地铁盾构法隧道正交下穿施工对既有隧道影响分析

康 佐，代光辉

（1.西安市地下铁道有限责任公司，陕西 西安 710018；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

随着我国城市地铁的广泛修建，新建隧道近距离穿越既有线路的情况大量出现，其中主要包括正交与斜交2种形式，同时又分为新建隧道上穿与下穿既有隧道2种情况。盾构施工近距离穿越既有隧道时不可避免地引起既有结构的附加内力与位移，同时也会对地表产生一定的影响，施工不当往往会对既有隧道造成较大破坏，影响其正常使用，新建隧道对既有隧道的影响不容忽视，对其进行深入研究具有重要的工程实践意义。

国内一些学者对此展开了一系列研究，方勇等［1-2］运用三维有限元方法对平行隧道和正交下穿隧道的施工进行了模拟，模型中考虑了盾构与管片衬砌的相互作用，以及管片衬砌结构的横观各向同性性质，分析了既有隧道位移、变形和内力的变化规律；姚捷等［3］在刚度迁移原理的基础上，提出了求解各施工步影响的沉降差值法，由单步增量求得相邻线路盾构施工对既有隧道影响的全量，并对此进行了仿真计算；汪洋等［4］采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段，引入了横向与纵向等效刚度折减系数，对既有隧道附加弯矩、轴力等进行了研究；文献［5-7］通过三维数值模拟分析，对基坑施工全过程进行了动态模拟，分析了基坑开挖对既有隧道的变形及内力的影响；文献［8-10］分别使用有限元数值方法模拟了盾构隧道施工对既有近距离运营隧道的影响。文献［11-12］使用现场实测数据分析了近距离隧道施工对既有平行隧道的影响特征。

综上所述，虽然很多学者针对新建隧道近距离穿越既有隧道中的一些问题进行了分析研究，但是从地层位移、既有隧道位移及管片衬砌的受力变形特征多方面综合分析的却相对较少。本文以西安地铁某区间盾构隧道为研究背景，运用三维有限元数值分析方法，对新建盾构隧道正交下穿施工所引起的上部地层位移、既有隧道位移及管片衬砌的受力变形特征进行了深入分析，以期对类似工程的设计和施工起到一定的借鉴和指导作用。

1 地层条件

西安地铁区间隧道场地土层主要有人工填土、老黄土、饱和软黄土、古土壤、粉质黏土及砂夹层等，总体特征为土类多，空间分布变化大，土体的均一性较差，且大多数土体分布在地下水位以下，受地下水的影响较大。各土层多为可塑状态，局部为软塑状态，饱和软黄土为软塑-流塑状态，易坍塌下陷及变形。由地表向下，填土性质较差，新黄土及在水位附近的饱和软黄土土质相对较软，向下各层土的性质随深度的增加相对渐好，古土壤中裂隙发育。根据现场地质勘探报告，选择如表1所示的地层参数进行模拟。

表1 模型中的材料参数Table 1 Material parameters

2 数值模型

2.1 模型的建立

采用ANSYS有限元软件对盾构掘进过程进行模拟，根据盾构隧道与既有隧道的相对位置关系建立三维模型，模型尺寸：L×W×H=60 m×60 m×47 m，如图1所示。既有隧道埋深6 m，新建隧道埋深18 m，新建隧道正交下穿既有隧道，二者相距6 m，如图2所示。管片衬砌外径为6 m，内径为5.4 m，管片厚30 cm，管片幅宽为1.5 m，模型中沿盾构推进方向每3 m（两环管片）划分一个单元，模型共12 960个实体单元，14 415个节点。隧道管片和地层均采用Solid 45单元，土体的本构模型采用摩尔库仑弹塑性模型，模型前后左右为水平约束，下部为竖直约束，地表为自由边界。

图1 整体计算模型Fig.1 Calculationmodel

图2 模型正视图Fig.2 Front view ofmodel

2.2 盾构掘进模拟

对于盾构施工过程的动态模拟，可以采用单元“生”、“死”和改变材料属性的方法来完成，其中盾构单元、衬砌单元和扰动层单元都是预设单元。当盾构推进时，将前方的土体设为盾构的参数，并杀死盾尾空隙处单元，同时沿径向施加注浆压力（取0.3 MPa）。为了综合考虑土舱压力、刀盘面板作用力等因素对掘削面的作用，在掘削面施加顶进压力（取0.311 MPa，对应的顶进力为10 000 kN），同时在盾构后方管片上施加顶进反力。盾尾脱出一段距离后，激活管片衬砌单元和扰动层单元。

2.3 工况约定

为了观测地表沉降的动态变化，在地表设置了2个观测断面，分别为断面1与断面2，如图3所示。选取4个位于不同位置的盾构开挖面来研究地表及既有隧道结构的动态变化过程，其中位置4为盾构掘通，如图4所示。

图3 地表监测位置Fig.3 Monitoring points on ground surface

图4 选取的分析位置Fig.4 Analysis positions selected

3 计算结果分析

3.1 地表沉降分析

新建隧道开挖引起的地表沉降值如图5所示，地表沉降曲线类似Peck曲线。由图5可知，盾构掘进至位置1时，断面1的地表沉降量要大于断面2，断面1的最大地表沉降量达到了24 mm，断面2的最大地表沉降量为6 mm；盾构掘进至位置2时，随着盾构的不断推进，地层损失不断增大，地表沉降也在不断增加，其中，断面1的最大沉降量达到了27 mm，断面2的最大沉降量达到了14 mm，断面2的增幅要大于断面1；当开挖面到达位置3时，断面1的沉降量逐渐趋于稳定，断面2的沉降量持续增加，断面1与断面2的最大地表沉降量分别为30 mm和24 mm；新建隧道贯通后，断面1与断面2的沉降曲线趋于重合，其中断面1的最大地表沉降量为29 mm，断面2的最大地表沉降量为27 mm。

3.2 管片位移分析

选取既有隧道与新建隧道交界处管片上、下、左、右4个位置进行观测（如图6所示），并分析新建隧道在掘进过程中管片上4个位置的位移变化情况。

由图7可看出，随着盾构的推进，既有隧道沉降量不断增加，最大沉降量达到了32mm。根据《城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范》，要求对既有隧道沉降量的控制要小于20 mm，可看出新建隧道的施工已经对既有隧道的结构安全造成了较大影响。同时，管片衬砌结构各结点的沉降量之间存在差异，它们之间产生了相对沉降。左、右结点的相对沉降说明管片环发生了扭转，上、下结点的相对沉降说明管片环发生了变形。左、右结点的相对沉降先随盾构的掘进而逐渐增大，当掘进到既有隧道正下方时，相对沉降值达到最大值8.15 mm。此后，左、右结点的相对沉降逐渐减小，最后趋于稳定值1.43 mm。在盾构推进过程中，先是上结点比下结点沉降的多，说明上、下结点在向内变形，根据圆形衬砌的受力和变形特点可知，既有隧道受到“加载”作用，向内变形在掘削面距既有隧道1.5D（D为隧道外径）处达到最大值0.46mm。盾构通过既有隧道后，下结点比上结点沉降的多，说明上、下结点在向外变形，既有隧道受到“卸载”作用，向外变形达到最大值2.42 mm，此后卸载作用减弱，向外变形逐渐减小，最后稳定在1.94 mm。

图5 不同工况下的地表沉降Fig.5 Ground surface settlement in different cases

图6 既有隧道观测位置Fig.6 Observation positions of existing tunnel

图7 既有隧道沉降随盾构掘进变化Fig.7 Settlement of existing tunnel Vs shield boring

由图8可看出，各结点的侧移量（Z方向位移）是不同的，各结点之间产生了相对侧移。其中，上、下结点的相对侧移说明管片环发生了扭转，左、右结点的相对侧移说明管片环发生了变形，上、下结点的相对侧移先随盾构的掘进而逐渐增大，当掘进到既有隧道正下方时，相对侧移值达到最大值7.00 mm。此后上、下结点的相对侧移逐渐减小，最后趋于稳定值1.96 mm。

图8 既有隧道侧向位移随盾构掘进变化Fig.8 Lateral displacement of existing tunnel Vs shield boring

在盾构推进过程中，先是右结点比左结点侧移的多，说明左、右结点在向内变形；然后出现左结点比右结点侧移的多，说明左、右结点在向外变形。根据圆形衬砌的受力和变形特点可知，既有隧道受到加载作用，向外变形在削掘面距既有隧道0.5D时达到最大值0.36 mm。随着掘进的继续，右结点比左结点侧移的多，说明左、右结点在向内变形，既有隧道受到卸载作用，向内变形最大值0.27 mm，此后卸载作用减弱，向内变形逐渐减小，最后稳定在1.79 mm左右。

3.3 管片内力分析

由应力云图9—12可以看出（应力受拉为正，受压为负），开挖面到达既有隧道之前由于盾构开挖对土体的卸载作用，使得土体对既有隧道管片的向上支撑作用减小，最大第一主应力出现在管片下部，为4.94 MPa；既有隧道管片结构的最大第三主应力出现在右侧拱腰，为-7.33 MPa；开挖面到达既有隧道正下方时，最大第一主应力与最大第三主应力都有一定程度的减小，分别为4.79 MPa和-7.17 MPa；盾构通过既有隧道后，第一和第三主应力均持续增加，盾构掘通后，管片第一和第三主应力区位置变化不大，既有隧道结构最大第一主应力与最大第三主应力分别为4.9 MPa和-7.33 MPa，满足混凝土抗压强度。

图9 工况1应力云图（单位：Pa）Fig.9 Contour of stress in case 1（Pa）

图10 工况2应力云图（单位：Pa）Fig.10 Contour of stress in case 2（Pa）

图11 工况3应力云图（单位：Pa）Fig.11 Contour of stress in case 3（Pa）

图12 工况4应力云图（单位：Pa）Fig.12 Contour of stress in case 4（Pa）

从既有隧道的主应力随盾构掘进变化图（见图13）可以看出，既有隧道管片第一和第三主应力随新建隧道掘进逐渐加大，但在削掘面到达既有隧道正下方时，由于盾构的顶推作用，管片第一和第三主应力稍有减小；当盾构经过既有隧道后，管片第一和第三主应力继续增大。但总的来说，管片应力变化很小。

图13 主应力随盾构掘进变化Fig.13 Principal stress Vs shield boring

4 结论与建议

1）正交下穿盾构隧道施工时，既有隧道上方的地表最大沉降量小于其他地方的地表最大沉降量。

2）正交下穿盾构隧道施工时，既有隧道发生不均匀沉降，同时沿着盾构推进方向发生不均匀侧移和扭转，沉降、侧移和扭转的最大值发生在新建隧道的正上方。但总的来看，最大沉降和最大侧移发生在盾构通过既有隧道的下方后。

3）正交下穿盾构隧道施工时，既有隧道将产生二次变形。盾构到达既有隧道下方之前，由于顶进力的作用，既有隧道上、下结点将向内变形，左、右结点将向外变形；盾构通过既有隧道下方后，既有隧道上、下结点将向外变形，左、右结点将向内变形。

4）在隧道纵向上，随着盾构的推进，既有隧道下表面拉应力增加，拉应力的增加对既有隧道纵向安全极为不利。

修建的正交下穿隧道对既有隧道的影响较大，为了将该影响控制在允许范围内，建议对新旧隧道重叠区域的地层进行加固，同时严格控制盾构施工过程中顶推力的大小及管片衬砌背后的注浆压力。

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