鐵的豎向沉降隨著電纜隧道與既有地鐵交叉角度的增加而減小;電纜隧道盾構掘進過程中會對既有地鐵結構產生擾動，使其結構發生變形，最大沉降值發生在掘進掌子面后方 15～20m;數值分析結果與現場實測數據趨勢接近。

關鍵詞：地鐵;電纜盾構隧道;下穿既有地鐵;數值模擬

中圖分類號：U455

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展和最大化利用城市空間，相繼出現新建隧道近距離下穿既有隧道的情況[1-2]。為了得到新建盾構隧道下穿對既有隧道的影響規律，近年來，學者從理論分析、模型試驗和數值模擬及現場監測的方面進行了大量有價值的研究。房明等（2016）[3]應用隨機介質理論，建立了隧道交叉施工關于沉降變形的計算模型;張曉清等（2015）[4]借用室內模型試驗，采用排液法，比較了新建隧道與既有隧道的不同位置對地面沉降的影響;李磊等（2014）[5]以上海地鐵新建11號線近距離穿越既有4號線為背景，結合現場監測和數值模擬的方法，分析了盾構下穿施工時的土倉壓力和注漿壓力對既有隧道變形的影響;袁大軍等（2018）[6]以深圳地鐵9號線雙線隧道下穿既有運營地鐵4號線為背景，對既有隧道變形、受力進行了動態監測，分析了盾構下穿引起既有隧道變形特征，并提出了既有隧道變形控制方法。

本文以深圳北環電纜隧道南線工程為背景，采用數值模擬分析方法研究交叉角度對既有地鐵的影響規律，并結合數值模擬分析結果和現場監測數據，進一步分析新建電纜隧道對既有運營地鐵的影響特性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

深圳北環電纜隧道南線含1條主線，2條支線，南線盾構區間總長3 844.778 m，線路起于筆架山公園力能加電站，向南下穿筍崗西路、中心公園、地鐵3號線、紅荔路、振華路、中心公園、地鐵2號線，沿彩田路向北至華富三路（終點）。

深圳北環新建電纜隧道在下穿深圳地鐵2號線時，電纜隧道與既有地鐵外邊線相交。相交的地鐵區域位于崗廈北站—華強北站區間，新建盾構隧道與既有地鐵的凈距僅為3.9 m。電纜隧道先后穿越地鐵右線和左線，穿越區域的地層主要為全風化花崗巖層和強風化花崗巖層。場地內主要位于礫質黏性土中，新建電纜隧道工程穿越區域的地層主要為全風化花崗巖層和強風化花崗巖層，圍巖分類為Ⅴ類?？紤]到圍巖巖性較差，且新建電纜隧道與既有地鐵凈距過小，因此有必要開展隧道下穿既有地鐵的影響性分析。

2 數值分析模型

2.1 模型建立

電纜隧道下穿既有地鐵結構模型見圖1、圖2。為充分考慮盾構開挖引起的邊界效應[14-16]，模型邊界與主要結構的距離應達到3D以上（D為盾構隧道直徑），本文取模型尺寸為：高41 m，長41 m，寬60 m。模型側向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。土層采用實體單元，地鐵及電纜隧道管片按均質圓環單元考慮，不考慮管片環之間的縱向連接和管片分塊之間的橫向連接，但將管片的整體剛度進行折減，參考相關研究[13， 17-19]，折減系數取0.65。

2.2 模型參數

參照《深圳市北環線電纜隧道工程巖土工程詳細勘察報告》和《深圳北環線電纜隧道地質補充勘察報告》，本構關系采用摩爾-庫倫模型;新建電纜隧道外徑4.6m，內徑4.0 m，既有運營地鐵隧道內徑6.0 m，兩者的管片厚度均為300 mm，管片材料為C50。為了和實際相符，在新建電纜隧道管片外圍考慮注漿層實體，厚度為140mm，本構關系采用彈性模型。土層和隧道結構材料力學參數分別見表1和表2。

3 數值結果分析

3.1 交叉角度對既有地鐵影響性分析

根據國內外學者的研究成果，對立體交叉隧道產生影響的因素主要有圍巖級別、交叉角度以及凈距[7-14]。深圳北環電纜隧道南線工程的埋深設計已經確定，即已建深圳地鐵2號線與預建的北環電纜隧道南線盾構隧道頂的最小相對凈距約3.9 m，且下穿既有地鐵的區段地質起伏不大，故本文只分析下穿時的交叉角度對既有地鐵的影響，分別建立交叉角度為0°、45°和90°的數值模型（圖3），以期為該工程下穿既有深圳地鐵2號線及其他地鐵線合理角度的設置提供參考。

表3、圖4給出了不同交叉角度條件下既有地鐵隧道的豎向位移計算結果，從表3和圖4可知，在0～90°的范圍內，隨著交叉角度的增加，既有地鐵結構的豎向位移逐漸減小。當電纜隧道與既有地鐵垂直時，對既有地鐵的影響最小，但是不同交叉角度條件下地鐵隧道的豎向位移均小于-4 mm。在實際工程中，考慮到新建電纜隧道工程起終點限制、線性選擇、地質條件以及經濟效益，新建電纜隧道與既有地鐵的交叉角采用45°較為合適。

3.2 電纜隧道開挖引起既有地鐵隧道豎向位移分析

為研究新建電纜隧道開挖過程中對既有地鐵的影響（交叉角度為45°），分別對新建電纜隧道開挖至既有地鐵右線前方（階段1）、既有地鐵右線下方（階段2）、既有地鐵右線和左線中間（階段3）、既有地鐵隧道左線下方（階段4）、離開既有地鐵隧道（階段5）這5個階段進行詳細的地鐵隧道沉降分析。各階段的豎向位移云圖如圖5所示。

如圖5所示，根據對新建電纜隧道盾構每環掘進的數值模擬，得到既有地鐵隧道的豎向位移值，各個階段對應的最大豎向位移值為-1.185、-2.193、-2.774、-2.843、-2.819 mm，且既有地鐵出現最大豎向位移值的位置主要分布在地鐵右線的拱底附近;當盾構隧道掘進至地鐵左線下方，在開挖面后方約15 m、地鐵右線的底部出現最大沉豎向位移-2.843 mm。

4 現場監測分析

4.1 監測點布置情況

采用自動化監測的方式，分別對既有地鐵隧道左線和右線沉降進行監測，測點布置如圖6所示。監測地鐵里程為左線的ZDK28+230.478—ZDK28+340.478區段和右線的YDK28+219.708—YDK28+329.708區段，分別從新建電纜隧道與既有地鐵中心線相交處向大里程方向和小里程方向各55 m的范圍內。每條地鐵隧道布設9個斷面，左、右線監測斷面命名為L1～L9和R1～R9。

4.2 監測結果分析

圖7為新建電纜隧道盾構掘進前10天深圳地鐵2號線的右線監測斷面沉降時程曲線，由圖7可知，在整個盾構下穿掘進過程中，右線監測斷面R1～R2和R8～R9幾乎沒有沉降或隆起，主要發生沉降的為R3～R7監測斷面，其中R5監測斷面正下方拱底位置附近累計沉降最大，約為4.1mm，經注漿加固后，R5監測斷面的沉降長期穩定值在1.3 mm;右線最大累計沉降發生在盾構正下穿之后1天，按照盾構掘進速度，最大沉降發生在盾構穿過20m左右，即最大沉降值位于電纜隧道掌子面后方20m左右，之后沉降值趨于穩定，與數值模擬結果基本吻合。

5 結論及建議

（1）新建電纜隧道下穿時對既有地鐵隧道豎向位移的影響隨著交叉角度的增加逐漸減小，當電纜隧道與既有地鐵隧道垂直時對既有地鐵的影響最小。

（2）新建電纜隧道近距離下穿既有地鐵施工必然會對既有地鐵隧道產生擾動，使得隧道發生變形，最大沉降值發生在掘進掌子面后方15～20m。施工中為減少穿越擾動，降低隧道變形，可以通過控制盾構土壓力、加強同步注漿和二次補漿及提前采取輔助措施對既有地鐵隧道進行加固等措施，確保既有地鐵隧道安全。

（3）在新建電纜隧道下穿掘進過程中，數值模擬既有地鐵隧道最大累積沉降約2.84 mm，現場監測既有地鐵隧道最大累計沉降約為4.1 mm?？紤]施工和監測誤差，該監測值與數值模擬計算值基本接近，表明數值模擬可行。

參考文獻

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

[2]陳湘生，李興高. 復雜環境下盾構下穿運營隧道綜合技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，2011.

[3]房明，周翠英，張毅. 交叉隧道盾構施工引起既有隧道沉降的隨機介質模型[J]. 中山大學學報（自然科學版）， 2016（1）.

[4]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（7）.

[5] 李磊，張孟喜，吳惠明，等. 近距離多線疊交盾構施工對既有隧道變形的影響研究[J]. 巖土工程學報， 2014（6）.

[6]JIN D，YUAN D，LI X. An in-tunnel grouting protection method for excavating twin tunnels beneath an existing tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2018（71）.

[7]LIU H Y，SMALL J C，CARTER J P，et al. Effects of tunnelling on existing support systems of perpendicularly crossing tunnels[J]. Computers and Geotechnics，2009，36（5）.

[8]肖海波，高波，申玉生. 錦屏二級水電站交叉隧洞模型試驗研究[J]. 現代隧道技術， 2011，48（5）.

[9]康立鵬，施成華，彭立敏，等. 基于正交試驗的立體交叉隧道施工影響因素研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2012（4）.

[10] 房居旺. 礦山法地鐵隧道施工對既有鐵路影響研究[J]. 現代城市軌道交通，2019（5）.

[11] 劉強，施成華，彭立敏，等. 高速列車振動荷載下立體交叉隧道結構動力響應分析[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版）， 2013（9）.

[12] 李玉峰，雷明鋒，魯貴卿，等. 不同因素對立體交叉隧道施工的影響規律分析[J]. 現代隧道技術， 2014（1）.

[13] 陳建剛. 上下交叉隧道近接施工對既有隧道的影響研究[D]. 廣東廣州：華南理工大學，2017.

[14] 土木學會編. 隧道標準規范（盾構篇）及解說[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2001.

[15] 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（3）.

[16] 沈剛. 盾構近距離下穿既有地鐵隧道相互影響機理研究[D]. 廣東深圳：深圳大學，2016.

[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（11）.

[18] 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（3）.

[19] 胡小強. 小半徑大縱坡條件下盾構法施工管片受力及拼裝技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2017.

收稿日期 2019-07-17

責任編輯 朱開明

Analysis on influence of new cable shield tunnel under passing the existing subway at short distance

Dong Zhiwei， Chen Junsheng， Bao Qingfeng

Abstract： Based on the project of the south line of Shenzhen north ring cable tunnel passing under section between Gangxia North Station and Huaqiang North Station of existing Shenzhen metro line 2， through the finite element numerical simulation this paper analyzes the influence pattern of new cable shield tunnel on the existing metro when under passing the metro line in a short distance. The research results show that the vertical settlement of the existing metro decreases with the increase of the crossing angle between the cable tunnel and the existing metro， the cable tunnel shield tunneling disturbs the existing metro structure and makes its structure deform， the maximum settlement value is 15 ～ 20 m behind the excavation work face， and the numerical analysis results are approaching to the field measured data.

Keywords： subway， cable shield tunnel， under passing existing subway， numerical simulation