新建隧道下穿施工對既有上臥盾構隧道擾動影響規律研究

張毫毫，雷明鋒, 2，劉凌暉，李玉峰，唐錢龍, 4，王立川, 5

新建隧道下穿施工對既有上臥盾構隧道擾動影響規律研究

張毫毫1，雷明鋒1, 2，劉凌暉1，李玉峰3，唐錢龍1, 4，王立川1, 5

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075；3. 中建隧道建設有限公司，重慶 401320；4. 江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013；5. 中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610082)

針對新建盾構隧道下穿施工時，對既有上臥盾構隧道結構的擾動影響問題，應用非線性接觸理論和多尺度混合建模技術，建立三維非連續精細化數值模型，重點分析隧道正交下穿施工擾動下，既有上臥盾構隧道管片與接頭受力和變形規律。研究結果表明：新建隧道下穿施工誘發既有上臥盾構隧道整體下沉，表現為隧道結構豎向收斂波動和仰拱沉降顯著；縱縫接頭變形以張開為主，環縫接頭變形以錯臺為主，且同一環中拱頂處變形最大；環縫接頭應力集中明顯，靠近交叉點處管片環縫的最大、最小應力均接近混凝土強度設計值，局部裂損風險高；受下部開挖影響，上臥盾構隧道環縫接頭螺栓剪應力值增加顯著。

盾構隧道；下穿施工；三維非連續接觸模型；管片接頭

隨著城市地下空間的高密度、大規模開發，巖土近接施工問題日益突出，特別是城市軌道交通的高速發展，緊鄰既有地鐵線路再建新隧道等地下結構的情況不斷涌現[1?4]。如，上海軌道交通明珠線上、下行近距離交疊區間隧道和北京地鐵5號線崇文門站下穿既有地鐵2號線區間隧道[4]。鄰近新建工程的施工，必然會導致既有隧道周邊地層及結構本身的變形、受力狀態發生變化，輕則誘發結構裂損、滲漏水，重則導致結構整體失穩垮塌，嚴重影響既有線路的安全運營[5?6]。尤其是對由管片拼裝而成的盾構隧道，受施工擾動更為敏感，更加容易出現上述安全風險。如，寧波軌道交通1號線海晏北路站～福慶北路站區間隧道因上部基坑開挖導致隧道內出現管片縱縫張開、錯臺、開裂及滲水。可見，揭示新建工程對既有結構的擾動機制，提出控制既有結構變形的有效措施，是當前巖土近接施工領域面臨的基礎科學問題，也是突破高密度城市地下空間開發利用技術瓶頸的關鍵。圍繞新建工程施工擾動對鄰近盾構隧道的影響機制機理及控制措施問題，國內外學者在理論研究[7?9]、數值分析[10?13]與現場實測[14?16]等方面均開展了頗為豐富的研究工作。Klar[7]基于Winkler彈性地基梁理論，研究了基坑開挖對附近地下管線的影響。來弘彭等[8]通過對既有地鐵沉降控制因素的分析，推導了既有地鐵允許沉降的計算公式。王劍晨等[9]基于鏡像法和當層法，推導了下穿施工影響下既有隧道和地層的位移解析解。孫鈞等[10]針對上海軌道交通明珠線上、下行近距離交疊區間隧道施工，采用ANSYS軟件模擬分析了不同開挖方法下地層位移和地表沉降隨掘進過程的變化。鄭余朝等[11]針對深圳地鐵老街?大劇院區間的重疊隧道工程，采用三維有限元軟件對重疊隧道結構內力演變進行了彈塑性數值模擬分析，給出了合理的施工順序以及新建隧道施工對既有隧道的縱向影響范圍。馬文輝等[12]針對北京南水北調東干渠工程盾構隧道穿越既有地鐵盾構隧道施工，通過數值模擬和現場監測、盾構掘進參數的分析，總結了沉降控制的施工經驗。李倩倩等[14?16]通過現場實測數據分析，研究了新建工程擾動對既有盾構隧道的影響。上述研究成果，在一定程度上促進了該領域理論研究與實踐水平的發展與提升，但仍存在較多亟需進一步開展研究的問題。如：由于巖土介質和工程邊界的復雜性，很難通過理論解析法求解施工擾動對既有隧道的影響；盡管數值方法具有模擬復雜材料特性、荷載和邊界等諸多優點，且在一定程度上已成為解決這類問題的有力工具[17]，但模型的精細化程度仍有待于提高，特別是對于拼裝形成的盾構隧道結構，當前的絕大多數研究沒有考慮管片接頭等細部構造，得到的計算結果也難以準確預測管片結構、接頭的受力和變形。為此，本文基于三維非連續多尺度建模技術，以新建盾構隧道下穿既有盾構隧道為例，建立精細化數值模型，探討新建隧道施工對既有盾構隧道結構的擾動影響規律。

1 研究對象

以一軟土地層地鐵盾構隧道下方新開挖一隧道工程為研究對象。既有盾構隧道上部覆土厚6 m，斷面為圓形，半徑為3 m；新建隧道與上部既有隧道斷面尺寸相同，上下兩隧道呈90°交叉，交叉點處豎向凈距為6 m，如圖1。根據資料[18]，地層與結構物理力學參數如表1~2。

單位：m

表1 土體參數

表2 隧道結構材料力學參數

注：1和2是雙參數Mooney-Rivlin模型的力學性能常數。

2 三維非連續多尺度有限元模型

1) 首先，按1.1節所述的位置關系及力學參數建立盾構均質圓環數值模型，并開展新建隧道掘進施工力學計算。模型中，新建盾構隧道分11步開挖，每次進尺4 m，如圖2。

圖2 新建下穿隧道掘進進尺示意圖

2) 提取新建隧道開挖完后兩隧道的變形結果，并初步分析其影響區域。如圖3，新建隧道開挖對上部既有隧道擾動影響顯著，特別是兩隧道交叉部位附近約12 m范圍內，既有隧道變形較大，可定義為影響區段。

3) 根據上述計算結果，對影響區段進行精細化建模。在數值模擬中管片采用實體單元模擬，橡膠止水條采用超彈性實體單元模擬，螺栓設置為彎梁單元，并且嵌入到管片單元中，預緊力設置為30 kN。管片間的接觸在法向上設置為硬接觸，管片與土體界面在法向和切向分別采用罰摩擦和庫倫摩擦接觸連接，管片與橡膠止水條、管片與道床均為共節點綁定約束。最終建立的三維非連續多尺度有限元模型如圖4。

圖3 均質圓環模型計算結果

(a) 整體；(b) 管片環模型；

3 計算結果分析

取交叉點中心處既有隧道截面(管片環④和⑤交界面)進行分析，如圖5。

圖5 分析區段

3.1 整體變形

圖6～8分別給出了既有隧道分析斷面處系統變形計算結果。經分析可知：

1) 下部新建隧道開挖過程中，既有隧道的整體變形主要表現為豎向收斂波動和拱底沉降增加。且由于下方新建隧道為單向開挖，開挖完成后管片兩側的水平位移偏向先開挖一側。

2) 下部隧道開挖引起圍巖卸載，導致上方隧道于其正交處管片下沉明顯，周圍襯砌也隨之出現不同程度的下沉，其中隧道開挖引起的沉降和開挖方式對上方隧道的影響較大。

3) 隨著下部隧道的開挖卸載，既有隧道豎向收斂出現一定波動。當開挖面離分析截面較遠時，豎向收斂值逐漸增大；隨著開挖面的接近，豎向收斂值逐漸減小；在正交處管片的豎向收斂值最小，之后又逐漸增大。

(a) 開挖前豎向位移圖；(b) 開挖前水平位移圖；(c) 開挖完豎向位移圖；(d) 開挖完水平位移圖

圖7 既有隧道拱底沉降曲線

圖8 襯砌豎向收斂曲線

3.2 接頭變形

為便于分析，對管片之間的接縫編號如圖9。

(a) 環縫；(b) 縱縫

3.2.1 縱縫

縱向接頭變形最明顯的為第⑧環管片，選擇靠近拱頂處接頭2、拱腰處接頭3和拱底處的接頭5進行分析，如圖10。經分析可知：

1) 隨著下部隧道開挖，位于同一環中不同位置的襯砌管片所表現出來的接頭變形規律不同。第⑧環管片，位于拱頂處的接頭⑧?2的張開量最大，位于拱腰處的接頭⑧?3的張開量最小，而拱底處的張開量處于兩者之間。

2) 拱頂和拱腰處接頭的張開量均隨開挖呈現增長趨勢，而拱底處接頭張開量則逐漸減小。下部隧道開挖前拱頂處的接頭張開量為0.11 mm，當隧道開挖完后其接頭張開量達到0.13 mm，增幅 為22%。

3) 相對而言，縱縫錯臺量的變化較小，這可能是由于正交段下方的土體是一次開挖通過的。但還是可以發現拱頂處的接頭錯臺量最大，拱底次之，拱腰處最小。

(a) 張開變形；(b) 錯臺變形

3.2.2 環縫

隧道開挖過程中，段環縫接頭的錯臺量變化顯著，錯臺量最大的是環縫①~②，如圖11。經分析可知：

1) 下部正交隧道開挖前，管片環縫接頭張開和變形都比較小，并且各環處的變形值相差不大，但隨著隧道的開挖，環縫錯臺變化明顯。

2) 下部正交隧道開挖過程中，管片環縫①~②處接頭錯臺量逐漸增大，從隧道開挖前的0.07 mm，增大到隧道挖完時的0.10 mm，增幅45%。

3) 下部正交隧道開挖過程中，管片環縫⑦~⑧處接頭錯臺量呈減小趨勢，當開挖值兩隧道正交處附近時驟減，之后緩慢變化后又有所增大，至隧道開挖完后，錯臺量為0.03 mm。

3.3 接頭處混凝土應力

前述分析可見，下部隧道開挖使得管片縱縫接頭變形狀態發生了明顯變化，勢必會引起縱縫接頭應力變化。圖12~16分別給出了典型接頭部位混凝土的應力云圖及最大(小)主應力變化曲線。經分析可知：

1) 下部正交隧道開挖對既有隧道管片的影響主要是環縫接頭應力值，而對管片縱縫接頭應力值的影響相對較小。

2) 接頭處應力集中明顯，拱頂縱縫接頭⑧?2處的壓應力達10.2 MPa；下部隧道開挖完后，拱底處縱縫接頭⑧?6的最大拉應力為2.2 MPa。

3) 隨著下部隧道開挖卸載，管片環縫⑥~⑦接頭拉應力逐漸增大，當下部隧道開挖至正交處附近時，拉應力的增幅有所下降，但仍呈上升趨勢，最終，環縫⑥~⑦接頭的最大主應力增大至2.7 MPa，與C50混凝土的極限抗拉強度極為接近，此處混凝土有局部開裂的危險；同時，隧道開挖過程中，環縫⑥~⑦的最小主應力從19.1 MPa增長到22.2 MPa，接近C50混凝土的抗壓強度設計值(23.1 MPa)，在開挖過程中需對此處特別注意。

4) 隨著下部正交隧道開挖，管片縱縫接頭壓應力先減小，當開挖至正交處附近時達到最低值，之后又逐漸增大，呈現一定的波動。

圖11 環縫錯臺變化曲線

(a) 隧道開挖至正交處；(b) 隧道開挖完

(a) 隧道開挖至正交處；(b) 隧道開挖完

(a) 隧道開挖至正交處；(b) 隧道開挖完

(a) 隧道開挖至正交處；(b) 隧道開挖完

(a) 最大主應力變化曲線；(b) 最小主應力變化曲線

3.4 接頭螺栓受力

接頭螺栓的內力與管片接頭的張開錯臺量有緊密聯系，并且軸力的變化往往與接頭張開量有關，剪力的變化往往與錯臺量的變化相關。圖17為隧道開挖完后縱縫螺栓的軸向應力與剪應力圖，相應的變化曲線見圖18。經分析可知：

1) 隨著下部正交隧道的開挖，研究區段內變化較為明顯的是縱縫接頭螺栓的軸力和環縫接頭螺栓的剪力。

2) 開挖前，靠近拱頂處的螺栓軸力最大，隨著下部正交隧道開挖，縱縫接頭⑧?2處的螺栓軸力先隨著隧道開挖逐漸增大，在掌子面靠近正交管片處時有所減小，之后逐漸上升。開挖前軸向應力值為95.0 MPa，開挖后增至108.2 MPa。

3) 環縫①~②處的螺栓在開挖前剪力值很小，但環縫接頭隨隧道開挖發生較大錯臺，此處的螺栓剪力亦隨之增大，到下方隧道開挖完后剪力值達到33.7 MPa。

(a) 縱縫軸力；(b) 環縫剪力

圖18 研究區段螺栓內力變化曲線

4 結論

1) 下部正交隧道開挖會引起既有隧道豎向收斂波動和拱底沉降。其中既有隧道與其正交處拱底沉降最大，正交處既有隧道的豎向收斂值最小，進而會對既有隧道結構受力產生不利影響。

2) 隨著下部隧道開挖，縱縫接頭變形以張開為主，環縫接頭變形以錯臺為主。其中位于同一環中不同位置的管片縱縫接頭變形規律不同，位于拱頂處變形最大，拱腰處變形最小，拱底變形處以兩者之間。

3) 管片接頭處應力集中明顯，主要表現在環縫接頭應力值，而對縱縫接頭應力值的影響相對較小。其中環縫⑥~⑦的最大、最小應力均接近混凝土強度設計值，此處混凝土有局部開裂危險，需要引起重視。

4) 接頭螺栓受力變化主要表現在縱縫接頭螺栓的軸力和環縫接頭螺栓的剪力。開挖前軸力應力值為95.0 MPa，開挖后增至108.2 MPa；開挖前剪力值為1.01 MPa，開挖后增至33.7 MPa。可見，下部正交隧道開挖對既有隧道的管片受力影響顯著，需引起重視。

[1] LEI Mingfeng, LIN Dayong, HUANG Qiyou, et al. Research on the construction risk control technology of shield tunnel underneath an operational railway in sand pebble formation: a case study[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2018(6): 1?15.

[2] Clarke J A, Laefer D F. Evaluation of risk assessment procedures for buildings adjacent to tunnelling works[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014(40): 333?342.

[3] DING Lieyun, ZHANG Limao, WU Xianguo, et al. Safety management in tunnel construction: Case study of Wuhan metro construction in China[J]. Safety Science, 2014(62): 8?15.

[4] LI Xinggao, YUAN Dajun. Development of the safety control framework for shield tunneling in close proximity to the operational subway tunnels: Case studies in mainland China[J]. Springer Plus, 2016(5): 527.

[5] 蔡建鵬, 劉國寶. 基坑施工對下臥地鐵盾構隧道影響的數值分析[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(增2): 1877?1881. CAI Jianpeng, LIU Guobao. Numerical analysis for influence of foundation pit excavation underlying shield tunneling[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(Suppl 2): 1877?1881.

[6] 彭敏. 深大基坑施工時對下臥運營地鐵隧道的專利保護技術[J]. 建筑施工, 2010, 32(9): 924?925. PENG Min. Patent protection technology for deep and large foundation pit constructed on upper part of operating subway tunnel[J]. Building Construction, 2010, 32(9): 924?925.

[7] Klar A, Vorster T E B, Soga K, et al. Soil: Pipe interaction due to tunnelling: Comparison between Winkler and elastic continuum solutions[J]. Géotechnique, 2005, 55(6): 461?466.

[8] 來弘鵬, 趙鑫, 康佐. 黃土地區新建地鐵隧道下穿時既有地鐵線路沉降控制標準[J]. 交通運輸工程學報, 2018, 18(4): 63?71. LAI Hongpeng, ZHAO Xin, KANG Zuo. Settlement control standard of existing metro line undercrossed by new metro tunnel in loess area[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2018, 18(4): 63?71.

[9] 王劍晨, 劉運亮, 張頂立, 等. 下穿施工影響下既有隧道和地層的位移解析解[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(增2): 678?683. WANG Jianchen, LIU Yunliang, ZHANG Dingli, et al. The displacement solution of existing tunnel and ground by traversing construction[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(Suppl 2): 678?683.

[10] 孫鈞, 劉洪洲. 交疊隧道盾構法施工土體變形的三維數值模擬[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2002, 30(4): 379?385.SUN Jun, LIU Hongzhou. 3-D numerical simulation of ground surface settlement under overlapped shield tunneling[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2002, 30(4): 379?385.

[11] 鄭余朝, 仇文革. 重疊隧道結構內力演變的三維彈塑性數值模擬[J]. 西南交通大學學報, 2006, 41(3): 376? 380. ZHENG Yuchao, QIU Wenge. 3-D elasto-plastic numerical simulation of evolving regularity of structural internal force of overlapped tunnels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2006, 41(3): 376?380.

[12] 馬文輝, 彭華, 楊成永. 盾構近距下穿既有地鐵盾構隧道施工參數控制[J]. 西南交通大學學報, 2018, 53(1): 119?127. MA Wenhui, PENG Hua, YANG Chengyong. Construction parameters control of shield tunnel underneath traversing existing dual shield tunnels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(1): 119?127.

[13] SHI Chenghua, CAO Chengyong, LEI Mingfeng, et al. Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016(51): 175?188.

[14] 李倩倩, 張頂立, 房倩, 等. 淺埋暗挖法下穿既有盾構隧道的變形特性分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(增2): 3911?3918. LI Qianqian, ZHANG Dingli, FANG Qian, et al. Study of deformation characteristics of tunnels traversing adjacently under shield tunnels by shallow tunneling method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(Suppl 2): 3911?3918.

[15] 魏綱. 基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的實測與分析[J]. 巖土力學, 2013, 34(5): 1421?1428. WEI Gang. Measurement and analysis of impact of foundation pit excavation on below existed shield tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(5): 1421? 1428.

[16] Sharma J, Hefny A, Zhao J, et al. Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001, 16(2): 93?98.

[17] 鄭剛, 劉慶晨, 鄧旭. 基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數值分析與變形控制研究[J]. 巖土力學, 2013, 34(5): 1459?1468. ZHENG Gang, LIU Qingchen, DENG Xu. Numerical analysis of effect of excavation on underlying existing metro tunnel and deformation control[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(5): 1459?1468.

[18] 艾輝軍, 彭立敏, 施成華. 基于三維非連續接觸模型的管片接頭靜動力特性分析[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(11): 2023?2029. AI Huijun, PENG Limin, SHI Chenghua. Static and dynamic characteristic analysis of segment joints based on three-dimensional discontinuous contact model[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(11): 2023?2029.

Study on the influence law of underpass construction of new tunnel on the disturbance of existing upper shield tunnel

ZHANG Haohao1, LEI Mingfeng1, 2, LIU Linghui1, LI Yufeng3, TANG Qianlong1, 4, WANG Lichuan1, 5

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha, 410075, China;3. China Construction Tunnel Construction Co., Ltd., Chongqing 401320, China;4. Jiangxi Transportation Vocational and Technical College, Nanchang 330013, China; 5. China Railway Chengdu Group Co., Ltd, Chengdu 610082, China)

To further understand the influence caused by construction of underline shield tunnel on the existing shield structure, a three-dimensional non-continuous refined numerical model was established by non-linear contact theory and multi-scale hybrid modeling technology. The emphases were put on the stress and deformation of segment and joint structures of existing tunnel, especially when the underline shield tunnel is passing through perpendicular to the existing one. The results show that under the construction of underline tunnel, integral sinking is observed in the existing one, which is characterized by fluctuant vertical convergence and significant settlement of inverted arch. Besides, the deformation of joints at longitudinal and circumferential seams of lining show significant opening and dislocation respectively, and the largest deformation is found in the vault. The stress concentration is obvious around the joints at circumferential seam of lining, where the maximum and minimum stress values almost reach to the design values of concrete strength nearthe intersection of two tunnels, resulting in high risk at local cracking. On the other hand, significantly increased shear stress of longitudinally connected bolt is detected during construction of underline shield tunnel.

shield tunnel; underpass construction; three-dimensional discontinuous contact model; segment joint

TU122

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0396 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190297

2019?04?14

湖南省自然科學基金資助項目(2018JJ3657)；江西省教育廳科學技術研究資助項目(GJJ171292)；中建隧道科技研發課題(cscec5b- SUI-2019-02)；中國鐵路成都局集團有限公司科技研究開發計劃資助項目(CX1919)

雷明鋒(1982?)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程專業教學與科研工作；E?mail：124520238@qq.com

(編輯 蔣學東)