盾构隧道近距离下穿暗挖隧道施工研究

侯建林，李鹏，王鼎，陈道政

（1.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

成都地铁7号线崔家店站-万年场站区间包含两个盾构区间隧道：即崔家店站-万年场站左线和崔家店站-万年场站右线，线路主要位于2.5环道路下方。在区间ZDK9700～ZDK9962.7处，左右盾构隧道与出入场线暗挖隧道三道并行，并于ZDK9+931处，左线隧道近距离下穿出入场线暗挖隧道（见图1）。此次复合地层近距离穿越暗挖隧道的技术核心在于控制研究既有暗挖隧道的周边位移、地面下沉等重要参数，确保暗挖隧道使用安全。

本文以成都地铁七号线为实际工程背景，采用数值模拟方法对下穿出入场线暗挖隧道的盾构施工进行有限元分析，研究盾构下穿暗挖隧道掘进过程中对于暗挖隧道周边土体的扰动，并在不同工况下进行对比研究，提出合理的盾构施工方法和暗挖隧道支护方式，为类似工程设计、施工提供参考。

1 工程实例概况

1.1 隧道位置关系

崔家店站到万年场站包含两个盾构区间，区间里程 ZDK9+475-ZDK9+962，YDK9+475-YDK31+759，左线隧道长499.193m，右线隧道长555.700m。暗挖隧道竖井径直往万年场方向长度为182.8m，区间盾构隧道与该段为并行施工，并行段间距为1.8m～4.2m,最小净距为1.8m。出入场线暗挖隧道采用CRD法开挖施工，初期支护采用格栅钢架+挂网喷浆。

由于暗挖隧道工期滞后，经专家评定，决定在暗挖隧道只完成初期支护和仰拱，而未完成二衬的情况下左线盾构于ZDK9+931先行下穿。此计划技术难度大、工序复杂，施工过程中的措施需要严格控制。图1为盾构与出入场线暗挖隧道平面关系图，并于5-5截面下穿隧道。图2为崔万区间盾构与出入场线暗挖隧道的三维关系示意图。

图1 盾构与出入场线平面关系示意图

图2 盾构与出入场线三维关系示意图

1.2 地质概况

盾构隧道与暗挖隧道处于复合地层中，根据现场钻探、原位测试成果的综合分析，拟建场地勘测深度范围的土层岩性主要分为四层,自上而下分别为杂填土、黏土、黏土夹卵石、强风化泥岩。具体参数见表1.

表1 土层参数

2 有限元模型建立与分析

2.1 边界条件和本构关系

由于实际工程土体应力应变关系接近理想弹塑性模型，因此选用FLAC3D内置的Mohr-Coulomb模型。管片等在施工工况中，其变形仍处于弹性变形阶段，因此采用弹性本构模型。管片与注浆层的模型计算参数见表2。

表2 材料参数

图3 数值模拟三维模型

选取左线ZDK99I0-ZDK9931为数值模拟区间。数值模拟的具体范围：X轴方向（隧道延伸方向）取36m，Y轴方向取50m，Z轴方向（高程））取50m。有限元模型选取六面体等参模型，上表面为自由面，用岩土自重近似模拟初始垂直应力，底部使用法向力进行约束，前、后、左、右四个侧面施加水平法向约束。其中，为了结果更加精确，模型共划分207336个单元，215542个节点。

2.2 盾构施工过程的数值模拟

在FLAC3D软件中，我们通过改变与盾构施工相关的材料类型和参数，将实际中连续的的盾构推进过程近似模拟为非连续的施工过程，其本质是材料刚度迁移的过程。在有限元软件模拟的土体中，预先设置准备开挖的隧道，管片及注浆单元。模拟盾构机开挖时，每次开挖一定距离的隧道土体，并在开挖过后，改变开挖土体周围管片及注浆单元的参数。管片沿左线隧道长度1.5m，每一个工况持续向前施工一个管片的距离，即施工24个工况，从选取区间起始点开始施工，途径下部穿越暗挖隧道后直到选取区间终点停止。

邢双双等[8]认为护理质量评价指标体系应覆盖临床常见病和多发病，应利于临床专科使用，应明确各个指标的界定标准。本研究指标体系包括15项安全及消毒隔离敏感指标，9项护理记录及评估敏感指标，12项医嘱执行及服务流程敏感指标，3项输血专项敏感指标，内容涵盖护理质量过程和结局，适宜各类病人使用及临床各护理单元的护理质量管理。

在使用有限元软件模拟施工过程中，为了防止与实际施工过程相比出现较大偏差，严格控制土侧摩擦力，正面土压力以及注浆加固时所产生的的注浆压力。由于将实际中的连续施工模拟为非连续间断施工，模拟施工中的施工速度相比实际慢很多，这样就会导致与实际所承受土压力不符。因此在软件中将施工分析中的土压力设置为常规1.05倍，并将摩擦系数也扩大相应倍数，以此来真实表现实际盾构机的施工情况。

2.3 盾构施工对于下穿隧道结构的影响分析

选取被盾构隧道下穿正上方的暗挖隧道纵断面为研究面，并在隧道截面上设置四个主要监测点：底部为1号监测点，顶部为2号监测点，正左侧设置3号监测点，正右侧设置4号监测点，通过4个监测点分别对隧道的拱顶与拱底下沉，周边位移等重要质量控制点进行数据分析。盾构机的掘进过程在本文中以数值模拟的工况推进过程体现，并且随着工况的发展，上部暗挖隧道的变形也是一个不规律的变化过程。了解暗挖隧道的实时变化情况，即有利于对隧道本身变形规律进行归纳分析，也有利于为下一步的支护方案选取做好准备。选取断面4个监测点随工况推进的竖向位移变化见图4。

图4 暗挖隧道监测点位移

盾构机掘进初期，由于盾构机推进过程中对前方土体具有一定的挤压作用，导致隧道间土体会产生一定的上拱，从而影响上部隧道在四个监测点上均有一定的隆起，并且底部监测点的隆起最为明显，，最多可以达到0.036mm,但这种暂时性隆起不会影响土体整体变化规律，对于最终沉降量也不会造成明显影响。

从图中可以看出，1号监测点（底部）的沉降量变化幅度最大。在工况0～8之间，1号监测点的位移变化相对平缓，沉降量最大值达到0.92mm，说明在盾构机开始推进后，且没有推进到暗挖隧道正下方之前，盾构机对于暗挖隧道拱底沉降的影响是缓慢而微弱的，可以说明只要保证盾构机前期的推进速度和质量，并不会影响到原有隧道的安全性。推进到在第8工况后，沉降量的变化率骤增，在推进到第12工况时，1号监测点沉降量变化率达到最大，并一直在类似变化速率下增长到第18工况。第12工况刚好是盾构机下穿于盾构隧道正下方，说明此时对于原上方隧道的影响是最大的，并且这种影响将持续到第18工况，也就是盾构机穿越到距正下方水平方向约9m的距离。这种持续的大沉降量变化率将给原隧道周边土体带来巨大的扰动，将严重影响原隧道的安全性和适用性。18工况-24工况下，1号监测点的竖向位移变化率逐渐放缓，但沉降量仍有一定增长，于24工况达到最大值8.6mm。

2 号监测点的在盾构机推进过程中的沉降量变化值最小。从开始推进到16工况，沉降量以较低的变化率缓慢增加，这说明在推进过程前期，上方土体原固结状态尚未解除，上方土体原始应力没有受到明显影响，从而拱顶沉降量变化不明显。推进到第18工况后，沉降量变化率有了显著地提升。这说明在盾构机下穿过后一段时间，土体固结率降低导致拱顶有了明显的延时性位移变化。工程人员往往更加在意下穿时造成的影响，而忽视下穿后的变化量，这是危险的。对于拱顶的加固更应该在成功下穿后进行二次加固来控制位移的继续扩大。

3 、4 号监测点的沉降变化量位于1、2号监测点之间，出了在12-18工况间变化率增大，其余变化率相对平缓。2号监测点相比3号监测点沉降量稍大，这可能是盾构机下穿先经过原隧道左侧，影响左侧土体应力导致左侧沉降量偏大。随后盾构机逐渐远离监测面，监测点位移慢慢稳定。

2.4 穿越过程中土层变形特征研究

在盾构机下穿暗挖隧道过程中，周围土层将时刻产生不规律的变形，这种因盾构机推进所产生的土体位移之间影响到暗挖隧道的安全，因此控制周围土体位移量有非常重要的意义。限于篇幅原因，本文选取盾构隧道下穿时的纵截面，观察原始土层，盾构机开始推进，开始下部穿越，穿越后四个工况下，盾构隧道与暗挖隧道周围土体的位移变化，并根据其变化特征设计适宜的暗挖隧道支护方案以及土体加固方案。

图5 周边土体位移云图

图5 （a）是盾构机未掘进时的原始土层位移云图，土层的原始位移基本由各土层本构特性决定，下层至上层土体由于自身重力作用导致位移逐渐增大，中部已经开挖完毕的暗挖隧道减轻了一部分土体重量，是其下部土层位移有一定的上隆。

图5 （b）是盾构隧道开始推进但还未下穿时下穿位置断面土体位移图。可以明显看出，下方盾构机开始工作后，破坏了土体原始应力状态，土体的位移有了较为明显的变化。由于开挖后盾构机将开挖土体排出，底层下部土体因为上部重力减轻产生明显上隆，与原始土层相比，上隆幅度最多达到8.1mm。土层不在按照原来的本构特性产生层状沉降，而在上部暗挖隧道周边产生环形沉降带。其中隧道底部土体沉降变化幅度最大，从黄色沉降带变为深蓝色沉降带，沉降量最大达到8.21mm，增幅约6.5mm。隧道左右两侧土体同样有较大的位移变化，沉降量最大增幅约4.2mm。因此工程上应该在盾构机推进前期完成对原暗挖隧道周围土体的加固，谨防因为土体过大沉降导致原隧道安全性受到影响。隧道左右侧较远处的土体相比原始沉降量较小，但在施工过程中应该足够重视，保证地面上人和物的工作不受到沉降影响。

图5 （c）是盾构隧道开始下穿时土体位移云图。此时暗挖隧道周边土体沉降趋于稳定，约2.5mm,暗挖隧道底部相比沉降较大，约4.2mm。下穿时，盾构机前方土体产生较大扰动，由于盾构机对前方土体的剪切和挤压，土体在暂时性隆起后将产生8mm以上的沉降，盾构隧道与暗挖隧道之间的土层的位移以及应力状态将频繁变化，十分复杂。因此，下穿过程中一定要保证盾构机上部，即暗挖隧道正下方土体的稳定性，这样既能保证盾构机掘进过程中不受到干扰，又能保证暗挖隧道不会因为土层较大位移变化而降低工程安全性。

图5 （d）是在数值模拟图层范围中完全穿越过后的位移云图。此时由于没有盾构推进过程中动力剪切挤压因素产生的影响，土层位移相对稳定而规律。其中，暗挖隧道周边的沉降较大，且保持较大范围，约3mm～5mm之间。处于盾构隧道正上方的土体中央部分沉降最大，而这种由于盾构开挖引起上部土体的沉降将导致上部土体与暗挖隧道结构产生分离趋势，进而对于原结构产生向下较大的拉应力，这种拉应力不利于隧道和暗挖隧道的安全，这将是施工过程中应重点关注的安全隐患。

通过数值模拟分析对比研究，对于土体的位移研究与暗挖隧道监测点位移的变化规律基本相似，证明这种数值模拟对于施工过程中的加固方案先去与设计，采取良好的防沉降措施具有一定的指导意义。

3 结论

盾构下穿暗挖隧道过程中对原有隧道结构产生影响，并且在不同的掘进状态下产生不同程度的影响。其中，暗挖隧道底部受在盾构推进前中期影响较大，左右周边持续受到位移影响，而隧道顶部在穿越过后仍有较大位移变化。因此，必须严格控制盾构机掘进姿态，合理调整盾构速度，严格控制出土量，并在推进过程中持续监测周围土体应力及位移变化，修正各类掘进参数，避免上方土体塌陷，保证土压平衡。隧道内部应该保证在掘进前就进行支护工作，并且下穿结束后临时支撑不可马上拆除，等待结构各项指标趋于稳定。

盾构机推进过程中将对复合地层产生较大的扰动，原土层的较大的隆起与沉降会对暗挖隧道产生一定的应力作用。盾构机施工过程中，暗挖隧道与盾构隧道之间土层位移变化量最大，变化频率快。土层位移的频繁改变对于暗挖隧道结构产生有害牵引，造成原结构不稳定。因此在盾构推进中应采用高精度钢筋混凝土管片，做好浆液配合比选择，同步注浆，并随时监测土体位移，必要时补充注浆。

本文根据符合实际情况的数值模拟，分析相关结构和土体的位移变化规律，预先把握土层在盾构下穿过程中可能出现的情况，并提出合理可行的防沉降措施和支护方案，为相关工程提供一定科学借鉴。模拟结果与实测结果相符，模拟效果较好。