盾构施工对邻近既有隧道的影响分析

【摘要】随着经济的快速发展，各行各业都在十分快速的发展。随着城市土地资源的紧张，合理的开发城市地下空间，缓解城市土地资源紧张的现状，建设地铁和相关配套设施已成为我国大中城市发展的趋势。在建设地下空间时难免会开挖大量的基坑工程，所以常常会遇到地下工程周边既有地铁隧道等工程问题。由于地铁隧道处在浅土层，对土体的变形和沉降有着十分严格的要求，但基坑工程的施工会使土体卸荷，从而造成土体应力和地下水位的重分布的现象，从而诱发开挖土体附近的隧道结构出现偏移、沉降和变形，最终可能严重影响到地铁的正常使用。

【关键词】基坑施工；盾构隧道；数值模拟；隧道变形

随着各行各业的快速发展，为研究基坑对邻近既有地铁盾构隧道的影响，本文以上海桃浦路-真南路下穿立交B区基坑工程为案例，通过有限元数值模拟，对既有地铁盾构隧道的双基坑工程施工进行仿真分析，得到基坑卸荷对邻近既有地铁隧道结构的变形和稳定性的影响规律，可确保其安全正常运行，可为类似基坑工程设计和施工提供参考。

1、盾构法简述

盾构法是利用盾构机在地下作业的暗挖法的一种施工方式，全程施工属于全自动机械化施工，它的主要工作特点是在土层中缓慢向前推进，一边推进一边将推进后的空间进行结构加固，围绕盾构机的土体则通过盾构机的外壳来支撑防止发生坍塌。盾构机前段通过刀片切割土体，然后通过机内的运输装置将切割的土体进行外送，每推进一段距离，盾构机尾部通过加压装置将预制的管片进行拼装进而形成隧道的一种施工方法。盾构法施工越来越得到人们的关注，盾构法施工有其独特的施工条件、施工优点；盾构法施工主要运用在地下设施埋深较深的地方或者地层松软的含水层。符合以下几点可采用盾构法施工：（1）有相应适合盾构机进出场地的条件，且所开挖的线位上有相应的工作井。（2）埋深较大的土层，上部覆土厚度不小于盾构直径且不小于6m。（3）需要使用盾构开挖的地层与相对均质的地质条件；（4）洞室与建（构）筑物及洞室与洞室之间的间距满足水平间距1m，竖直方向1.5m。（5）考虑经济效益，连续的施工长度不应小于300m。

2、三维数值模型的建立

三维数值模型的建立是在对实际施工概况的基础上，针对具体施工参数设置参数，软件模拟按照严格的施工工序进行，土层划分，土层类别，土层参数。还有一些施工中盾构的先后顺序，盾构注浆等等都要与实际工况相符合。该模型的建立过程主要是通过有限元分析软件MidasGTSNX对合肥地铁5号线下穿1号线左线的工程实例进行模拟竖向空间交叉时，1号线的变形及受力情况以及盾构区间上方地表沉降变化的规律。实际工程工况中上下交叉隧道的距离为3m，现以盾构隧道与既有隧道垂直距离的不同为工况，研究不同距离盾构施工时对既有的1号线的影响分析，然后与实际的盾构隧道引起的变化作对比分析。根据实际的施工地质条件及施工工况，利用有限元分析软件建立数值分析模型，其相应的参数如下：模型大小为110*130*50，上部覆土厚度依次为1.5m、3.5m、28m、7m、10m，1号线隧道顶部距离上部土层厚度为8.8m，5号线拱顶距离1号线拱顶距离为3m，距离上部土层距离为17m，盾构隧道半径为3m，衬砌的厚度为0.3m，距离左右边界的距离约为18m。

3、有限元模型的建立

为验证基坑支护方案的合理性以及基坑施工过程中对轨道交通R11#线的影响，对此进行了大型有限元三维数值模拟。

3.1模型基本假设

该基坑工程分多种支护结构，开挖过程由6个工况组成，其中基坑上穿R11#轨道线，故整个三维计算模型非常复杂。

3.2计算模型

根据现场土层的实景情况对场地进行划分，并建立基坑工程的数值计算模型。模型长宽高分别为300、200、100m，在模型中分别是X、Y、Z坐标轴，共计32564个8节点四面体单元。

3.3材料参数

该模型采用Drucker-Prager模型计算土体材料，随着材料的逐渐屈服，土层的屈服面并未发生明显改变；真正影响其屈服强度的是土体的侧压力。

3.4荷载与边界条件

（1）荷载条件。土体的自重荷载为模型上的荷载条件。重力加速度取9.8m·s-2。（2）边界条件。模型的边界约束条件包括底面约束，侧面四个边界约束以及上表面约束。其中由于基坑顶部为开挖部分，故上表面自由边界；四周为土体围压所以只需限制水平位移；底面则需要同时限制水平和竖向位移。

4、计算结果及分析

4.1基坑的变形分析

基于对基坑安全性与稳定性的考虑，使用ANSYS软件对基坑的变形进行分析。（1）X方向基坑位移。基坑沿X方向的最大位移发生在基坑两侧端部，变形最大值为10.487mm，满足基坑的最大变形要求。（2）Y方向基坑位移。右线基坑最外侧的位移量最大，位移最大值为9.12mm，小于基坑的允许最大变形要求。

4.2支撑结构受力分析

由支撑结构的剪力、轴力、弯矩图可知，A基坑的第四根支撑与B基坑第一根支撑处出现最大剪应力，最大剪应力为0.028MN；A基坑的第二根支撑和B基坑的第三根支撑处出现最大轴应力，最大轴力值为3.21MN；A基坑的第四根支撑和B基坑的第一根支撑出现最大弯矩，最大弯矩值为0.143MN·m。

4.3隧道位移分析

为确保盾构隧道在基坑开挖过程中不受基坑土体凸起的影响，确保盾构隧道位移量符合要求，不至于影响隧道的稳定性以及正常安全运营，必须对下方地铁盾构隧道进行位移分析。由隧道Z方向的距离与位移关系，可以做出左线隧道和右线隧道在基坑开挖的影响作用下，隧道顶部的竖向位移曲线图。相同于沿X、Y方向的位移图，左、右线隧道的两端所产生的位移量也极小，可以忽略不计，从80～150m区域范围内，隧道的竖向位移开始显著增大并达到峰值，150～200m区域范围内，隧道顶部竖向位移由峰值回落至相对稳定的位移量。左右线隧道竖向位移最大值出现在左侧隧道顶部，最大竖向位移为17.589mm。

结语：

（1）基坑底部有土体凸起现象发生，但沿X、Y、Z三个方向的最大变形均在合理范围之内，符合安全、稳定的要求。（2）A基坑的第四根支撑与B基坑第一根支撑处出现最大剪应力，最大剪应力为0.028MN；A基坑的第二根支撑和B基坑的第三根支撑处出现最大轴应力，最大轴力值为3.21MN；A基坑的第四根支撑和B基坑的第一根支撑出现最大弯矩，最大弯矩值为0.143MN·m。（3）由于受到基坑施工的影响，地铁盾构隧道沉降量、水平方向位移均小于20mm，满足规定的要求。同时地铁盾构隧道的管片（C50）满足混凝土的抗拉、抗压强度要求。

参考文献：

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作者簡介：

张吉华，中铁十一局城市轨道工程有限公司。