地鐵盾構區間隧道近接下穿既有隧道影響研究

秦 帥，黃 杰，陳霧航

（1.南京市城市道路管理中心，南京 210008；2.蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

隨著城市地下空間大規模的開發利用，地下環境日漸錯綜復雜。地鐵區間盾構隧道在施工過程中，經常會遇到下穿既有地下結構的情況，施工穿越過程難度及風險也越來越大。在盾構施工過程中，土體產生擾動，引起地表沉降及周圍土體的變形，會使臨近既有結構產生附加應力和變形，直接影響臨近結構與周邊環境的安全。為了保證臨近地下結構的安全性，采用合理的施工方法并對施工過程中各項指標進行監測顯得尤為重要。

目前，針對地鐵盾構區間下穿既有地下結構的影響研究已取得了較多的研究成果。熊志浩等采用三維有限差分法建立計算模型，模擬地鐵盾構區間隧道下穿既有綜合管廊，分析下部盾構隧道在不同交叉角度和不同盾尾注漿壓力下，上部結構的變形和影響規律；方勇等采用三維有限元軟件模擬了2 條平行隧道的盾構施工過程，監測既有隧道位移、變形和內力，并分析其動態施工過程中的變化規律；許有俊等通過實測數據與三維有限元法，研究在上部地鐵車站布置預埋樁基后，盾構近接下穿對上部車站的影響，結果表明，通過在上部車站布置預埋樁基，能夠有效控制既有車站的變形；徐前衛等研究了上海外灘觀光隧道上穿地鐵2 號線2 條平行地鐵隧道在復雜工況下盾構掘進施工的土體擾動特點；徐章杰以北京地鐵15 號線盾構穿越京承鐵路箱涵工程為背景，分析了盾構施工引起既有鐵路箱涵變形問題。目前，研究現狀大多針對盾構隧道施工對地層影響分析及盾構施工參數影響分析，針對盾構下穿既有結構，研究內容為下穿既有盾構隧道和地下管線，且研究僅針對個別工況，缺少對既有隧道的研究。

本文以南京地鐵9 號線近接下穿揚子江大道綠博園隧道工程為研究背景，采用有限差分軟件FLAC 3D建立數值模型，模擬地鐵盾構區間隧道下穿隧道的施工過程，研究盾構隧道近接下穿過程中，上部既有隧道的變形規律。

1 工程概況

揚子江大道綠博園隧道位于揚子江大道與水西門大街節點處，隧道總長560 m，南側敞開段長165 m，樁號為K3+645～K3+810，暗埋段長170 m，樁號為K3+810～K3+980，北側敞開段長225 m，樁號為K3+980～K4+205。隧道分左右雙洞，隧道暗埋段高8.1 m，寬30.4 m，隧道路面采用瀝青混凝土路面。

隧道主體結構形式敞開段為“U 型槽”結構，暗埋段為矩形單箱雙孔框架結構。隧道地基處理采用樁基、抽條加固相結合的方案。主體結構頂板、底板、側墻、中墻及相關抗拔樁、工程樁均采用C35 混凝土。暗埋段頂板及側墻厚度為1 m，底板厚度為1.2 m，中隔墻厚度為0.6 m。敞開段側墻厚度為0.6 m，底板厚度為0.6～1.2 m。二者位置及交叉情況如圖1 和圖2所示。

圖1 地鐵9 號線與隧道交叉示意圖

圖2 相對位置關系剖面示意圖

地鐵區間隧道設計為內徑5.8 m 的雙盾構隧道，盾構管片厚度0.4 m。交叉段暗埋段隧道橫斷面形式如圖3 所示。為了減小盾構隧道近接下穿過程中隧道的沉降變形，提高隧道結構的安全性與穩定性，設計時采用三軸深攪樁對隧道結構進行地基加固，攪拌樁為?850@1800，加固平面范圍為區間外輪廓線兩側3 m，豎向范圍為基坑底標高至-17.32 m，即坑底以下15 m 范圍。采用常規的四攪兩噴工藝。使用42.5 級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.45～0.60，送漿壓力0.4～0.6 MPa，水泥摻入量16%（坑底以上虛樁部分水泥摻量8%），深攪樁28 d 的無側限單軸抗壓強度不小于1.0 MPa。交叉段隧洞敞開段橫斷面情況如圖4 所示。

圖3 交叉段隧道暗埋段橫斷面示意圖

圖4 交叉段隧道敞開段橫斷面示意圖

經勘查，城市地層范圍內土體主要為素填土與淤泥質粉質黏土，盾構隧道穿越范圍內土體主要為粉質黏土夾粉砂，該層工程地質性能較差，由于混夾大量粉土、粉砂，水平向滲透性明顯大于垂向，掘進時易導致地面隆起，出土后易導致地面沉降。

2 盾構施工過程數值模擬

2.1 計算模型的建立

為了較準確地模擬綠博園隧道運營后，新建地鐵盾構隧道開挖施工對其的影響，采用專業的有限差分軟件FLAC 3D 建立數值模型，進行開挖施工的全過程分析。計算中，土層、綠博園隧道以及新建地鐵盾構隧道管片均采用實體單元，各參數按實際取值。

實際工程中，盾構開挖、與土層間的相互影響是較為復雜的，數值模擬時，既要保證計算精度，也要考慮計算效率，因此，需對模型進行簡化。根據實際情況并考慮計算精度，本次分析過程中進行了如下幾點假定。

1）小變形假設：根據土體變形規律、施工參數影響和變形控制條件等因素，盾構隧道開挖掘進施工所引起的既有隧道結構變形屬于小變形問題。

2）對于隧道和盾構管片等混凝土結構而言，在宏觀上將其視作勻質、各向同性材料；對于地層，根據前述對于地質條件的描述，假定其為成層的各項同性材料。

3）土體的初始地應力僅考慮自重作用。

4）土體本構模型采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構，混凝土材料采用彈性（Elastic）本構進行模擬。

5）計算時不考慮地下水影響作用。

計算模型的邊界條件嚴格按照隧道開挖影響范圍和隧道保護區范圍取值，按3～5 倍洞徑和隧道50 m 保護區范圍考慮，交叉斷面模型如圖5 所示。根據前述模型計算中關于邊界的描述，計算模型尺寸（長×寬×高）分別為：208 m×400 m×50 m，包含單元和節點數量為1 070 000 個和1 475 000 個。

圖5 交叉斷面模型示意圖

2.2 土體及結構力學參數

根據巖土工程詳細勘查報告，將一定深度范圍內土體力學參數相近的地層進行合并，主要土體自上而下為填土、淤泥質粉質黏土、粉砂、粉質黏土夾粉砂、粉細砂，土體力學參數見表1，具體結構材料性質見表2。

表1 地層土體分布及力學參數

表2 結構計算參數

2.3 數值模擬方案

計算中首先進行地層的初始地應力計算，在正式開始計算隧道開挖的影響之前，進行模型的位移和塑性狀態的清除，用以確保最終的計算結果為隧道開挖所產生的附加位移。加固區采用改變相應區域范圍內材料參數的方法加以實現，具體參數取自相關文獻中關于水泥土攪拌樁的部分。

隧道的開挖采用空模型（null）進行實施。在建模過程中，將盾構管片按照管片寬度進行網格劃分（本次計算中取為1.2 m），計算中按照一環管片寬度的進尺掘進直至盾構隧道在計算范圍內貫通。對于盾構機頂推力的模擬，計算中采取在開挖面上施加法向應力的方式加以實現。對于雙線盾構隧道開挖順序的考慮，計算中假定一條線開挖完成后，再進行另一條線的開挖。

2.4 計算工況

根據施工工藝和具體的施工進度，模擬時分為10個主要施工步序來考慮，分別為2 線初始開挖、到達隧道、抵達隧道正下方、穿過隧道以及完全貫通。模擬時，根據盾構施工實際路線情況，先掘進大里程段區間（先行線），后掘進小里程段區間（后行線），具體計算施工步序見表3。

表3 計算施工步序

3 結果分析

3.1 施工過程隧道暗埋段沉降分析

不同工況下隧道暗埋段監測點沉降結果如圖6所示，各工況下位移云圖如圖7 所示。計算中考慮了盾構的施工過程，分別給出了兩線初始開挖、到達隧道、抵達隧道正下方、穿過隧道，以及完全貫通各個階段的沉降結果。該斷面的計算中首先開挖南線隧道（大里程段），待大里程隧道施工完成后，開挖小里程段隧道。

根據圖6 曲線所示，盾構隧道近接下穿施工導致既有隧道發生不均勻沉降變形，由于隧道采用工程樁基礎，并在盾構隧道下穿影響部分采用三軸攪拌樁地基加固，隧道底板結構與地基整體性得到了加強，因此盾構施工過程中，沉降最大值位置位于開挖隧道中心線正上方的隧道暗埋段側墻位置。隨著盾構隧道的掘進，沉降位移逐漸增大，當開挖小里程段隧道時，沉降位移進一步增大，且增幅明顯，沉降位移最大值增加了約16%，沉降最大值位置轉移到小里程段隧道中心線正上方，在小里程段隧道開挖完成工況，沉降位移達到最大值，結構最終沉降最大值為1.23 mm。在施工過程中，應加強對既有隧道的位移監測，確保地鐵盾構施工過程中既有隧道的正常使用。

3.2 施工過程隧道敞開段沉降分析

盾構隧道下穿綠博園隧道暗埋段和敞開段交接位置后，側穿綠博園隧道敞開段。敞開段變形最大工況沉降分布云圖如圖8 所示。

圖8 既有隧道敞開段沉降位移云圖

根據敞開段沉降分布云圖，最大沉降點位于距離盾構隧道較近的與暗埋段交接位置，最大沉降為-0.64mm，距離盾構隧道較遠的敞開段結構沉降較小。表明盾構隧道側穿影響遠小于直接下穿。

4 結論與建議

1）盾構隧道近接下穿隧道施工時，盾構機附近的既有隧道在縱向上產生不均勻沉降變形，沉降最大值位置位于開挖隧道中心線正上方，隨著盾構機掘進，既有隧道沉降值逐漸增大，在隧道開挖后行線通過隧道暗埋段時，沉降值達到最大。

2）盾構隧道下穿隧道后，側穿隧道敞開段期間，敞開段最大沉降位于與暗埋段交接位置側墻處，表明盾構側穿影響小于直接下穿。

3）由于隧道設計時采用工程樁和抗拔樁基礎，并在盾構下穿影響范圍內采用三軸攪拌樁地基加固，隧道沉降范圍主要出現在盾構隧道正上方側墻位置，結構底板與基礎整體性有效提高。施工過程中，應加強對隧道側墻的監控量測，及時調整掘進施工參數，保證既有隧道的安全性與穩定性。