盾構隧道下穿既有市政隧道數值模擬分析

崔玳琿（中鐵二十二局集團有限公司，北京 100043）

隨著城市地下空間的開發程度的不斷加大，新建地鐵線路不可避免的需要穿越既有建構筑，對盾構隧道施工提出了較高的變形要求。如控制不當，可能導致嚴重的經濟損失和社會影響。因此，如何保證盾構隧道穿越時建（構）筑物的穩定，是盾構法施工面臨的一個重要問題[1]。

學者對盾構施工下穿既有建筑物做了一些研究。楊志勇等[2]介紹了盾構上跨施工控制措施并結合施工參數控制情況對上跨措施的效果進行分析。徐朝輝[3]結合北京地鐵 10 號線盾構下穿建筑物工程，介紹了盾構機改造、渣土改良、掘進參數控制、加注新型回填材料、工后處理等技術措施。劉建友等[4]為了合理制定隧道下穿高速鐵路的變形控制標準,采用現場調研和統計分析等方法,對高速鐵路軌道、扣件及路基的相互作用關系開展研究,提出高速鐵路路基沉降控制標準的制定方法。

本文結合工程實際，利用三維有限元模擬分析，并通過關鍵盾構參數控制研究，達到下穿沉降控制效果要求，可為今后類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 環站南路的隧道概況

環站南路隧道沿環站南路敷設，下穿東寧路、鐵路、鐵西路路，全長 827 m（含鐵路段 218.4 m），按雙向 4 車道設計，為城市次干道，設計車速 50 km/h。

環站南路市政段主通道橫斷面采用矩形框架或 U 形槽。設計道路最大縱坡 4.9%，最小豎曲線半徑凸曲線半徑R≥1 000 m，凹曲線半徑 R≥1 000 m，滿足規范要求。在地道內為盡量減少地道埋深同時又兼顧排水采用 0.3% 的縱坡。沿縱向每 15 m設置一道變形縫，并在變形縫位置設置抗剪措施。

環站南路隧道在里程 K0＋664 位置下穿東寧路。此處隧道埋深約 1.4 m，頂板厚度 0.9 m，底板埋深約 9.5 m，底板厚度 1.2 m，側墻厚度 1.0 m。采用放坡＋工法樁方式開挖基坑。

1.2 地鐵結構與市政建筑物相互關系

杭州機場軌道快線工程火車東站站～合建匯合點自明挖區間盾構井始發，沿東寧路北側敷設，下穿環站南路隧道。環站南路隧道每個結構段設兩排各 5 根 φ 800 抗拔樁，區間拱頂距離環站南路隧道底部抗拔樁約 1.0 m，距離 φ 800 立柱樁約 9.0 m。隧道埋深約為 34.0 m。此處盾構所處地層為12-2 含礫中砂層。

1.3 水文地質條件

環站南路隧道所處地層地下水位在0.6～4.7 m，淺層地下水水位年變幅1.0～2.0 m。承壓水主要分布12-2 含礫中砂、12-4 圓礫等地層中，6-1、6-2 淤泥質粉質黏土為隔水層。

2 盾構隧道施工數值模型

2.1 計算參數取值

計算斷面選取杭州機場線火合區間右線K 3 3 ＋105.327～K33＋146.503，左線 K33＋108.009～K33＋149.335 處。地層為含礫中砂和粉質黏土地層，盾構隧道埋深為 22.5 m，凈距為 10 m。地層土性參數見表 1。

表1 地層土性參數表

2.2 計算模型

杭州地鐵機場快線火車東站站～合建匯合點區間盾構隧道、環站南路隧道主體結構等均考慮了主要影響區范圍并按照實際情況建模。

火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道、環站南路隧道頂板、底板、側墻、中隔墻、倒虹吸井、通水通道等均采用板單元模擬；隧道下、倒虹吸下樁采用梁單元模擬。管片及環站南路隧道主體結構為鋼筋混凝土結構，采用彈性模型模擬，參數見表 2。模型單元個數約 129 178 個，節點個數約73 012 個。圖 1 為盾構區間與環站南路隧道位置關系

表2 管片及隧道主體結構模型參數表

圖1 盾構區間與環站南路隧道位置關系

2.3 計算階段設置

計算步驟如下：

（1）初始應力狀態，環站南路隧道施工完成后的地層應力分布，生成初始地應力。

（2）位移清零。

（3）火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道左線開挖。

（4）火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道左線施加管片結構。

（5）火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道右線開挖。

（6）火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道右線施加管片結構。

隧道施工模擬分為兩個階段：①隧道開挖不施加襯砌，進行應力釋放；②施加隧道襯砌。隧道應力釋放數值通過地層損失率達到 0.5% 左右控制。

2.4 盾構隧道施工完成后的數值計算結果

根據數值模擬計算，火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道左線施工完成后，環站南路隧道樁體的最大豎向變形2.4 mm，最大水平變形 0.62 mm，滿足變形控制要求。

火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道右線施工完成后，環站南路隧道的最大豎向變形 3.2 mm，最大水平變形0.78 mm，滿足變形控制要求。

火車東站站—合建匯合點區間盾構隧道施工引起環站南路隧道結構內力發生變化，典型斷面的內力數值如表 3所示。

表3 環站南路隧道結構內力表

盾構隧道施工引起環站南路隧道結構內力發生變化，根據既有隧道結構鋼筋配置情況，盾構穿越后環站南路隧道結構配筋和裂縫均滿足控制要求。

2.5 現場監測結果及對比分析

施工過程中在火合區間盾構隧道穿越環站南路隧道期間在環站南路隧道結構上布點進行了施工監測，底板處左右線盾構隧道施工完成 30 d 后累計沉降值監測結果如圖 2 所示。

圖2 環站南路隧道底板沉降對比

圖 2 中實測數據與數值模擬數據對比可見，盾構隧道施工對環站南路的影響實際監測值與數值模擬結果曲線規律一致。數值模擬最大沉降值比實測數據略大，隧道最大沉降值點均位于右線隧道附近。這是由于環站南路靠近左線隧道以及倒虹吸井處設置有樁基起到了支撐作用，有效減小了隧道上方土體的沉降變形對有樁基段的結構變形的影響。本工程施工過程平穩順利，實測累計最大沉降值 -3.03 mm，現場巡查環站南路隧道及路面結構未發現裂縫等現象。

3 盾構穿越既有隧道的施工措施

本工程施工過程中采取了以下施工措施：

（1）工程開工前，對環站南路隧道結構進行檢測，確定其安全狀態。工程完成后，再次對隧道結構進行檢測，判定結構是否安全及是否需采取加固措施；穿越前做好安全鑒定、保留好原始影像資料，做好監測點布置工作。對于區間穿越前已存在的隧道病害，需在保留原始資料的基礎上密切關注，待區間通過后進行修復。

（2）根據環站南路隧道竣工圖進一步核實隧道圍護結構的結構形式、立柱樁的定位、樁長以及抗拔樁形式與樁長，保證區間隧道順利通過市政隧道。

（3）盾構在下穿隧道之前，在類似地層中進行盾構試推進，試驗段長度 ≥100 m。掌握盾構機推進各項關鍵參數與地面沉降之間的關系。以保證地面的安全。試驗段推進速度控制在 2 cm/min 左右,盾構隧道施工地層損失率 ≤5‰。

（4）以往工程經驗表明，盾構隧道非正常掘進的故障和事故導致地層大量損失或地下水位下降是導致建構筑物沉降、傾斜、開裂的主要原因。因此在穿越前應做好檢修、保養等工作，避免在穿越過程中停機，確保盾構勻速連續掘進穿越環站南路隧道范圍。

（5）區間左右線不得同步推進，前后距離宜按 100 環以上控制，避免同時影響橋梁。

（6）穿越環站南路隧道范圍區間管片上增設注漿孔，施工過程中做好同步注漿及二次補充注漿工作，以控制工后沉降。

（7）施工期前補充專項施工方案，完善應急預案，對環站南路隧道結構沉降進行實時動態監測，并定期進行巡查，根據監測結果信息化指導現場施工，確保市政設施安全。市政隧道沉降控制值建議按如下要求設置：單日沉降2 mm，累計沉降 8 mm。監測數值達到控制值 60% 啟動預警，達到控制值的 80% 時進行報警，暫停施工，并通知參建各方共同針對隧道保護進行洽商。

（8）盾構施工參數建議如下。

①土壓設定：土壓平衡盾構機土壓力的設定是關鍵，可按下式進行設定，并根據監測數據進行調整，如式（1）所示。

式中：P0—平衡壓力（包括地下水）；

H—隧道埋深，m；

γ—土體的平均重度，kN/m3;

q—地面超載，kPa；

k0—土的靜止側壓力系數，取 0.6～0.8。推進出土量：控制在 98%～100% 之間。推進速度：宜控制在 35～50 mm/min。②刀盤扭矩。設計刀盤轉速為 1.2～1.5 rpm，無級、可調，推力根據所處地層不同情況采用 14 000～18 000 kN。刀盤轉速=掘進速度/刀具貫入度。在黏土層、淤泥質黏土地層中掘進，尤其是穿越構建筑物時，關鍵是要穩定開挖面，合理控制刀盤扭矩，避免渣土堆積在刀盤面板和土倉內，受到長期擠壓失水后形成泥餅。為了增強渣土的流塑性、減小渣土的粘附性，在掘進過程中可注入泡沫來改良土體。

③注漿填充。盾構推進過程中應充填足量的漿液材料。充填注漿參數（漿液配比、注漿量、注漿壓力及注漿時機等）根據地質條件確定。所拌制的同步漿液應滿足泵送要求。漿液稠度建議控制在 10～11 cm，密度控制值1.75±0.5 g/cm3。同時應根據監測數據及時進行壁后二次補漿，確保周邊建構筑安全。

4 結 語

本文根據數值模擬計算并結合現場實測數據分析了盾構穿越對環站南路隧道的變形和受力影響。得出地層損失率為0.5% 左右的情況下盾構施工對上部結構的影響在相關規范要求范圍內。盾構穿越既有建構筑物的關鍵是控制地層損失率，減小對地層的擾動。同時，總結了本工程盾構施工成功經驗，針對盾構穿越過程中的施工措施及盾構控制參數提出了一些建議，可對類似盾構穿越工程施工提供參考。