面向新建隧道斜交下穿既有盾構隧道的變形研究

田 炯，郭曉敏

(包頭市自然資源局綜合保障中心，內蒙古 包頭 014010)

由于國內大型城市的數量不斷增加，而且城市的對外擴張也開始加大力度，地鐵隧道建設中彼此交錯的情況愈加嚴重，給軌道交通的運營安全帶來了極高的風險。同時新建地鐵隧道，對于已經處于使用的隧道一定還會造成影響，特別是受力問題也會加劇，進而造成隧道出現了變形，那么地鐵的安全就無法保障。新線施工引起附加變形的發展規律對運營地鐵結構的影響程度已是急需解決的問題[1-4]。很多學者為了解決該問題，已經開展了很多研究。在文獻[5]中，主要針對下穿地鐵隧道進行分析，并且針對此種線路在建設過程中需要通過淺埋暗挖的方式，保障隧道的安全。文獻[6]的研究中，主要分析了倫敦、北京2座城市，針對城市中的隧道線路進行仿真，以及按照運行中，其隧道變形的規律，結合Peck公式完成預測。文獻[7]結合首都機場線的東直門站C區在建的下穿越運營地鐵隧道的工程案例，通過數值模擬詳細分析了運營中的地鐵隧道的形變規律，并基于數值分析結果對施工方案進行了詳細優化。文獻[8]系統性地分析了施工中的開挖卸荷，此操作對于下臥初支隧道，在縱向角度上會引起的形變情況。

結合以往的研究成果對在建工程進行分析研究，通常盾構穿越運營地下交通線路的案例較多，但大部分下穿工程呈現正交穿越的特征，常用的分析方法為數值模擬。常用的分析方法為數值模擬法。通過利用淺埋暗挖法的方式，完成隧道斜交下穿項目的施工。考慮到該類實際工程數量較少的情況，采取該類工程的形變規律的樣本不足將存在認知上的缺陷。對于已經完成建設的盾構隧道，其整體的機構剛性較差，所以在施工過程中，只能在部分施工環節中使用淺埋暗挖法，而且這種建設方式對于周圍環境也會造成極大的干擾，從而增加了下穿隧道施工的風險。

綜上所述，本文提出了一種基于Peck理論的斜交下穿隧道的受力優化模型，結合Peck理論和已有工程的實測數據，利用數值擬合進行模型的額優化處理，完成仿真分析，并且確定在斜交下穿隧道出現了沉降的情況中，其沉降變量的最佳擬合值，揭示了斜交下穿隧道施工各階段中引起的位置變化，并且橢圓度也出現了變動，以此為下穿類型的隧道施工項目提供更多的借鑒方案。

1 既有隧道沉降規律

參考文獻[9]的原理可以知道，對于單洞類型的隧道，想要獲取開發造成的地表沉降的情況，可通過Peck公式進行計算。

(1)

在文獻[10]中提到了疊加原理，在雙洞隧道中，并且2條隧道處于平行狀態，在開挖過程中，會造成橫向沉降，具體計算公式為：

(2)

式中，A1、A2分別為第1、第2條隧道的橫截面積；V1、V2分別為第1、第2條隧道修建所引起的地層損失系數；i1、i2分別為第1、第2條隧道修建所引起的沉降槽寬度；l為2條隧道的間距。

文獻[11]的原理中提到，對于地標下沉降的槽線曲線，一般可以利用高斯分布的手段進行繪制，但是還需要綜合衡量沉降槽寬度的系數情況，并且完成整體的修正。其中，沉降槽寬度一般會按照參數的變化、深度的情況進行綜合衡量：

i=K(z0-z)

(3)

文獻[12]主要針對下穿隧道的真實項目進行調查分析，而且項目施工進行過程中，對于舊隧道造成的影響，其變形的情況可以使用Peck公式計算，利用天然地層的位移參數對地層損失系數和沉降槽寬度系數進行針對性修正。

Vnew=λaλgV

(4)

式中，Vnew為下穿既有隧道沉降下的地層損失系數；λa為下穿既有隧道和新建隧道的走向間夾角對地層損失系數的幾何修正值：λa=1/cosa；λg為下穿既有隧道施工的保護措施下折減的地層損失系數。

Knew=ηdηmK

(5)

式中，Knew為既有隧道線路的沉降槽寬度參數；ηd為斜交下穿隧道埋深對沉降槽寬度的影響因子：ηd=[1-a(z/z0)]/(1-z/z0)；a為考慮案例地層的土質情況后的給定參數；ηm為斜交下穿隧道結構的剛度對沉降槽寬度的影響因子：ηm=0.7M0.2；M為截面的剪切剛度值。

按照前面的表述和研究，此次針對單洞斜交下穿這種類型的隧道進行分析，以此了解該隧道的沉降情況。

(6)

雙洞類型的斜交下穿引起的既有隧道沉降計算：

(7)

式中，inew為沉降槽寬度，inew=Knew(z0-z)；Vnew為隧道沉降曲線的地層損失系數；lx為已經存在的2個隧道按照線路延伸的方向，其斜向之間的距離。一般情況下，是l/sinα，α為新、舊兩條隧道中，二者之間存在的夾角大小。

2 工程概況

結合礦山法，本案例重點對新建隧道區間實施分析，并且針對工程項目中，選擇斜交下穿的部分，建設盾構隧道，設置的區間范圍為：右線里程K5+232 m至K5+257 m。新建隧道的左—右中心線距設定為16.5 m，與既有隧道在豎直方向上的最小凈距設為1.10 m，穿越角度設為56°。隧道的覆土設為15 m，其外徑選取6.0 m，厚度設為0.3 m，采用預制型鋼筋混凝土進行管片襯砌，其左—右中心線距設為15 m。新建隧道工程設定4個監測節點，與既有隧道在豎直方向上的最小凈距見表1。下穿既有地鐵的相對的平面位置關系如圖1所示。

表1 新建區間結構和既有線區間的結構間距Tab.1 Structure spacing between new section structures and existing line sections

圖1 下穿既有地鐵的相對平面位置關系Fig.1 Relative plane position relationship of underpass existing subway

對于新建暗挖區間穿越段，其正洞開挖的施工建設主要利用臺階法施展，采用深孔注漿壓力(其值選取范圍1.0～1.5 MPa)對地層進行預先加固，對于輪廓線2.0 m范圍外的部分，針對斷面進行注漿。在早期的施工階段中，需要進行全方位支護，即利用HRB400型環向格柵鋼架及厚度為0.25 m的C30噴射混凝土混合施工，并選擇0.5 m的支護間距；另外，對于斷裂面的中間位置，需要安裝I20仰拱，并且相隔距離在0.5 m。這么做的原因是需要保障最終進行封閉時，能夠扣成環狀，為后續施工提供便利；同時，初期完全支護的背后注漿應積極跟進，其上斷面成環閉合后，也應及時填充注漿，直至全斷面均閉合后，再進行填充注漿；同時控制好開挖步距循序推進，在施工過程中嚴格按照開挖一榀，基于支護一榀的狀態實施建設，并且在掘進面中，需要將其放在核心的層面中。

在建設單線隧道時，需要完成臺階方面的建設，在完成臺階之后，才可以繼續實施隧道方面的工程。在臺階建設過程中，需要保障彼此的間距達到了12 m，同時應保證左/右線需錯開20 m以上的間距(圖2)。初期支護如圖3所示。

圖2 下穿既有地鐵相對位置關系橫斷面Fig.2 Cross-sectional diagram of the relative position relationship of underpass existing subway

圖3 初期支護Fig.3 Initial supporting

參考勘察報告的相關數據信息可以知曉，地層最深部分已經達到了55.0 m。該部分的巖性、力學特征見表2。針對巖土進行勘察時，一般需要針對下面兩層的水位實施探測，并且了解地下水位的情況。地下水基本情況見表3。層間水中，其水位線一般是在隧道的支護底板下，因此在施工的過程中，地下水不會對項目建設造成影響。

表2 地層力學參數Tab.2 Formation mechanical parameters

表3 地下水基本情況Tab.3 Basic situation of groundwater

3 既有盾構隧道變形結果及分析

3.1 既有盾構隧道形變的布置測點

在此次檢測中，主要針對盾構隧道結構進行檢測，以此了解豎向、水平、橢圓度這3方面變動的情況。對于豎向位置上出現的變化，需要使用自動、人工2種檢測手段(圖4)。

圖4 現場監測點布置Fig.4 Layout of on-site monitoring point

對于豎向位移監測點的布局測試，本文應用DiNi03精密水準儀進行相關監測，監測點一般會設置在隧道的底板上。在水平方向的檢測中，一般使用徠卡全站儀，并且在側墻進行安裝。對于橢圓度的檢測，在檢測過程中，構建空間坐標，針對空間數據進行相應采集。最后利用數據擬合的方式對擬合分析。測試起點選擇位于新建右線的上臺階掘進面距既有線盾構區間左線的結構外墻20 m處，測試終點選擇位于新建左、右線穿越既有線盾構區間末端。且左/右隧道線路穿越需歷時周期6個月。

3.2 既有盾構隧道變形實測結果

穿越特征點的實測值見表4。

表4 穿越特征點的實測值Tab.4 Measured value across feature points

3.3 既有盾構隧道結構豎向位移分析

在盾構隧道中，會鋪設左、右2條線路，其豎向方向上會進行沉降檢測，并且人工、自動化檢測獲得數據如圖5、圖6所示。

圖5 左線豎向位移累計曲線Fig.5 Cumulative curve of vertical displacement of left line

綜合圖5、圖6能夠看到，在斜交下穿的位置上，左線最大的豎向監測位移點為ZZC05，最小的豎向監測位移點為ZC13，其最大/最小的沉降距離為2.78、0.95 mm；此外，右線最大豎向監測點中，發生位移的情況是YC08，而且沉降距離為2.71mm，相較于左線略小；最小的豎向監測位移點應為ZYC02，沉降距離為0.43 mm。考慮斜交下穿既有盾構區間的左—右線結構，其人工和自動化方面的監測點沉降曲線要更加地吻合，并且最大沉降點會處于中心斷面的位置上，距離中心較遠其沉降值越小。此外，結合施工現場的合理化的施工步序，需要通過貫穿左線，再到右線。在左線中，需要在節點1、3進行相交；在右線需要和節點2、4相交。其盾構左線相應各階段的豎向人工監測的沉降位移趨勢如圖7、圖8所示。

圖6 右線豎向位移累計曲線Fig.6 Cumulative curve of vertical displacement of right line

圖7 節點1左線豎向位移沉降曲線Fig.7 Vertical displacement settlement curve of the left line of node 1

圖8 節點3左線豎向位移沉降曲線Fig.8 Vertical displacement settlement curve of the left line of node 3

其右線的各階段豎向人工監測的沉降位移趨勢如圖9、圖10所示。綜合圖7—圖10可知，在滿足單洞下穿越條件下，新建隧道下穿既有盾構隧道的形變特征呈“單凹槽”形；若滿足雙洞下穿越條件，則會出現“雙凹槽”的情況。在隧道形變的部分中，會朝向縱向的方向進行延伸，并且整體比較柔性。在此種隧道中，對于豎向的檢測進行比較分析來看，此次數據擬合處理之后，探究了第1節的公式，并且針對斜交下穿隧道進行沉降數值的核算。

圖9 節點2右線豎向位移沉降曲線Fig.9 Vertical displacement settlementcurve of the right line of node 2

圖10 節點4右線豎向位移沉降曲線Fig.10 Vertical displacement settlement curve of the right line of node 4

3.4 既有盾構隧道結構水平位移和橢圓度分析

其在水平方向上，位移的發展趨向如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，此種隧道中，坐標的位移最大值為+0.32 mm，右線為+0.47 mm，相比來看，2條線在水平方向上位移較小，甚至低于縱向的數值。因此，下穿的施工方式對于隧道在水平方向的形變影響較小。

圖11 既有盾構區間左線結構水平位移的累計形變趨勢Fig.11 Cumulative deformation trend of horizontal displacement of left line structure in existing shield section

圖12 既有盾構區間右線結構水平位移的累計形變趨勢Fig.12 Cumulative deformation trend of horizontal displacement of right line structure in existing shield section

在既有盾構隧道中，其橢圓度的變化，對于整體工況造成了干擾，既有盾構隧道結構橢圓度的形變曲線如圖13所示。由圖13可知，在下穿越施工前，既有盾構隧道結構的橢圓度均產生了變化，最大變化幅值約為1.88 mm。施工完成后，其橢圓度的最大變化幅值約為3.17 mm，說明盾構隧道的橢圓度變化幅值較小。通過對各節點的橢圓度形變幅值進行對比可知，節點3處的盾構隧道橢圓度形變幅度最大，但節點3處的豎向方向上，其凈距最小，只有1.11 m。由此可見，橢圓度的變動，會對該數值造成影響。

圖13 既有盾構隧道結構橢圓度的形變曲線Fig.13 Deformation curve of ovality of existing shield tunnel structure

4 結論

綜合淺埋暗挖法的方式進行分析，闡述了下穿既有盾構的隧道工程案例，并全面地進行現場監測，在施工過程中，需針對隧道的形態變化進行分析，最終得出以下結論。

(1)既有盾構隧道的左/右線結構沉降最大的位置均在穿越中心斷面處附近，且越遠離沉降值越小。新建隧道符合單洞下穿越的工程條件，既有盾構隧道的形變呈現“單凹槽”特點，符合雙洞下穿越的條件，以此展現“雙凹槽”的基本特征。但是通常情況下，出現沉降的情況，通常是在上臺階進行穿越施工中。

(2)參考隧道的沉降情況，對工程實測監測數據進行數字擬合，計算出其地層的損失系數范圍為0.013%～0.950%，論證了該系數滿足天然地層的數值要求。

(3)既有隧道結構的豎向位移要明顯高于水平位移，其形變以沉降為主。在節點3的位置上，橢圓度的形變程度比較嚴重，而且其豎向凈距也很小。因此，在下穿隧道施工過程中，豎向凈距對橢圓度的變化會造成影響。