盾构隧道正交下穿既有隧道的影响性分析

高 东，汪东林(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

盾构隧道正交下穿既有隧道的影响性分析

高 东，汪东林
(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

基于某地铁开挖区间隧道盾构正交下穿既有隧道工程，用有限元软件MIDAS GTS/NX对隧道盾构过程进行仿真模拟，分析了新隧道盾构下穿施工对地表和既有隧道的影响。结果表明：新盾构隧道下穿既有隧道时，衬砌的变形主要在竖直方向，对在水平方向的变形影响较小；既有隧道衬砌结构出现不均匀沉降，正交位置附近沉降值最大，隧道变形在安全的限度范围内。

隧道盾构；仿真模拟；正交下穿；地表沉降

随着城市的快速发展，越来越多的城市开始兴建轨道交通，给人们带来方便的同时，也产生了较多的安全问题。隧道开挖造成地层损失，对土体的应力应变产生影响，导致应力重分布、应力集中等问题。开挖卸荷会引起地表沉降、建筑物开裂、管道破损、桩基失稳等一系列问题[1]。在城市地铁网络建设中不可避免会出现隧道下穿既有隧道的情况，新开挖盾构隧道会造成既有隧道产生附加应力，同时也会对地表产生一定的影响，施工不当会造成既有隧道稳定性的破坏，影响其正常使用[2]。在以前的研究中，汪洋等[3]结合广州地铁隧道开挖分析了盾构隧道正交下穿施工对既有隧道的影响，康佐[4]等以西安地铁某盾构区间隧道为背景，研究了盾构隧道正交施工对既有隧道衬砌结构沉降的影响。本文通过对合肥某地铁盾构隧道开挖过程的三维模拟，显示开挖过程对已建隧道变形和地层沉降的影响，确保隧道开挖对已建隧道的影响在安全限度范围内。

1 工程概况

本工程为合肥某地铁开挖区间段盾构隧道，区间内存在盾构隧道下穿已建隧道的情况。隧道为单洞单线圆形隧道,直径为6 m,新开挖隧道的覆土厚度为25 m，已建隧道的覆土厚度为12 m，正交下穿隧道最小距离为6 m,隧道衬砌管片环由C50 钢筋混凝土制成，管片环外径为6 m，内径为 5.4 m，管片厚度 0.3 m，幅宽 1.5 m，注浆层由C30混凝土浇筑。土体从上到下分别为杂填土、黏土、粉质黏土、粉细砂、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。既有隧道穿越土层主要为粉质黏土层,新开挖隧道主要穿越强风化泥质砂层。

工程地质情况如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

2 建模

2.1 模型概况

本文用有限元软件MIDAS GTS/NX进行仿真模拟。模型尺寸为45 m×45 m×45 m,符合盾构区临近3～5倍隧道开挖直径，达到消除边界效应影响的目的[5-6]。土体本构模型采用摩尔-库伦模型[7]，管片采用弹性模型[8]，衬砌厚30 cm,宽1.5 m，管片与围岩间存在注浆层，厚度取15 cm，盾构机的顶推力为300 kN/m2，管片的千斤顶力为120 kN/m2，注浆压力为200 kN/m2。土层的具体参数见表1，有限元模型如图1所示。

图1 三维有限元模型图

2.2 分析工况

对于盾构施工过程的动态模拟，可以采用单元“激活”和“钝化”的方式进行，在掘削面施加掘进压力(0.3 MPa)，在管片法向施加注浆压力(0.2 MPa)，在盾壳后方管片上施加顶进反力(0.15 MPa)。先对既有隧道进行仿真开挖，第一步：钝化第一个盾构单元，添加掘进压力；第二步:钝化第二个盾构单元，激活第一个管片和衬砌，并施加掘进压力、注浆压力和顶管推力；第三部:钝化第三个盾构单元，激活第二个管片和衬砌，并施加掘进压力、注浆压力和顶管推力。按此步骤直到上部隧道开挖结束，然后对新建隧道进行仿真开挖，步骤和既有隧道开挖过程相同。

3 结果分析

通过三维有限元软件的模拟，能够得到新开挖盾构隧道对既有隧道产生的影响和对地层沉降的影响。

3.1 既有盾构隧道对管片变形和地层沉降的影响

图2～图5为既有盾构隧道对地层沉降和管片变形的影响。

图2 既有盾构隧道对地表沉降的影响图 图3 既有隧道管片X轴方向位移图

图4 既有隧道管片Y轴方向位移图 图5 既有隧道管片Z轴方向位移图

由图2可知，地层沉降最大值出现在盾构区的上方，最大沉降值为3.8 mm。由图3～图5可知，管片在X轴方向的最大位移值为13.3 mm,在Y轴方向的最大位移值为5.21 mm,在Z轴方向管片存在沉降和隆起两种情况，沉降最大值为7.4 mm,隆起最大值为9.7 mm,隧道开挖的沉降变形预警值是20 mm[9],既有隧道盾构造成的变形均在安全限度范围内，但在X轴方向的变形值相对较大，因此，在管片拼装时要重视管片间的衔接，防止管片出现开缝，导致隧道渗漏。

3.2 新盾构隧道对既有隧道总变形和地层总沉降的影响

图6～图9为新盾构隧道对既有隧道管片和地层的影响云图。由图6可知，地层沉降的最大值为4.3 mm，新隧道盾构对地层沉降值影响较小，仅增加0.5 mm。由图7～图9可知，管片在X轴方向的最大位移值为13.4 mm,在Y轴方向的最大位移值为5.23 mm,在Z轴方向管片的最大沉降值为7.8 mm，最大值隆起值为9.3 mm，都小于隧道变形预警值，对隧道安全性没有影响。新盾构隧道对既有隧道管片衬砌在X轴方向的位移影响仅0.1 mm，Y轴方向的影响为0.02 mm，Z轴方向的影响为0.4 mm。因此，新开挖隧道对既有隧道管片在X和Y轴方向的影响较小，主要是对Z轴方向的影响。

图6 新盾构隧道对地表沉降的影响图 图7 新盾构隧道管片X轴方向位移图

图8 新盾构隧道管片Y轴方向位移图 图9 新盾构隧道管片Z轴方向位移图

3.3 新盾构隧道管片的变形情况

图10～图12为新开挖隧道管片的变形情况，管片在X轴方向的最大位移值为1.2 mm,在Y轴方向的最大位移值为3.4 mm,在Z轴方向的最大沉降值为6.9 mm,最大隆起值为2.9 mm，都在变形的安全限度范围内。较上部既有隧道开挖对管片变形影响较小，因为新盾构隧道在较坚硬地层，开挖后的地层固结后变形较小，对隧道的影响也较小。

图10 新盾构隧道衬砌X轴方向位移图 图11 新盾构隧道衬砌Y轴方向位移图

图12 新盾构隧道衬砌Z轴方向位移图 图13 既有隧道沉降位移图

3.4 新隧道盾构对既有隧道的影响

图13～图16为新隧道盾构对既有隧道变形的影响。

图14 前掘进过程对既有隧道衬砌变形影响曲线 图15 后掘进过程对既有隧道衬砌变形影响曲线

由图13可知，管片的最大变形出现在新盾构隧道的正上方，最大沉降值为1.1 mm。在图14～图15中，s1～s16为新隧道掘进步数，s1～s8是新隧道从开始开挖到既有隧道中轴线时每个掘进步数对应的既有隧道管片的变形曲线。s9～s16是新隧道从既有隧道中轴线开挖到结束时每个掘进步数对应的既有隧道管片的变形曲线，从曲线的疏密程度可以看出：离既有隧道中轴线越近，管片的沉降速度越快，越过既有隧道中轴线后，管片的沉降速度变慢，但沉降值还在增加。图16为新盾构隧道对既有隧道的最终变形影响，变形曲线符合正态分布，新开挖隧道对既有隧道的影响较小。

图16 既有隧道衬砌沉降曲线

4 结论

通过有限元分析软件MIDAS GTS/NX对新盾构隧道正交下穿既有隧道的过程进行仿真模拟，对模拟得出的数据进行对比分析，得到如下结论:

(1)既有隧道的开挖对地表和管片的影响都在安全限度范围内，在隧道轴向的变形相对较大，所以在管片拼装时要注意管片间的衔接，防止隧道出现渗漏。

(2)新盾构隧道对地表的沉降影响较小，仅造成0.5 mm的地层沉降，对既有隧道水平方向的影响较小，主要是竖直方向的影响。新盾构隧道的管片变形也较小，都在安全限度范围内。

(3)新盾构隧道正交下穿施工对既有隧道的影响符合正态分布，对既有隧道的变形影响较小，变形值仅1.1 mm。

[1] 何川,封坤,方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报,2015,50(1):97-109.

[2] 夏元友,张亮亮,王克金.地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值分析[J].岩石力学,2008,29(5):1411-1418.

[3] 汪洋,何川,曾东洋,等.盾构隧道正交下穿施工对既有隧道影响的模型试验与数值模拟[J].铁道学报, 2010,32(2):79-85.[4] 康佐,代光辉.地铁盾构法隧道正交下穿施工对既有隧道影响分析[J].隧道建设,2014,34(10):931-936.

[5] YooCS.Finite-element analysis of tunnel face reinforced by longitudinal pipes[J].Computers and Geotechnics, 2002, 29(5):73-94.[6] Cai M, Kaiser PK. Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics model[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2005, 20(40):301-310.

[7] 房明,刘镇. 新建隧道盾构下穿施工对既有隧道影响的三维数值模拟[J].铁道科学与工程学报, 2011, 8(1)：67-72.

[8] 李守巨,李浩. 地应力释放率对盾构隧道管片内力影响的模拟分析[J].工程建设, 2015,47(5):1-5.

[9] 张海波,殷宗泽，朱俊高. 地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩土力学与工程学报, 2005, 24(5):755-760.

Analysis on influence of orthogonal tunneling on shield tunnel

GAO Dong，WANG Dong-lin
(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Based on the tunneling process of the subway excavation tunnel, the shield tunneling process is simulated by the finite element software MIDAS GTS/NX, and the influence of shield tunneling on the surface and existing tunnels was analyzed. The results show that the deformation of the lining is mainly in the Z-axis direction, which has little effect on the deformation in the X-axis and Y-axis directions when the new tunnel is tunneled through the existing tunnel. The existing tunnel lining structure appears uneven settlement, the maximum value appears near the orthogonal position, and the tunnel deformation is within the limits of safety.

tunnel shield; analogue simulation; perpendicular undercrossing; ground surface settlement

2017-02-23

安徽省教育厅教学研究重点项目(2015jyxm252)；安徽省高校优秀中青年骨干人才国外访学研修重点项目(gxfxZD2016128)

高 东(1992—)，男，山东临沂人，硕士研究生。

1674-7046(2017)02-0028-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.006

U25

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