双线盾构隧道斜交下穿既有市政隧道的变形规律研究

高刚刚

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着城市化进程的推进，城市地铁数量及规模得到空前发展。由于受到城市地下空间资源有限、地下建(构)筑物数量增多、地质条件与工程环境条件日益复杂等因素的影响，新建城市地铁隧道近接既有建(构)筑物的现象日益增多。

文献[1-6]对盾构下穿既有隧道这一问题已经有了一定的研究，然而，目前已有研究中存在以下问题：(1)对于盾构隧道下穿公路框架隧道的研究较少；(2)研究多集中于隧道正交下穿对于上部隧道的影响，而实际中隧道正交下穿的情况较少；(3)对于下穿施工不同阶段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技术参数影响的研究相对较少。本文以杭州地铁五号线浙三区间斜交下穿紫金港路隧道工程为依托，研究了既有市政隧道受双线盾构隧道斜交下穿时的变形规律，以及注浆压力和地层加固措施的影响规律。

1 工程概况

杭州地铁5号线浙大紫金港站-三坝村站区间下穿紫金港隧道，新建隧道与既有隧道之间的空间相对关系如图1、图2所示，隧道顶与紫金港隧道底部净距约4 m，紫金港隧道为市政公路隧道，结构为矩形框架混凝土结构，明挖法施工，盾构通过范围内围护结构采用SMW工法桩，内部型钢已全部拔除，已预留盾构通过条件。为了减小地铁盾构隧道的施工对紫金港路隧道的影响，在紫金港路隧道施工期间，已经对隧道底部地层进行了三轴水泥土搅拌桩加固，桩长6 m。

图1 盾构下穿紫金港隧道总平面

图2 盾构下穿紫金港隧道剖面(单位：m)

2 计算说明

2.1 计算模型

本章采用Flac3d软件进行三维建模计算，模型长108 m，宽91 m，高52.8 m，地铁区间隧道拱顶埋深为19.1 m，紫金港路隧道结构顶板埋深为3.3 m，底板埋深为15.3 m，地铁区间隧道拱顶与紫金港路隧道结构底板之间的距离约为3.8～4.0 m，地铁区间隧道中心线与紫金港路隧道中心线交角约为51 °，三维计算模型如图3所示。

图3 三维计算模型(单位：m)

2.2 计算参数

依据勘察报告中给出的地层物理力学参数建议值和部分规范、文献中给出的地层参考建议值，确定基于Mohr-Coulomb模型的各地层物理力学参数如表1所示，根据前人的研究成果，计算中弹性模量一般取压缩模量的2～5倍，本模型取3.5倍。有关结构的物理力学参数按规范取值如表2所示，本模型管片的整体刚度折减系数为0.8。

表1 地层物理力学参数

表2 结构计算参数

盾构开挖时，注浆压力和土仓压力用等效荷载代替。由于本章研究中隧道埋深不变，所以土仓压力(即掌子面等效平衡荷载)保持不变，为0.2 MPa。每次开挖1环(即1.2 m)，盾构掘进过程模拟示意如图4所示。

3 计算结果分析

3.1 盾构隧道下穿既有市政隧道的施工影响规律

3.1.1 沿新建盾构隧道走向的沉降规律

J6-1～J6-6监测点为既有隧道结构上沿左线中心线布置的(图1、图2)。注浆压力为0.15MPa及地层加固条件下左线及右线开挖过程中J6-1～J6-6监测点的竖向位移-掘进距离关系图如图5所示。由图5可以看出，左线开挖时，监测点的沉降值随着掌子面的推进在逐渐增大，当掌子面通过监测点之后，监测点开始上浮并趋于稳定，这是因为既有市政隧道的存在，使得下穿段的水土压力减小，相当于覆土厚度减小。由于既有市政隧道结构的整体刚度较大，所以既有隧道结构上监测点的变形并不大，J6-1～J6-2监测点的竖向变形较J6-3～J6-6监测点的大，说明紫金港路主隧道的抵抗变形能力比匝道的大。右线开挖时，监测点的变形值在左线开挖后的基础上继续变形，变形规律和左线开挖时的规律类似。

图5 左右线开挖时，J6-1～J6-6监测点竖向变形

3.1.2 沿既有市政隧道走向的沉降规律

J1-1～J1-5监测点为匝道结构上沿走向布置的，注浆压力为0.15 MPa及地层加固条件下左线及右线开挖过程中J1-1～J1-5监测点的竖向位移-掘进距离关系图如图6所示。由图6可以看出，左线开挖时，J1-1～J1-5监测点的沉降最大值随着与左线中心线的水平距离增大而减小，监测点位移值的拐点可以反映出监测点的变形趋势并非相同的，而是根据与掌子面的走向距离越近的越早出现。当掌子面通过监测点之后，监测点开始上浮并趋于稳定，由于既有市政隧道结构的整体刚度较大，所以既有隧道结构上监测点的变形并不大。右线开挖时，监测点的变形值在左线开挖后的基础上继续变形，变形规律和左线开挖时的规律类似，且最终变形较小。

图6 左右线开挖时，J1-1～J1-5监测点竖向变形

由图7可以看出，左线开挖时，J1-1～J1-5监测点的沉降最大值随着与左线中心线(x=-6.5m)的水平距离增大而减小。由图8可以看出，右线开挖时，J1-1～J1-5监测点的沉降最大值随着与右线中心线(x=6.5m)的水平距离增大而减小。

图7 左线开挖时，J1-1～J1-5监测点竖向变形

图8 右线开挖时，J1-1～J1-5监测点竖向变形

3.2 注浆压力对既有市政隧道结构的影响规律

J6-1监测代表点在不同注浆压力及地层加固条件下左线及右线开挖过程中监测点的竖向位移-掘进距离关系如图9所示。由图9可以看出，左线开挖时，在注浆压力为0.15 MPa下，J6-1监测点先发生沉降，当掌子面通过监测点(26环)之后，监测点开始上浮并趋于稳定，最终变形值为-0.25 mm；在注浆压力为0.20 MPa下，J6-1监测点先发生沉降，但没有0.15 MPa的明显，当掌子面通过监测点之后，监测点开始上浮并趋于稳定，最终变形值为0.4 mm；在注浆压力为0.25 MPa下，J6-1监测点一开始就表现为上浮，当掌子面通过监测点之后，监测点上浮的趋势更明显，最终趋于稳定，变形值约为0.7 mm；在注浆压力为0.30 MPa下，J6-1监测点的变形规律与0.25 MPa的类似，最终变形值为0.9 mm。右线开挖时，监测点的变形值在左线开挖后的基础上继续变形，变形规律和左线开挖时的规律类似。

图9 左右线开挖时，J6-1监测点在不同注浆压力下的竖向变形

3.3 地层加固对既有市政隧道结构的影响规律

J6-1监测代表点在注浆压力为0.15 MPa及地层加固与不加固条件下左线及右线开挖过程中监测点的竖向位移-掘进距离关系如图10所示。由图10可以看出，左线开挖时，在地层加固条件下，J6-1监测点的最大沉降值为-0.7 mm，最终变形值为-0.25 mm；在地层不加固条件下，J6-1监测点的最大沉降值为-0.9 mm，最终变形值为-0.55 mm，与地层加固条件下的变形值相比，分别增大了28.5 %、120 %。右线开挖时，J6-1监测点的变形值在左线开挖后的基础上继续变形，与地层加固条件下的变形值相比，分别增大了58.3 %、225 %。

图10 左右线开挖时，J6-1监测点在地层加固与不加固条件下的竖向变形

根据图5可知，既有市政隧道结构在盾构隧道开挖过程中发生了扭转变形。地层在加固和不加固条件下，既有市政隧道结构的竖向变形放大图如图11、图12所示，对于混凝土结构，结构的扭转变形将会对结构的受力产生极为不利的影响，严重的扭转变形还会导致结构的开裂，影响其的正常使用和耐久性。由图11、图12可知，在地层采取三轴水泥土搅拌桩加固之后，减小了既有市政隧道结构的扭转变形。

图11 地层加固条件下，左线开挖时J6-1～J6-6监测点断面结构竖向变形放大(单位：mm)

图12 地层未加固条件下，左线开挖时J6-1～J6-6监测点断面结构竖向变形放大(单位：mm)

4 结论

以杭州地铁5号线浙大紫金港站-三坝村站区间下穿紫金港路隧道为工程背景，采用均布环向注浆力和等代层模拟盾尾同步注浆，研究了盾构区间隧道下穿紫金港路隧道对隧道结构变形的影响规律，分析了注浆压力及地层加固与否等因素对既有市政隧道结构变形的影响规律，得出以下结论：

(1)既有市政隧道的竖向变形值随着掌子面的推进在下沉，当掌子面通过监测点之后，监测点开始上浮并最终趋于稳定，由于既有市政隧道结构的整体刚度较大，所以既有隧道结构的变形并不大，匝道的竖向变形较紫金港路主隧道的大。既有隧道结构的变形最大值随着与盾构线路中心线的水平距离增大而减小。

(2)既有市政隧道的竖向变形值会随着注浆压力的增大而增大，根据计算结果，结合非下穿段的地表沉降值，建议盾构在非下穿段采用0.3 MPa的注浆压力，在下穿段采用0.15 MPa的注浆压力。

(3)既有市政隧道的竖向变形值会因为既有市政隧道底部地层采取三轴水泥土搅拌桩加固措施而减小。采取地层加固措施既提高了既有市政隧道底部地基的承载力，又减小了盾构区间隧道与既有市政隧道之间在施工及运营期间的相互影响。