盾構隧道雙線斜跨既有隧道施工變形影響研究

胡斌

（華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發展，在城市地鐵網的建設中出現了越來越多的新建隧道近接既有線施工的情況。近接施工時，由于時間先后關系、空間位置關系及施工方法的不同會導致一系列力學行為的變化，因此，如何保證既有線的安全運營以及新建隧道的安全施工具有十分重要的理論意義和工程應用價值。

近接隧道施工的擾動影響研究，主要有仿真模擬法、解析法以及現場檢測三種，且以數值模擬法為主。文獻[1-3]研究了盾構隧道近接施工對既有隧道應力和襯砌變形的影響。江華等[4]采用有限元模擬及現場檢測的方法對深圳地鐵盾構隧道近接上跨既有線引起的結構變形進行了研究。楊宇恒等[5]通過有限元法分析了先下后上施工對既有隧道及周邊環境的擾動影響。劉樹佳等[6]針對地鐵盾構隧道多線疊加復雜工況，建立三維有限元下穿施工模型，研究了不同凈距、不同土壓力、不同注漿量下新建隧道對既有線管片變形的影響。萬飛等[7]依據深圳擬建新彩隧道近接上跨兩條隧道疊置的工程實例，運用有限元軟件進行三維數值模型分析，對比分析了采用明挖法和暗挖法新建隧道時對既有線變形及內力的影響變化規律。盧岱岳等[8]研究了盾構隧道近接施工對既有隧道縱向變形的影響。方曉慧[9]對隧道在交叉、并行、交疊3種不同相對位置關系時既有隧道的變形和結構內力進行模擬分析，得到了相應的變化規律。

上述已有研究集中于不同施工方法、不同施工力學參數、不同近接上跨工況下新建隧道對既有線的影響研究，暫未從盾構隧道左右線施工順序角度考慮新建隧道對近接上跨既有線的影響。優化左右線施工順序以減小對既有線隧道影響，具有成本低、可操作性強等特點，因此研究盾構隧道左右線施工順序對近接上跨既有線的影響具有重要意義。

本文結合工程實際，針對某地新建的地鐵6號線近接上跨既有的地鐵4號線而形成的四線疊交特殊工況，建立三維有限差分模型，對新建隧道左右線不同施工次序下既有隧道的水平及豎向位移變化規律進行了深入研究，可為今后類似多線疊交工程施工提供參考。

1 工程概況

新建地鐵6號線近接上跨地鐵4號線隧道區間，新建區間隧道大致由西北向東西走向，全長1550m。新建隧道采用盾構工法施作，盾構隧道外徑6.1m，管片厚0.3m，同步注漿層厚0.2m。新建地鐵6號線左、右線覆土厚度分別為8.48m和7.36m，6號線與4號線空間交叉角度為26°，6號線與4號線疊線位置凈距6.021m，6號線水平軸間距10.6m，4號 線 水平軸間距12m，新建隧道與既有線的相對位置關系如圖1所示。

圖1 新建6號線與既有4號線相對位置關系剖面圖

擬建6號線隧道主要穿越砂質粉土層，既有4號線主要穿越淤泥質粉土層，隧道區間地層主要為素填土層、砂質粉土層、淤泥質粉土層、粉質黏土層、粉砂層和圓礫層，地下水位線標高6.13m，模型地層情況如圖2所示。

圖2 隧道所處地層示意圖

2 有限差分模型的建立

2.1 模型建立與網格劃分

本文采用有限差分軟件FLAC3D對實際施工工況進行研究，相較于有限元計算方法，有限差分法具有易收斂、離散誤差小及計算成本低等優勢[10]。

圖3 為模型的平面透視圖，該圖表征了新建隧道與既有隧道在空間位置上的交叉關系。圖4為三維模型的尺寸示意圖，模型尺寸長×寬×高為100m×120m×60m，模型網格單元均為實體單元，利用MIDASGTSNX建立三維數值模型，然后導入FLAC3D中進行三維流固耦合仿真分析。

圖3 模型平面透視圖

圖4 模型三維圖

2.2 邊界條件及模型參數

數值計算時，需對模型設置相應的位移邊界條件，在模型橫向左右兩側分別施加水平x向的位移約束，模型縱向前后側分別施加水平y向的位移約束，模型底部固定z向位移約束。

流固耦合計算中，掌子面流體邊界設置為透水邊界，管片結構設置為不透水邊界，本文計算所涉及的地層參數及水力學參數如表1所示。

表1 相應材料參數表

3 施工模擬及結果分析

3.1 施工模擬過程

新建6號線隧道管片幅寬1.2m，計算模型縱向長120m，模擬100環盾構隧道管片結構施工過程，管片滯后開挖面兩環拼裝，管片拼裝在盾殼內進行，同步注漿滯后管片拼裝一環進行，每一步平衡計算同時進行壁后注漿和盾尾管片拼裝。本文通過先左線后右線（先左后右）、先右線后左線（先右后左）兩種施工方案對新建6號線隧道進行掘進施工模擬，對比分析新建隧道左右線不同施工順序下既有線隧道的位移響應。

3.2 監測位置的確定

新建隧道通過既有隧道正上方后，在上跨交叉節點正上方附近變形最大[12]，故本文選取四線疊交中間位置處為監測截面（截面A-A），監測斷面A-A定義為四線疊交處，對應管片第52環、開挖步第26步的位置，監測不同施工順序下既有線拱頂、拱底、拱腰位置處的位移時程變化，監測斷面如圖5所示。

圖5 監測斷面位置示意圖

3.3 計算結果分析

3.3.1 既有隧道變形影響分析

圖6 、圖7所示為新建隧道先左后右、先右后左兩種施工順序下既有隧道監測斷面拱頂、拱腰、拱底位置處的位移時程曲線。圖中“6號線左右線分界線”表示左線隧道、右線隧道不同施工順序下的分界線，如圖例中的先左后右時程曲線，在“6號線左右線分界線”左側表示6號線左線施工，至“6號線左右線分界線”位置處表示左線施工完畢，右側表示6號線右線施工，橫坐標分別對應左線、右線施工的開挖環數，縱坐標表示施工至相應管片環時監測點位置處對應的位移變形。

由圖6、圖7可知，先左后右施工方案中：（1）新建隧道左線掘進通過四線疊交處至新建隧道右線掘進到達四線疊交處區段內，4號線左線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為655.22%、920.04%，為盾構施工強影響區，施工強影響范圍占總施工過程的48%，4號線左線拱腰位置水平位移時程變化較為平穩，受施工影響較??；（2）新建隧道右線掘進通過四線疊交處至施工結束，4號線右線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為174.46%、191.45%，為盾構施工強影響區，施工強影響范圍占總施工過程的30%，4號線右線拱腰位置水平位移時程變化較為平穩，受施工影響較小。

圖7 4號線右線位移時程曲線圖

先右后左施工方案中：（1）新建隧道右線掘進通過四線疊交處至新建隧道左線掘進到達四線疊交處區段內，4號線右線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為524.09%、744.87%，其為盾構施工強影響區，強影響范圍占總施工過程的48%，既有隧道右線拱腰受開挖過程影響較大，左、右拱腰最大位移絕對值分別為先左后右施工方案的2.03倍、8.12倍；（2）新建隧道左線掘進通過四線疊交處后至施工結束，4號線左線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為217.94%、223.92%，其為盾構施工強影響區，施工強影響范圍占總施工過程的30%，既有隧道左線拱腰受開挖過程影響較大，左、右拱腰最大水平位移絕對值分別為先左后右施工方案的3.99倍和3.53倍。

3.3.2 地表變形分析

圖8 為先左后右、先右后左兩種工況下施工后地表的豎向位移云圖。由該圖可知，沿新建隧道縱向地表隆起值逐漸減小，且后開挖的隧道線上方地表較先開挖的隧道線上方地表隆起變形更小，先左后右施工完后，始發段地表最大隆起變形為13.84mm，最大沉降變形為-12.80mm，先右后左施工完后，始發段最大隆起變形為14.24mm，最大沉降變形為-18.10mm。從位移云圖可知，新建隧道對其沿線地表豎向位移影響較大，對遠離隧道軸線的地表影響較小。

圖8 地表豎向位移云圖/m

從既有線拱頂、拱底、拱腰及地表所受位移影響可知，先左后右施工方案較先右后左施工方案施工影響更小。從橫斷面方向看，如圖8所示，距既有線遠側隧道線先施工，近既有線隧道線后施工，既有線所受整體影響更小。

4 結論

本文采用數值模擬的方法，對盾構隧道不同施工順序下上跨近接既有線的位移影響進行了研究，主要結論如下：

（1）既有隧道左線、右線左、右拱腰最大水平位移絕對值先右后左施工方案分別為先左后右施工方案的3.99倍、3.53倍、2.03倍和8.12倍；

（2）針對雙層四線疊交隧道施工問題，從橫斷面方向看，距既有線遠側隧道線先施工，近既有線隧道線后施工，既有線所受整體影響更小。