试论新建盾构隧道垂直下穿对既有隧道的影响

吕建林

摘要：本文以某新建盾构隧道模拟垂直下穿城市地铁隧道为例，运用了有限元数值模拟技术来研究盾构隧道的施工环节，并解释了在间隔距离不同的情况下新建盾构隧道垂直下穿是如何对既有地铁隧道造成影响的过程。

关键词：盾构隧道；地表沉降；垂直建造

一、盾构隧道的定义及其内涵

盾构法作为暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，是指盾构机在地下掘进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制钢筋混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

盾构法施工的复杂性非常强，其作业水平直接决定了其对周围环境的影响程度。因而，在准确把握盾构施工的主要因素的前提下进行理论分析，才能使得到的结果更符合实际情况。

二、盾构隧道的优点和缺点

（一）盾构隧道的优点

1、挖掘的速度快，安全性高。

2、建筑隧道全程基本上可以实现自动化作业，降低了工人的劳动强度，减轻了工作压力。

3、不会对交通设施和地下管线造成影响。

4、隧道在河流中建造时不会阻碍航运工作，没有施工噪音，不会受到气候条件影响。

5、使施工过程更加经济化，技术更加先进化。

（二）盾构隧道的缺点

1、每一条隧道都是结合了符合相关条件的信息制造的，因而具有很强的针对性，不能直接用于其他隧道的建设，需要进行改造。机器本身造价昂贵，施工成本高。

2、一旦出现隧道曲率半径过小或隧道顶覆土太浅的情况就无法按照原有的方案施工。

3、在含水量较大的地质条件下施工，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水技术要求较高。

4、在水底施工时，如果出现覆土太浅的情况，容易造成安全隐患。

5、采用全气压法疏干和稳定地层时，因施工条件较差，需要花费较大的成本来进行劳动保护。

三、建筑模型的模拟计算

国际社会对关于建造盾构隧道造成周围地质环境破坏的相关课题的研究已取得了很大发展。近年来，新建盾构隧道下穿既有隧道已经引起了各方关注，并成为对相关项目研究的主要内容。然而目前对该课题的研究主要集中在地面下沉的方面，但是，关于新建隧道下穿既有隧道的研究大多是从位移沉降角度进行分析，缺乏对隧道衬砌内力的探索。为了说明此观点，这里列举了某新建盾构隧道模拟垂直下穿某城市地铁隧道的事例，通过使用有限元数值模拟技术，进一步阐明了新建盾构隧道垂直下穿既有隧道时，对周围土层变化产生影响的规律。

（一）建立几何模型

保证计算结果的准确性离不开模型的模拟计算，其中，几何模型的建立是模拟计算的前提和基础。笔者在研究过程中，结合了土层变化、衬砌性质、盾构机器施工方式等因素，建立了比较符合实际情况的几何模型。

整体模型高100m，长120m.宽90 m，如图所示。越江隧道的轴线沿Y方向，地铁隧道沿X负方向掘进。模型共43920个单位，43484个节点。如下图1所示。

图1 几何模型构建示意图

（二）选择各项单元和参数

在实际作业中，盾构机壳体存在着很大的刚度，盾构壳由于其刚度较大，结合线性弹性本构关系，参考钢结构来决定其弹性模量和泊松比的取值范围。采用盾尾注浆的方法可以使被干扰破坏的土层更加稳固，其材料要大于土的特性值，小于水泥土的特性值。纵向螺栓与横向螺栓将管片接连起来就形成了隧道的衬砌，一般情况下，使用错缝拼装的方式可以实现衬砌的整体性的目的。以上这些情况容易造成混凝土的实际刚度大于衬砌的刚度，使得纵向和横向的刚度不一致。为了避免这些情况的出现，模型的衬砌使用线性弹性本构关系的原理制定。具体参数设定参考下表1：

（三）模拟施工过程

未受到任何干扰破坏的土层具有原始的应力状态；开始最初的挖掘隧道的工程后，土层受到改变，土层的应力就会重新分布，越江隧道开挖后，地层受到扰动，引起土体应力重新分布，土层的应力状态就变为了二次应力状态；而新建隧道的动工又再一次改变了土层，应力状态再次改变。所以，施工过程的模拟需要针对以上几种情况来逐步进行。详情如下图2及图3所示：

图2

图3

（四）研究分析计算结果

新建盾构隧道对既有隧道的影响突出表现在位于盾构隧道正上方的地铁隧道截面，也就是建筑计算模型中新建盾构隧道轴向的对称面。新建盾构隧道对既有隧道的影响程度是由在对称面上产生的内力变化、横向位移、最大沉降所反映出来的。施工所要关注的重点也要包括地铁隧道纵向、横向差异的沉降。因而要结合既有隧道在对称面上的节点和新建盾构隧道在纵向的外边缘点来进行计算结果的分析。

具体方法可研究下图4：

图4 隧道应力与位移随开挖过程的变化曲线

（五）分析影响范围

新建盾构隧道的工程项目对既有隧道的沉降、侧移等方面的影响是必然的。但这些影响并不是广泛的存在于所有地方，由于这项技术本身的特性，在一些部分只存在着极小的影响，也可以通过对技术的改良、操作水平的提升，让这些影响不复存在，实际上，随着建筑工程的不断推进，这些影响也会慢慢消失。

从模拟施工过程的环节可以看出，盾构机在刚开始工作时，几乎不会对既有隧道的侧移、沉降等方面造成影响；在进一步的挖掘后，对既有隧道的侧移、沉降完全没有造成任何影响。这个观察结果更进一步的证实了以上观点。

（六）研究的结论

1、新建盾构隧道对既有隧道造成侧移和沉降的影响都体现在对称面处。通过对计算结果的研究可以得出这样的结论：新建盾构隧道对既有隧道造成的下沉影響较大，侧移影响较小。

2、新建盾构隧道对既有隧道的影响程度是由盾构机施工进度决定的。

3、随着既有隧道所受到的压力和应力不断增加，可能会造成隧道表面的破裂和渗水情况，设计人员和施工人员需要特别关注这个问题。

4、新建盾构隧道垂直下穿对既有隧道的影响不存在普遍性，影响范围是有限的。

结束语

结合以上研究成果来看，尽管新建盾构隧道垂直下穿会对既有隧道和土层造成一定程度的影响，但并不存在于所有环节，其影响只针对部分环节，影响程度也是可以随着技术的不断改良而逐渐降低的，因而总体上并不会阻碍到整个建筑工程的完成。只要各环节的工作人员具备高超的专业水平和职业素养，按照合理的流程作业，同时高度重视前文中提到的一些问题，灵活地处理好各种突发状况，一定可以保障整个工程的顺利进行。随着更多高质量的、先进的隧道工程顺利完工，我国的交通行业一定会更迅速地发展。

参考文献：

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