大坡度小曲率盾構施工對既有地鐵隧道的影響

于偉光

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著近年來我國地鐵隧道的大量興建，城市地鐵隧道施工面臨的施工環境越來越復雜，主要表現在盾構施工經常需要下穿既有敏感地下結構，以及盾構施工線路在局部需要采用大坡度和小曲率半徑施工方式以滿足設計要求兩個方面。

針對大坡度及小曲率半徑隧道盾構施工情況，魏綱等[1]考慮盾構軸線與水平面的夾角，結合正面附加推力、盾殼摩擦力、附加注漿壓力和土體損失的共同作用，提出全新的盾構隧道施工土體垂直變形計算公式。LAI H等[2]基于監測數據和有限差分數值模擬，對大坡度盾構隧道近距離小交角下穿施工既有隧道沉降特性進行了研究，驗證了有限元結果的一致性。WENG X等[3]通過一系列離心模型試驗和數值模擬分析，研究了由隧道縱坡角和穩態滲流引起的開挖面失穩及開挖面的漸進破壞機理。LI S等[4]結合曲線盾構隧道施工特點，推導了由土體損失及施工荷載引起的地層豎向變形的計算公式，并研究了隧道曲率半徑對地層沉降的影響。唐曉武等[5]分析了小曲率半徑盾構掘進過程中的土體沉降、水平變形和孔隙水壓力。

針對隧道盾構施工下穿既有地鐵隧道情況，陳向陽等[6]對比分析了一系列縱向等效剛度的計算模型，并通過三維數值模擬研究盾構下穿施工對上方既有隧道在不同計算模型下的沉降及受力的影響。曾鐵梅等[7]依托于武漢某隧道下穿工程進行實例分析，基于所提出的PCBN模型進行風險分析和指標相關性分析，確定工程的施工風險狀態及與施工風險相關性較高的關鍵風險因素。來弘鵬等[8]結合實體工程，對盾構下穿既有地鐵隧道施工技術參數進行了系統研究，并通過實測數據驗證了研究成果的可靠性。

當盾構施工采用大坡度小曲率半徑下穿既有地鐵隧道時，施工安全控制難度更大，問題更加復雜，而目前對該問題的研究尚不足。本文以鄭州軌道交通5號線為依托，分析了大坡度小曲率半徑盾構隧道下穿既有地鐵隧道的情況。

1 工程背景

鄭州市軌道交通5號線某區間延長線下穿既有地鐵隧道線路。盾構下穿處正線在上，出入線在下，立交線路平面夾角36.8°。其中正線區間覆土16 m，線路縱坡0.68%；出入線平面曲率半徑為450 m，線路縱坡2.982%，隧道間豎向凈距3.924 m，穿越地層主要為粉質黏土層。既有正線隧道及新建出入線右線隧道半徑均為3.1 m，管片厚度為0.35 m，混凝土等級為C50。工程概況如圖1所示。

圖1 工程概況

2 有限元建模

2.1 模型及地層參數

根據計算經驗，為了使模型邊界處的應力不受到隧道開挖的影響，隧道中心線到垂直網格邊界的距離為4倍～5倍隧道直徑、從隧道中心點到底部邊界的距離應為2倍～3倍隧道直徑。本文模型尺寸為長250 m，寬200 m，深50 m。網格在豎直邊界上限制水平位移，在底部邊界限制水平及豎向位移，頂端自由。為保證模型計算的準確性，隧道部分模型網格進行了適當的加密處理，如圖2所示。

圖2 土體與結構網格示意圖

根據工程前期實際勘察及試驗結果，在本模型中地層分層情況及各參數見表1，并假定地下土層沿開挖方向分布均勻，且各土層性質不隨開挖進度變化而變化。

隧道及盾構機參數見表2。

表2 隧道結構參數

2.2 盾構參數

盾構所處土層自穩能力較強、施工擾動較小時，可采用靜止土壓力進行計算。本模型中盾構機位于粉質黏土層，土層粘聚力及內摩擦角均較大，自穩能力較強。根據靜止土壓力公式，在深度z處靜止土壓力為：

式（1）中，K0為靜止土壓力系數，一般取K0=1-sinφ′，φ′為土體有效內摩擦角，°，本文中土層位于地下水位以上，故計算中取內摩擦角，即φ′=φ，取值見表1；γ為土體重度，kN/m3，取值見表1；z為計算點埋深，m。

表1 土層參數

計算得隧道上表面土壓力為298.80 kPa,下表面土壓力為384.91 kPa。隧道掌子面壓力隨深度變化，增量為14 kPa/m。

盾構注漿壓力應略大于對應地層位置靜止水土壓力，注漿壓力一般取0.1 MPa～0.35 MPa，因本文模型隧道埋深較深，故模型中注漿壓力取0.4 MPa，采用垂直增量方式，增量為20 kPa/m。

3 結果及分析

為了解隧道下穿不同階段既有隧道的變形情況，將隧道下穿過程分為4種不同工況，從而對隧道下穿不同開挖階段既有隧道豎向位移進行分析。主要分析下穿施工前、穿越中、穿越后及完全穿越4種工況下，既有隧道在3個監測斷面及既有隧道橫截面4個監測點處的沉降變形,如圖3～圖4所示，其中Ⅱ—Ⅱ截面位于既有隧道軸線地表處，Ⅰ—Ⅰ及Ⅲ—Ⅲ截面距Ⅱ—Ⅱ截面均為5.1 m。

圖3 工況示意圖

圖4 地表沉降監測斷面和隧道沉降監測點

3.1 下穿施工前

在此階段，下穿隧道即將與既有隧道相交。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖5～圖6所示。在同種工況下既有隧道位移要大于對應地表土體位移。當盾構機接近既有隧道時，既有隧道頂部變形最大，底部沉降最小，由于盾構曲率的影響，A，B兩點并未表現出對稱性，A點沉降略大于B點沉降。說明在開挖面到達既有隧道之前，隧道已經開始發生變形，且靠近開挖面一側沉降更大，由于曲率和坡度的存在，沉降呈現明顯的非對稱性，隧道產生扭轉效應。施工中應提前對地表及隧道進行監控，防止監控延后帶來的檢測值偏小的問題。

圖5 不同截面地表沉降曲線（工況一）

圖6 既有隧道豎向位移（工況一）

3.2 下穿施工中

在此階段，下穿隧道盾構機位于既有隧道正下方。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖7～圖8所示。當盾構機下穿既有隧道時，既有隧道底部D點變形最大，C點沉降最小，B點沉降與A點較為接近，由于盾構曲率的影響，A，B兩點并未表現出對稱性，A點沉降明顯大于B點沉降。說明在開挖面到達既有隧道時，先開挖一側隧道沉降更大，同樣由于曲率和坡度的存在，沉降呈現明顯的非對稱性，隧道產生扭轉效應。施工中應重點監控隧道底部。

圖7 不同截面地表沉降曲線（工況二）

圖8 既有隧道豎向位移（工況二）

3.3 下穿施工后

在此階段，盾構機盾尾脫出既有隧道下方，盾尾管片繼續拼裝，直至開挖完成。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖9～圖10所示。在同種工況下既有隧道位移要大于對應地表土體位移。隨著隧道施工的推進，既有隧道及周圍土體變形不斷增長，隧道最大變形區域也不斷推進。當盾構機脫離既有隧道時，既有隧道底部D點變形最大，C點沉降最小，B點沉降與C點較為接近，由于盾構曲率的影響，A，B兩點并未表現出對稱性，A點沉降明顯大于B點沉降。說明在穿越既有隧道后，先開挖一側隧道沉降更大，同樣由于曲率和坡度的存在，沉降呈現明顯的非對稱性，隧道產生扭轉效應。施工中應重點監控隧道底部。

圖9 不同截面地表沉降曲線（工況三）

圖10 既有隧道豎向位移（工況三）

3.4 完全穿越后

圖11為新建隧道開挖完成后不同截面地表沉降曲線，完全穿越后，截面處地表沉降逐漸呈現出對稱性。圖12為新建隧道開挖完成后既有隧道水平兩側拱腰（A，B）及拱頂(C)拱底（D）處豎向位移變形曲線。從A，B曲線上看，在交叉區（75 m）前右側拱腰處沉降值要大于左側拱腰處沉降值，而交叉區后左側拱腰處沉降值開始大于右側拱腰處沉降值，說明在隧道掘進過程中既有隧道發生了扭轉，扭轉變形最大值位于下穿區。從C，D曲線上看，既有隧道拱頂處沉降最小、拱底處沉降最大，且大于兩側拱腰處最大沉降值，說明既有隧道在新建隧道開挖過程中同時受到底部隧道及兩側土體的的擠壓，隧道襯砌向內變形，整體變為垂直橢圓形。說明在完全穿越既有隧道后，兩側隧道沉降逐漸接近，曲率半徑的影響逐漸減弱，坡度的影響不變，扭轉效應減弱。同樣施工中應重點監控隧道底部位置。

圖11 不同截面地表沉降曲線（完全穿越后）

圖12 既有隧道豎向位移（完全穿越后）

4 結論

本文以鄭州市軌道交通5號線某區間延長線下穿既有地鐵隧道線路為工程背景，研究大坡度小曲率半徑隧道盾構下穿施工對既有隧道的影響問題，得到以下結論。

1）通過分別對下穿施工前到完全穿越共4種工況的計算分析可以發現，隨著盾構施工的推進，隧道沉降值逐漸增大，施工中應該分階段控制隧道沉降。

2）新建隧道的施工，導致既有隧道斷面底部沉降最大，頂部沉降最小，同時由于曲率的影響，兩側沉降呈現出不對稱的情況，靠近盾構掘進面的位置沉降較大，說明沉降監測應重點關注隧道底部和兩側。

3）大坡度小曲率半徑隧道在完全穿越前，由于隧道曲率的影響，導致的隧道斷面沉降出現不對稱的情況，隧道產生扭轉效應，完全穿越后，扭轉效應減弱。