盾构隧道开挖对邻近隧道的影响分析

丁海滨，骆祎，徐长节，3，杨园野，许洋

(1．华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌江西330013;2．杭州市城东新城建设投资有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州浙江310058)

盾构隧道开挖对邻近隧道的影响分析

丁海滨1，骆祎2，徐长节1，3，杨园野1，许洋1

(1．华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌江西330013;2．杭州市城东新城建设投资有限公司，杭州浙江310021;3．浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州浙江310058)

依托上海复兴东路双线盾构越江隧道第160～230环施工，利用ABAQUS有限元软件建立双线隧道的二维弹塑性有限元模型，分析双线盾构隧道不同间距及不同埋深情况下后建隧道施工对先建隧道衬砌内力和隧道直径变化的影响。结果表明:隧道埋深一定，后建隧道施工对先建隧道衬砌弯矩及直径影响较大，对衬砌轴力的影响较小;随着间距的增大，弯矩增长率、隧道水平向和垂向直径变化率均逐渐减小;水平间距一定，随着隧道埋深的增加，先建隧道靠近后建隧道侧衬砌腰部弯矩、衬砌顶部和底部轴力增长率均有增大的趋势，隧道水平向直径变化率较为平缓，垂向直径变化率呈先增大后减小的趋势。综合考虑隧道衬砌内力、隧道直径变化情况及经济因素，建议隧道间距取隧道洞径的0.7～0.8，隧道埋深取2倍的隧道洞径。

盾构隧道;衬砌内力;隧道间距;埋深;数值模拟

地铁盾构隧道多以双线为主，合理选择隧道间距及埋深，不但可以减小隧道施工过程中的风险，而且可以避免经济上的浪费。目前，后建隧道施工对先建隧道影响的研究主要有理论法［1-2］、试验法［3-4］及数值模拟法［5-11］。1966年Fotieva等［1］采用Laplace变换推导出弹性土体中相邻隧道相互影响时衬砌轴力及剪力理论计算公式。1996年Kim等［3］做的2类模型试验，分别模拟了近间距平行隧道和上下重叠隧道，得出平行隧道与上下重叠隧道的相互影响机理。2004年林志［8］依托上海复兴东路越江隧道工程，采用有限元模拟并与实测数据对比，得出后建隧道对先建隧道的影响规律;王伟等［9］采用Marc软件建模分析了双线隧道开挖的合理间距。魏纲等［10］对双线水平平行盾构隧道施工引起的地面沉降计算公式的适用范围进行了讨论，得出了相对水平距离系数。以往研究都集中于埋深不变，先建隧道开挖对后建隧道的影响。

本文以上海复兴东路双线盾构越江隧道第160～230环施工为背景，利用ABAQUS有限元软件，对不同间距和埋深情况下后建隧道对先建隧道的影响进行研究，并与现场监测值进行比较，验证数值分析的有效性，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

上海复兴东路双线盾构越江隧道第160～230环长105 m。该段隧道埋深16.8m，两隧道净距7.7m，隧道直径11 m。隧道采用盾构法施工，该区段隧道位置示意如图1。

图1 双线隧道位置示意(单位:m)

2 有限元计算与分析

2.1 计算模型及参数

本文利用ABAQUS有限元软件模拟，探究不同间距及不同埋深情况下后挖隧道对先挖隧道的影响，模型尺寸为宽160 m，高80 m(见图2)。土体采用二维实体单元，本构模型为剑桥模型。衬砌采用梁单元模拟，为弹性材料。土体两边约束其水平位移，底边约束水平及竖向位移，土体与衬砌之间采用绑定约束，隧道开挖及衬砌施加的过程利用有限元软件中生死单元实现。土体及衬砌物理力学参数见表1。

图2 有限元模型(单位:m)

表1 土层及衬砌物理力学参数

2.2 模拟过程及工况

模拟计算过程分7步进行:地应力平衡、先建隧道开挖区土体刚度折减为原来的50%、激活先建隧道衬砌单元、移除先建隧道开挖区土体、后建隧道开挖区土体刚度折减为原来的50%、激活后建隧道衬砌单元、移除后建隧道开挖区土体。

为研究后建隧道对先建隧道的影响，本文分2种情况进行讨论:①隧道埋深不变(16.8 m)，分析不同间距情况下后建隧道施工对先建隧道的影响;②隧道间距不变(7.7 m)，分析不同埋深情况下后建隧道施工对先建隧道的影响。

2.3 计算结果与分析

2.3.1 隧道间距的影响

本文分析了11种不同隧道间距(0.2D(D为隧道洞径)，0.3D，0.5D，0.6D，0.7D，0.8D，1.0D，1.2D，1.6D，2.0D，2.4D)条件下后建隧道施工时先建隧道衬砌内力和直径变化情况。隧道观测点布置见图3。

图3 隧道观测点布置

1)衬砌内力

不同间距条件下先建隧道弯矩及弯矩增长率见图4。由图4(a)可知:不同间距条件下后建隧道贯通时，先建隧道衬砌弯矩在靠近后建隧道一侧的腰部(B点)变化较大。由图4(b)可知:在间距为0.2D时，先建隧道衬砌弯矩在B点增长率达到了68%，其他部位弯矩也有所增长，但增长率均＜20%。随着间距的增大弯矩增长率逐渐减小，在间距＞0.7D之后，B点衬砌弯矩增长率＜35%。

图4 不同间距条件下先建隧道弯矩及弯矩增长率

不同间距条件下先建隧道衬砌轴力及轴力增长率见图5。由图5(a)可知，随着隧道间距的增大，先建隧道衬砌的轴力增长量较小。由图5(b)可知:轴力增长最大的位置为隧道衬砌顶部(A点);在间距为0.2D时A点初砌轴力增长率12%，随着间距的增大轴力增长率逐渐减小，在间距＞2.4D之后，后建隧道施工对先建隧道衬砌轴力基本无影响。

2)隧道直径

图6为不同间距条件下先建隧道直径变化率。由图可知，随着隧道间距的增大，隧道水平向及垂向直径变化率均减小。在间距为0.2D时，隧道水平向及垂向直径变化率分别为28.6%和23.1%。在隧道间距＞0.7D之后，隧道衬砌水平向及垂向直径变化率均＜25%。

2.3.2 隧道埋深的影响

1)衬砌内力

为探究隧道间距(7.7 m)一定时，随着埋深的改变，后建隧道施工对先建隧道的影响，本文模拟分析了6种不同埋深(0.9D，1.3D，1.7D，2.0D，2.6D，3.6D)下隧道衬砌内力及直径的变化情况。

不同埋深条件下先建隧道弯矩增长量及弯矩增长率见图7。从图7(a)可以看出，随着埋深的增加，在靠近后建隧道一侧腰部(B点)及150°处弯矩增长较为明显。由图7(b)可知:随着埋深增加B点弯矩增长率增大，其他部位的弯矩也有所增加，但增长率都＜20%，且随埋深增加，增长率有减小的趋势。

不同埋深条件下先建隧道衬砌轴力增长量及轴力增长率见图8。由图可知，随着埋深的增大衬砌顶部(A点)和衬砌底部(C点)轴力增长比较明显，且增长率有增加趋势，而衬砌腰部(B，D点)弯矩增长率则呈现降低的趋势。除此之外，在隧道衬砌30°和150°处轴力变化较为明显，施工过程中应予以足够重视。

2)隧道直径

不同埋深条件下先建隧道直径变化率见图9。由图可知:随着隧道埋深的增加隧道水平向直径变化率比较稳定，约为36%;隧道垂向直径变化率呈现先增大后减小的趋势，在埋深为2.0D左右达到最大值，大约为55%。

图5 不同间距条件下先建隧道衬砌轴力及轴力增长率

图6 不同间距条件下先建隧道直径变化率

图7 不同埋深条件下先建隧道弯矩增长量及弯矩增长率

图8 不同埋深条件下先建隧道衬砌轴力增长量及轴力增长率

图9 不同埋深条件下先建隧道直径变化率

2.3.3 计算结果综合分析

由计算得出的衬砌内力及隧道直径变化情况，综合实际工程中施工安全、经济等因素，建议隧道间距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

3 计算结果与监测结果对比

为验证以上分析的准确性，对后建隧道贯通前后先建隧道的弯矩及轴力进行了监测(315°～45°范围内没有监测)。

先建隧道衬砌弯矩、轴力计算值与实测值对比见图10。由图10(a)可知，后建隧道开挖前、贯通后，除隧道底部(180°方向)先建隧道衬砌弯矩计算曲线与现场监测曲线不同外，其他部位变化规律基本一致，且弯矩计算值与监测值基本吻合。从图10(b)可知，衬砌轴力计算曲线与现场实测曲线变化规律基本一致。

本次数值计算值与实际工程监测值变化规律基本一致。说明通过二维有限元模拟实际工程，对隧道水平间距及埋深变化进行分析，是合理可行的。

图10 先建隧道衬砌弯矩、轴力计算值与实测值对比

4 结论

1)隧道埋深一定，后建隧道施工对先建隧道衬砌弯矩及直径影响较大，对衬砌轴力的影响较小;先建隧道在靠近后建隧道一侧腰部弯矩增长最明显，随着间距的增大，弯矩增长率、隧道水平向和垂向直径变化率均逐渐减小。

2)水平间距一定，随着隧道埋深的增加，先建隧道在靠近后建隧道一侧衬砌腰部弯矩、衬砌顶部及底部轴力增长率均有增大的趋势;隧道水平向直径变化率较为平缓，垂向直径变化率呈先增大后减小的趋势。

3)衬砌弯矩及轴力的现场监测曲线与计算曲线除弯矩在衬砌底部有不同外，其他部位变化规律基本一致。

4)综合考虑隧道衬砌内力、直径变化情况及经济因素，建议隧道间距取0.7D～0.8D，隧道埋深取2.0D。

［1］FOTIEVA N N，SHEININ V I．Distribution of Stresses in the Lining of a Circular Tunnel When Driving a Parallel Tunnel［J］．Soil Mechanics＆Foundation Engineering，1966(3): 417-422．

［2］施有志．双孔平行地铁隧道开挖的复变函数解析解与数值分析［D］．厦门:华侨大学，2013．

［3］KIM S H．Model Testing and Analysis of Interactions Between Tunnels in Clay［D］．UK:University of Oxford，1996．

［4］KIM S H，BURD H J，MILLIGAN G W E．Interaction Between Closely Spaced Tunnels in Clay［J］．Physical Review C，1995，52(1):35-42．

［5］林志．双线盾构隧道施工过程相互影响三维弹塑性固结耦合研究［D］．上海:同济大学，2004．

［6］王伟，夏才初，朱合华，等．双线盾构越江隧道合理间距优化与分析［J］．岩石力学与工程学报，2006，25(1):3311-3316．

［7］魏纲，庞思远．基于有限元模拟的双线平行盾构隧道近距离界定［J］．市政技术，2014，32(1):76-80．

［8］舒小刚．浅埋小净距平行隧道开挖模拟分析［D］．重庆:重庆交通大学，2014．

［9］林志，朱合华，夏才初．双线盾构隧道施工过程相互影响的数值研究［J］．公路隧道，2009，5(1):1-5．

［10］魏纲，庞思远．双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究［J］．岩土力学，2014，35(9):2562-2568．

［11］石坚，丁伟，赵宝．隧道开挖过程的数值模拟与分析［J］．铁道建筑，2010(2):21-24．

Analysis on Influence of Shield Tunnel Driving on Adjacent Tunnels

DING Haibin1，LUO Yi2，XU Changjie1，3，YANG Yuanye1，XU Yang1
(1．Jiangxi Province Key Laboratory of Geotechnical Engineering Infrastructure Security and Control，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China;2．Hangzhou New Metro-East Construction Investment Co．，Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310021，China; 3．Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China)

Based on 160th to 230th double track river-crossing shield tunnel construction of Fuxing east road in Shanghai，a two-dimensional elastic-plastic finite element model of double track tunnel was established by using the finite element software ABAQUS and the influence of the latter double track shield tunnel construction with different spacing and different buried depth on the lining internal force and tunnel diameter change of the existing tunnel was analyzed．T he results show that the latter tunnel construction has a great impact on the bending moment and the diameter of the existing tunnel lining and has little effect on the axial force of the lining when the buried depth of tunnels is constant．T he bending moment growth rate，the change rate of the horizontal direction diameter and the vertical direction diameter gradually decrease as the spacing increasing，the waist bending moment，the lining top and bottom axial forcing growth rates of existing tunnel side lining near the latter tunnel show an increasing trend with a constant horizontal spacing when the tunnel buried depth increases．T he change rate of the tunnel horizontal direction diameter is relatively slow，and the change rate of vertical direction diameter increases first and then decreases．Considering the internal force of tunnel lining，the change of tunnel diameter and economic factors，it is suggested that the tunnel spacing should be seven tenths to eight tenths of the tunnel diameter and the tunnel buried depth should be two times the tunnel diameter．

Shield tunnel;Lining internal force;T unnel spacing;Buried depth;Numerical simulation

U45

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．12

1003-1995(2016)12-0041-05

(责任审编葛全红)

2016-07-10;

2016-10-10

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB057801)

丁海滨(1991—)，男，硕士研究生。