盾構下穿既有隧道對土體及結構變形的影響

許 聯,卜 成，邵蘇文，孫晉晶，王永杰，王志華

(1.江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212021；2.南京吉歐地下空間科技有限公司，江蘇 南京 211899； 3.南京工業大學城市地下空間研究中心，江蘇 南京 211816)

0 引言

近些年我國城市地鐵隧道進入快速發展時期，地下交通系統愈加發達，同時也越來越復雜，盾構施工下穿既有建筑物也愈發普遍。盾構掘進過程中，由于周圍土體的缺失引起盾構臨近建筑物內力的重分布，產生不均勻變形，對既有建筑物安全性產生威脅。因此，針對盾構下穿既有隧道引起的結構變形開展研究是一項非常有工程價值的課題。

當前，國內外學者已有關于新建盾構隧道下穿既有結構引起的變形研究。Peck[1]在不考慮土體排水的情況下，提出了盾構開挖引發地面沉降的經驗公式；Attewell[2]在Peck研究的基礎上，提出了計算橫斷面上沉降最大值的計算公式，隨后在Attewell橫向曲線的基礎上做了補充，提出了計算隧道縱向沉降曲線的公式[3]。何川等[4]采用室內相似模型試驗，研究了地鐵盾構隧道重疊下穿施工引起上方已建隧道的變形，得出頂推施工將引起已建隧道在掌子面前方產生較大附加內力，為類似地鐵盾構重疊施工提供了技術支持。張曉清等[5]考慮了隧道施工襯砌與土體兩種介質下應力變化情況，推導出新建隧道施工時既有隧道和擾動土體在時間域內的應力遷移解析式，為今后類似多線疊交隧道工程的設計和施工提供理論指導。魏綱等[6]采用能量變分法推導盾構穿越施工引起的既有隧道縱向變形公式，計算了既有隧道的豎向位移、環間的錯臺量、轉角和剪切力，進而判斷既有隧道結構的安全狀態。甘曉露等[7]基于兩階段分析法建立了考慮新建盾構隧道上浮影響的隧道下穿引發既有隧道縱向變形計算模型，得出了控制新建隧道上浮量或減小新建隧道直徑可有效減小由于上浮效應造成的既有隧道隆起變形的結論。

近年來諸多學者采用數值模擬的方法進一步研究復雜工況下盾構施工對既有結構的影響。廖少明等[8]考慮盾構隧道疊交施工之間相互影響，應用邊界單元法分析了相鄰隧道開挖過程中三種典型疊交位置引起既有隧道主體結構的變形，對盾構施工引起的地層位移場分布規律及相互影響進行了分析。張志強等[9]利用三維有限元法分析盾構推進力與掘進速率對既有隧道的影響，提出了在“卸荷”型地下建筑物下方修筑盾構隧道時不宜采用“加大推進力-快速通過”盾構施工的模式，應采用相反的施工模式。毛新穎等[10]結合實際工程，采用有限差分方法對地鐵盾構下穿公路隧道全過程進行三維數值模擬，結果表明既有建筑物的存在對土體有一定的約束作用，距公路隧道側墻越近，由盾構施工引起的地表橫向沉降槽深度越小。

許多學者通過理論分析、工程經驗以及數值模擬的方法開展了新建隧道施工引起的土體變形研究，但尚未討論盾構到隧道底板距離對既有隧道結構的影響。本文通過有限單元法對南京地鐵5號線區間隧道盾構近距離下穿某公路隧道進行數值模擬分析，研究盾構穿越公路隧道對土層及既有隧道的變形影響，并討論不同盾構與既有隧道之間距離的影響規律，可為類似盾構施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

本工程為南京地鐵5號線下關站—建寧路區間盾構段，此段隧道起于下關站，止于建寧路站，左線起訖里程K34+671.472～K35+212.202，右線起訖里程K34+722～K35+212.202，左右線區間長度分別為771.657 m，744.508 m。本區間段采用盾構法施工，盾構隧道內徑5.5 m，外徑6.2 m，管片環寬1.2 m，厚350 mm。區間出下關站后沿中山北路向西，以曲線R=350 m的曲線半徑呈“V”型，左線線路先以23.288‰下坡，然后以28.271‰上坡，右線先以24.213‰下坡，然后以29.500‰上坡，下穿惠民路高架橋(正在實施橋改隧道工程)及惠民路暗涵后向北拐向規劃中央大街，下穿鼓樓人民來訪接待中心樁基，側穿下關區人民政府，到達建寧路站。盾構及既有公路隧道位置見圖1。

項目所在地區屬長江漫灘地貌，地面高程7.77 m～9.69 m，據鉆孔資料顯示，土層從上至下依次為①1雜填土，層厚1.30 m～6.20 m；①2素填土，層厚1.90 m～7.80 m；②2淤泥質粉質黏土夾粉砂，厚度2.70 m～29.20 m；②3粉質黏土夾粉砂，厚度12.30 m～30.00 m。各土層的主要物理力學性質指標如表1所示。

表1 土層的主要物理力學性質指標

2 盾構下穿既有隧道三維有限元模擬

為分析盾構施工對既有隧道的變形影響，建立南京地鐵5號線下關站—建寧路區間盾構下穿既有隧道的三維有限元模型，如圖2所示。模型確定的范圍為盾構走向(X向)120 m，即隧道兩側距離Y-Z平面的土體邊界39 m；隧道方向(Z向)100 m，盾構區間中心線與X-Y平面的土體邊界距離為50 m；豎直方向(Y向)70 m，上表面邊界為地表，下表面邊界為盾構底部以下約50 m。數值模型中土層自上而下依次為①1雜填土、①2素填土、②2淤泥質粉質黏土夾粉砂、②3粉質黏土夾粉砂，厚度分別為2.1 m,2.4 m,29.2 m,30.3 m，地鐵盾構區間與節點隧道空間具體位置如圖3所示。

巖土體采用實體單元模擬，隧道管片及盾殼利用有限元軟件“析取”功能形成2D板單元。巖土體采用修正摩爾-庫侖本構模型，隧道及盾構結構采用線彈性模型，其中盾構管片簡化為均質材料，未考慮現場管片采用錯縫拼接及螺栓連接固定。為更真實地模擬管片的實際情況，模擬過程中對管片的剛度進行了一定的系數折減。整個模型頂部設置自由邊界，左右兩側邊界設置Z向約束，前后兩側邊界設置X向約束，底部設置Y向約束。數值模型中各層土體參數如表2所示，結構材料參數如表3所示。

表2 模型土層參數

表3 結構材料參數

在模擬盾構掘進施工過程，以長度1.2 m的管片為施工單元，按4個施工單元作為一個施工階段的長度，即4.8 m為一個施工步。模型的盾構掘進距離為120 m，盾構右線與盾構左線先后掘進120 m，右線盾構先施工，左、右線各27個施工階段，共54個階段。初始階段選擇激活土體、公路隧道結構、邊界條件，采取位移清零，模擬開挖前的工況。正式施工階段依次為：

1)進行1階段開挖土體的鈍化，并激活1階段的盾構外殼。

2)鈍化2階段開挖土體，激活2階段盾構外殼，同時激活1階段盾構管片。

3)鈍化3階段開挖土體，激活3階段盾構外殼，同時激活2階段盾構管片，對1階段盾構外殼進行鈍化，并施加屬性修改邊界，生成注漿單元，完成盾尾注漿。后序施工步驟以此類推，至第27階段，完成盾構施工模擬。盾構左線施工步驟與盾構右線一致。模型施工階段具體如圖4所示。

3 數值模擬結果分析

3.1 盾構下穿施工對地表沉降影響

為了分析地表沉降的動態分析，選取了兩個斷面進行地表沉降監測，如圖5所示。斷面1是與盾構掘進方向垂直的斷面，斷面2為左右線盾構隧道之間的中軸線位置與地表平面交叉的斷面，平行盾構掘進方向。

通過提取模擬值，得到不同施工階段后地表沉降變化曲線圖，如圖6所示。可以看出，斷面1地表沉降曲線類似Peck沉降曲線，當盾構左線隧道施工完成后，地表沉降的數值及范圍較盾構右線完成下穿后有一定程度的增加，沉降最大值出現在盾構右線的正上方，最大值為14.60 mm，且右線下穿完成后占最終沉降變形的70%，說明先行盾構施工對地層擾動影響更大，實際施工中需加強對先行盾構施工的檢測。斷面2的沉降曲線可以看出，盾構左線施工完成后，地表沉降數值和范圍較右線完成下穿后有一定程度的增加，沉降較大區域發生在盾構下穿既有隧道前，同樣印證了先行盾構施工對地層沉降變化影響較大的結論。

為進一步討論距公路隧道不同距離對地表沉降的影響，繼續選取3個垂直于盾構掘進方向的觀測斷面(平行于斷面1)，并與斷面1進行對比分析，盾構左線施工完成后地表沉降對比曲線如圖7所示。

由圖7可知，距隧道側墻不同距離的地表沉降存在差異。距離公路隧道側墻4 m,10 m,16 m,22 m的斷面最大地表沉降量依次為10.2 mm,13.4 mm,14.22 mm,14.60 mm。盾構掘進過程中，越靠近公路隧道，地表沉降變形越小，因為施工過程中，公路隧道重量小于周邊土體自重，受地層擾動產生的沉降值小于土體沉降值，盾構穿越公路隧道的過程中，公路隧道對周圍土體的變形約束不可忽視。

3.2 盾構下穿施工對既有隧道變形的影響

地鐵盾構下穿既有隧道不可避免對結構產生影響。圖8為不同階段盾構下穿施工引起既有公路隧道豎向位移云圖，第8個施工階段對應工況為盾構接近公路隧道，此時公路隧道最大豎向位移為0.17 mm；第16個施工階段對應盾構穿越公路隧道時，此時公路隧道最大豎向位移為1.07 mm；第27個施工階段為盾構遠離公路隧道，此時最大豎向位移為1.01 mm；第54個施工階段即盾構施工結束時公路隧道最大豎向位移為0.77 mm。

通過提取模擬數據值，繪制盾構掘進過程中隧道頂板與隧道底板豎向位移變化曲線，分別如圖9,圖10所示。盾構掘進的過程中，既有隧道整體呈現先壓縮后回彈并最終趨于穩定的狀態。整個盾構施工完成后，隧道頂板豎向位移最大值0.48 mm，隧道底板豎向位移最大值為0.69 mm；整個施工過程沉降發生在盾構下穿既有隧道時，此時隧道頂板達到最大豎向位移值0.79 mm，隧道底板達到最大沉降值0.97 mm。在下穿的第8～第16施工階段過程中，因盾構掘進施工，盾構上方土體應力釋放較大，土體發生沉降引起既有隧道發生較大變形。所以在盾構下穿既有隧道的施工過程中，應加強對既有隧道的監測，當發生變形速率過快的情況時，需盡快采取注漿加固等措施，保證既有隧道結構的安全穩定。

既有隧道結構的底板豎向位移變化量大于頂板中心軸線上的豎向位移變化量，究其原因是由于盾構施工對上方不同深度土層的影響不同，距離盾構頂部越近，土體受到的擾動程度越大，隧道底板受土體變形影響更大。

3.3 不同距離的盾構施工對既有隧道變形的影響

為進一步研究盾構施工穿越既有隧道土層及隧道結構的變形特性，設置了盾構拱頂到隧道底板距離分別為2 m,5 m,8 m,11 m的四種工況進行對比，以分析不同距離盾構施工對既有隧道的變形影響。圖11為各工況下地表沉降的變化曲線。

由圖11可以看出，不同工況下的地表沉降曲線均符合Peck沉降曲線，但是隨著盾構與既有隧道之間距離的增加，地表沉降的最大位移值在逐漸減少，說明土層距離盾構越近，所受到的影響就越大，沉降值就越大。但是進一步分析發現，當盾構距離既有隧道超過5 m時，地面土層受到盾構施工的影響相比5 m以內的要小，所以在地質條件允許的情況下，盾構下穿既有建筑物時，設計初始階段可以適當地拉大盾構隧道與既有建筑物之間的垂直間距。

圖12,圖13分別為各工況下隧道頂板和隧道底板的豎向位移變化曲線。可以看出，盾構距離公路隧道5 m時，隧道頂、底板豎向位移最大，隧道頂板最大豎向位移為0.7 mm，底板為0.94 mm，當盾構距離既有隧道超過5 m時，隧道結構的豎向位移明顯減小，5 m范圍以內時，盾構施工對既有隧道的影響較大。分析原因為盾構施工引起周圍土體缺失，隨著土體缺失的不斷積累，隧道整體發生沉降變形，當盾構上方覆土厚度增加時，隧道底板附近的土層所受到的變形影響變小，既有隧道產生的變形更小。

4 結論

為了研究盾構隧道施工對土體以及既有隧道結構變形的影響，建立南京地鐵5號線下穿既有隧道有限元數值模型，模擬計算盾構施工過程中地面沉降和結構變形量，得到以下結論：

1)地表沉降最大值出現在盾構右線的正上方，最大值為5.12 mm，且右線下穿完成后占累計沉降變形的70%，說明先行盾構施工對地層的擾動更大，在實際工程中應加強先行盾構施工過程中的監測。

2)既有隧道上方土體沉降量比新建隧道上方土體沉降量要小，從側面說明既有隧道結構的存在能改變地層位移場，有效約束土體位移場的變化，減小結構上方土體的變形量。

3)盾構掘進施工過程中，既有隧道整體呈現先沉降后回彈再漸進穩定的趨勢，豎向位移變化在控制范圍以內；在施工期間尤其盾構下穿既有隧道過程中，最容易出現變形速率快的情況，從而導致豎向位移量過大。

4)隨著盾構與既有隧道之間距離的增加，地表沉降和既有隧道結構變形量減少，當盾構距離既有隧道超過5 m范圍時，地表沉降和隧道結構的豎向變形明顯減小。