不同交角叠交隧道盾构施工地层变形规律研究

周建军，杨振兴，郭 璐

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

不同交角叠交隧道盾构施工地层变形规律研究

周建军1,2，杨振兴1,2，郭 璐1,2

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为了研究交叠隧道不同交角下后建隧道盾构施工对地表及既有隧道围岩的影响，建立三维弹塑性有限元模型进行非线性静力应力应变分析。结果表明：地表沉降等值线形状与叠交隧道平面投影类似；随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶(仰拱)沉降逐渐变小，但变化量不大；交角为15°～45°时，既有隧道围岩变形沿轴线的变化率增大。研究成果可为今后交叠隧道线路规划和设计的优化提供参考，同时为优化盾构施工参数，有效进行施工过程控制，保证科学合理、安全优质地完成隧道施工提供借鉴。

地铁；交叠隧道；隧道交角；盾构法；地层变形

0 引言

伴随着城市地铁的广泛应用，城市轨道交通网趋于完善，地铁隧道之间的距离越来越小，后建隧道经常会以不同的角度下穿既有隧道。大量的研究计算表明，无论采用何种方法开挖下部后建隧道，后建隧道的埋深设计、与已建隧道的设计夹角都会对既有隧道及围岩产生不同影响[1-3]。

水平平行及垂直交叠隧道是地铁建设中经常遇到的设计形式，关于隧道围岩变形、应力-应变发展规律等方面的研究成果较多，其施工工艺及处治措施已比较成熟。Liman E S等[4]通过二维和三维数值模拟，对近距离平行隧道施工期间的相互影响进行了研究；王国波等[5]以武汉轨道交通2号线与4号线在洪—中区间4孔紧邻交叠隧道为研究对象，将交叠隧道简化为平行重叠和垂直交叉隧道，分析了紧邻多孔交叠隧道的三维地震响应。

由于地质条件的限制及地下空间的综合开发利用，在城市交通规划中不可避免地会产生近距离斜交隧道。对于这种型式的隧道，后建隧道是在既有隧道完成之后修建的，后建隧道的施工必然会影响既有隧道结构的受力状态，引起既有隧道变形及地层变形。由于目前工程经验较少，斜交隧道中后建隧道对既有隧道及围岩的影响规律还未明确，准确预测后建隧道施工引起的地层变形规律、影响范围以及对既有隧道的影响规律等，对设计和施工安全十分重要。孙钧等[6]研究了上海市明珠线二期工程上、下行线近距离交叠区间隧道盾构施工过程对地面及围岩的位移影响，并提出地层加固措施；包德勇[7]对平面交角为54°的交叠隧道进行了有限元分析，揭示了既有隧道结构受力及位移随后建隧道施工推进的变化规律；勒晓光等[8]对重庆市渝中区朝天门大型互通式地下立交的平交(15°)和上下正交进行了动态施工力学研究。综合国内外对于平面斜交隧道的研究，大部分都是针对某一特定工程，按照施工过程考虑后建隧道对既有隧道和地层的变形影响。

本文以某市地铁上、下行线近距离交叠区间隧道盾构施工地质条件、隧道设计、施工参数为依据，按照“先上后下”的盾构推进过程，采用三维弹塑性有限元法Midas GTS程序软件，对不同交角后建隧道引起的地层位移变化及既有隧道位移变化进行研究，得出一些有益的结论，以期为今后类似工程设计提供参考。

1 分析模型建立

1.1 计算模型及边界条件

为了研究施工过程中的空间效应，计算中采用三维有限元模型，分析采用Midas GTS有限元程序。根据隧道设计尺寸，盾构开挖直径为6 m，衬砌管片厚0.3 m、宽1.5 m，盾构每掘进1.5 m拼装一环管片，掘进面距离拼装管片6 m。围岩采用4节点三维实体单元模拟，管片采用二维板单元模拟，不考虑管片环间接头和纵向接头的相对位移。

为了减少边界效应的影响，模型沿既有隧道纵向取75 m，横向取66 m，既有隧道埋深为12 m，后建隧道下方取24 m计算范围，既有隧道中心轴线与后建隧道中心轴线的垂直距离为11 m。既有隧道轴向平行于Y方向，后建隧道与既有隧道平面交角分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°。当平面交角为30°时，隧道计算模型如图1所示。

模型上边界取为自由边界，下边界约束Z方向的位移，左右边界约束X方向的位移，前后边界约束Y方向边界。

1.2 材料物理力学参数选取

根据隧道沿线的地质勘察报告，研究范围内的隧道以土和软岩为主，将隧道沿线各地层概化为3层(素填土、粉质黏土和软岩)，厚度分别为3，6，41 m，既有隧道及后建隧道下穿软岩地层。

(a)

(b)

隧道结构采用预制装配式钢筋混凝土单层内衬，错缝拼装，管片混凝土强度等级为C30，螺栓强度等级为4.6级。各层材料及管片物理力学参数如表1所示。

表1 材料及支护物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters

1.3 计算荷载及施工过程

计算荷载主要考虑地层的自重应力场和混凝土衬砌的重力。对未扰动地层进行应力初始化，位移清零。既有隧道和后建隧道均以每步1.5 m的速度掘进及管片支护，管片距离掘进面6 m。为避免边界扰动，对隧道端面进行分步应力释放，荷载释放率分别为30%，20%，20%，20%和10%。

1.4 屈服准则及变形模式

土体和岩体均采用摩尔-库仑破坏准则，如图2所示。破坏包络线函数定义为：

式中：Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)；c为黏聚力；φ为内摩擦角；σt为材料的抗拉强度。

图2 摩尔-库仑破坏准则

2 计算结果分析

2.1 既有隧道开挖

既有隧道(上隧道)开挖过程中，拱顶发生沉降最大，最大竖向位移为-2.30 mm，隧道正上方地表沉降-0.80 mm；隧道底上扬，上扬位移2.44 mm；隧道两帮水平相对收敛位移为2.60 mm。既有隧道开挖至43.5 m时，围岩竖向位移量如图3所示。

2.2 地表沉降规律

既有隧道开挖导致地表沿隧道轴线方向发生沉降，最大沉降-0.80 mm，垂直于轴线的平面内，地表沉降呈漏斗状。

图3 既有隧道开挖围岩竖向位移Fig.3 Vertical displacement of existing tunnel induced by excavation

与既有隧道呈一定交角的后建隧道开挖过程中，地表继续产生沉降位移。隧道夹角不同，后建隧道导致的地表沉降走向也不同。当隧道交角为30°，60°和90°时，隧道开挖支护完毕后地表沉降位移如图4所示。地表最大沉降位移为-1.76 mm，发生在2条隧道相交的正上方地表，为既有隧道开挖导致地表沉降的2.20倍。因此，交叠隧道对地表的影响远大于单隧道对地表沉降影响之和，随着隧道夹角变化，地表最大沉降量变化不大。

比较隧道交角为30°，60°和90°，后建隧道开挖使得地表沉降槽方向轴发生一定角度的偏移。随着隧道交角的变大，地表相同沉降值围成的面积逐渐变小，形状与交叠隧道平面投影类似；当隧道交角为90°时，地表沉降等值线呈椭圆状，沉降槽主轴仍沿既有隧道轴向方向。由此可见，隧道埋深越大，对地表的沉降影响越小。

图4不同交角隧道开挖导致地表沉降分布云图

Fig.4 Contour of ground surface settlement caused by excavation of overlapping tunnels with different intersection angles

提取隧道不同交角下，既有隧道开挖支护及后建隧道开挖支护导致的地表中心点沉降位移，如图5所示。可以看出：隧道交角从0°变化到90°，地表中心点沉降位移变化不大；当交角为45°时，地表中心点沉降位移最大，为-1.8 mm。

2.3 既有隧道围岩变形规律

后建隧道开挖支护必定会对既有隧道拱顶、仰拱的竖向位移及两帮的水平位移产生影响。

交叠隧道交角为60°时，隧道开挖支护完毕后围岩竖向位移分布如图6所示。从图6中可以看出：既有隧道拱顶最大沉降为-3.30 mm，沿轴线方向沉降逐渐减小；仰拱最小上扬位移为0.5 mm，沿轴线方向上扬逐渐变大。

图5 地表中心点竖向位移随交角变化规律Fig.5 Vertical displacement of center point of ground surface Vs intersection angle

图6 交角为60°时隧道开挖围岩竖向位移Fig.6 Vertical displacement of surrounding rock under 60° intersection angle

不同隧道交角下，后建隧道开挖支护导致既有隧道拱顶沉降沿隧道轴向方向的变化拟合曲线如图7所示。从图7中可以看出：既有隧道拱顶沉降沿隧道轴向呈漏斗状分布，距离隧道交叠处越小，拱顶沉降越大，即后建隧道对既有隧道的影响越大。比较隧道不同交角下既有隧道的拱顶沉降，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶沉降逐渐变小，但变化量不大，最大为-1.02 mm，最小为-0.92 mm；随着交角变大，既有隧道拱顶沉降沿轴线的变化率越大，交角为15°～60°时，变化率改变量最大。

图7 既有隧道拱顶位移变化曲线

不同隧道交角下，后建隧道开挖支护导致既有隧道仰拱沉降沿隧道轴向方向的变化拟合曲线如图8所示。从图8中可以看出，既有隧道仰拱沉降呈漏斗状分布，距离隧道交叠处越小，仰拱沉降越大。比较隧道不同交角下既有隧道拱顶沉降，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶沉降逐渐变小，其变化量比对拱顶的影响变化量稍大，最大变化量为-1.42 mm，最小变化量为-0.98 mm。随着交角变大，既有隧道拱顶沉降沿轴线的变化率越大，交角为45°～90°时，变化率改变量最大。

图8 既有隧道仰拱位移变化曲线

因此，在隧道线路规划设计与施工中，应特别注意隧道交角为15°～45°的区间。

2.4 后建隧道围岩变形规律

交叠隧道交角为60°时，隧道开挖支护完毕后围岩竖向位移分布云图如图9所示。后建隧道拱顶最小沉降-2.75 mm，沿轴线方向沉降逐渐增大，最大沉降-3.5 mm；仰拱最小上扬位移3.7 mm，沿轴线方向随着离隧道间的交叠点距离变大，上扬逐渐减小。

图9 交角为60°时隧道开挖围岩竖向位移Fig.9 Vertical displacement of surrounding rock of new tunnel with 60° intersection angle

后建隧道开挖支护后拱顶沉降位移如图10所示。从图10中可以看出：后建隧道拱顶沉降受既有隧道影响明显，交叠处拱顶沉降明显小于沿轴线两侧拱顶沉降，拱顶最小沉降为-2.50 mm，最大沉降为-3.90 mm；隧道交角为15°～60°时，距离交叠处相同的后建隧道拱顶某点沉降量变化明显。

图10 后建隧道拱顶位移变化曲线

后建隧道开挖支护后仰拱上扬位移如图11所示。从图11中可以看出，后建隧道拱顶沉降受既有隧道影响不明显，仰拱上扬位移差为0.18 mm。

图11 后建隧道仰拱位移变化曲线

比较后建隧道拱顶和仰拱的位移变化量，距离交叠处越远，既有隧道和交角对后建交叠处影响越小，而且对拱顶的影响比仰拱的大。

综合上述分析可知，后建隧道开挖支护对交叠围岩竖向位移变化较大，距离交叠处越远，围岩位移影响越小。

3 结论与讨论

通过对后建隧道以不同交角下穿既有隧道的有限元计算，分析了后建隧道对地表沉降及既有隧道围岩位移的影响，以及隧道交角变化对隧道围岩的位移影响规律。主要结论如下：

1)交叠隧道开挖对地表的沉降位移影响远大于单隧道对其影响之和，不同交角隧道地表最大沉降点为交叠处正上方。

2)随着隧道交角的变大，地表相同沉降值围成的面积逐渐变小，形状与交叠隧道平面投影类似。

3)同一隧道交角下，既有隧道拱顶(仰拱)沉降呈漏斗状分布。不同隧道交角下，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶(仰拱)沉降逐渐变小，但变化量不大；交角为15°～45°时，既有隧道围岩变形沿轴线的变化率增大。因此，在工程线路规划中，应特别注意交角为15°～45°时隧道的设计与施工。

4)既有隧道的存在对后建隧道拱顶位移影响明显，交叠处拱顶沉降明显小于沿轴线两侧拱顶沉降，但对仰拱变形影响不大。

浅埋交叠隧道施工是目前隧道施工的重难点问题之一，合理的隧道线路规划和埋深设计对隧道安全施工至关重要。本文以某地铁隧道为研究对象，其研究数据具有局限性，但结论具有普遍规律性，可为今后交叠隧道线路规划和设计的优化提供参考。

针对浅埋交叠隧道施工研究课题，以本文作为研究基础，需要考虑更多的影响因素，从而进一步探讨隧道之间的影响规律。同时，根据各隧道工程的异同，在普遍规律的基础上，有必要进行针对性研究，以提高工程施工的安全性。

[1]王清标，蒋金泉，路林海，等.不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(10)：138-146.(WANG Qingbiao，JIANG Jinquan，LU Linhai,et al.Numerical simulation for influence law of different excavation methods on adjacent overlapping tunnels[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013，32(10): 138-146.(in Chinese))

[2]吴克新.青岛地铁交叠隧道施工力学响应与地面建筑变形控制研究[D].泰安：山东科技大学土木建筑学院，2010：42-59.(WU Kexin.Research on the mechanical response of overlapped tunnels and the deformation control of building in Qingdao Metro construction[D].Taian: School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology,2010: 42-59.(in Chinese))

[3]张海波，殷宗泽，朱骏高.近距离叠交隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟[J]，岩土力学，2005，26(2)：116-120.(ZHANG Haibo，YIN Zongze，ZHU Jungao.Numerical simulation of influence of new tunnel on short distance overlapped old tunnel during shield tunneling[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(2): 116-120.(in Chinese))

[4]Liman E S,Duddeck H，Ahrens H.Two-dimensional and three-dimensional analysis of close spaced double-tube tunnels [J].Tunnelling and Underground Space Technology,1993,8(1): 13-18.

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StudyonStrataDeformationCharacteristicsofDynamicConstructionofOverlappingShieldTunnelswithDifferentIntersectionAngles

ZHOU Jianjun1,2,YANG Zhenxing1,2,GUO Lu1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

A 3D elastic-plastic finite element model is established and nonlinear static stress and strain analysis is made so as to analyze the influence of the construction of the overlapping tunnel on the ground surface and surrounding rocks of the existing tunnel under different intersection angles.Conclusions drawn are as follows: The shape of the contour of the ground surface settlement is similar to the projection of the overlapping tunnel; As the intersection angle increases,the crown (invert)settlement of the existing tunnel at the overlapping point reduces gradually,however the change value is small; When the intersection angle ranges from 15° to 45°,the change rate of the deformation of the surrounding rock of the existing tunnel along the tunnel axis increases.The research results not only can provide reference for the plan and design of similar overlapping tunnels in the future,but also can provide reference for the optimizing of the shield boring parameters so as to achieve scientific,rational,safe and high-quality tunneling.

Metro; overlapping tunnel; intersection angle; shield method; strata deformation

2014-07-10;

2014-09-16

863计划课题(2012AA041802，2012AA041803)；国家国际科技合作专项(2011DFB71550)；洛阳市应用技术研究与开发资金项目(1301065A)；隧研合2013-10

周建军(1969—)，男，湖南株洲人，2006年毕业于法国里尔科技大学，土木工程专业，博士，教授，主要从事岩石力学地下工程技术方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.003

U 455

A

1672-741X(2014)11-1031-05