盾构隧道双线斜跨既有隧道施工变形影响研究

2022-02-12胡斌

重庆建筑 2022年1期

胡斌

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

0 引言

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，在城市地铁网的建设中出现了越来越多的新建隧道近接既有线施工的情况。近接施工时，由于时间先后关系、空间位置关系及施工方法的不同会导致一系列力学行为的变化，因此，如何保证既有线的安全运营以及新建隧道的安全施工具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

近接隧道施工的扰动影响研究，主要有仿真模拟法、解析法以及现场检测三种，且以数值模拟法为主。文献[1-3]研究了盾构隧道近接施工对既有隧道应力和衬砌变形的影响。江华等[4]采用有限元模拟及现场检测的方法对深圳地铁盾构隧道近接上跨既有线引起的结构变形进行了研究。杨宇恒等[5]通过有限元法分析了先下后上施工对既有隧道及周边环境的扰动影响。刘树佳等[6]针对地铁盾构隧道多线叠加复杂工况，建立三维有限元下穿施工模型，研究了不同净距、不同土压力、不同注浆量下新建隧道对既有线管片变形的影响。万飞等[7]依据深圳拟建新彩隧道近接上跨两条隧道叠置的工程实例，运用有限元软件进行三维数值模型分析，对比分析了采用明挖法和暗挖法新建隧道时对既有线变形及内力的影响变化规律。卢岱岳等[8]研究了盾构隧道近接施工对既有隧道纵向变形的影响。方晓慧[9]对隧道在交叉、并行、交叠3种不同相对位置关系时既有隧道的变形和结构内力进行模拟分析，得到了相应的变化规律。

上述已有研究集中于不同施工方法、不同施工力学参数、不同近接上跨工况下新建隧道对既有线的影响研究，暂未从盾构隧道左右线施工顺序角度考虑新建隧道对近接上跨既有线的影响。优化左右线施工顺序以减小对既有线隧道影响，具有成本低、可操作性强等特点，因此研究盾构隧道左右线施工顺序对近接上跨既有线的影响具有重要意义。

本文结合工程实际，针对某地新建的地铁6号线近接上跨既有的地铁4号线而形成的四线叠交特殊工况，建立三维有限差分模型，对新建隧道左右线不同施工次序下既有隧道的水平及竖向位移变化规律进行了深入研究，可为今后类似多线叠交工程施工提供参考。

1 工程概况

新建地铁6号线近接上跨地铁4号线隧道区间，新建区间隧道大致由西北向东西走向，全长1550m。新建隧道采用盾构工法施作，盾构隧道外径6.1m，管片厚0.3m，同步注浆层厚0.2m。新建地铁6号线左、右线覆土厚度分别为8.48m和7.36m，6号线与4号线空间交叉角度为26°，6号线与4号线叠线位置净距6.021m，6号线水平轴间距10.6m，4号线水平轴间距12m，新建隧道与既有线的相对位置关系如图1所示。

图1 新建6号线与既有4号线相对位置关系剖面图

拟建6号线隧道主要穿越砂质粉土层，既有4号线主要穿越淤泥质粉土层，隧道区间地层主要为素填土层、砂质粉土层、淤泥质粉土层、粉质黏土层、粉砂层和圆砾层，地下水位线标高6.13m，模型地层情况如图2所示。

图2 隧道所处地层示意图

2 有限差分模型的建立

2.1 模型建立与网格划分

本文采用有限差分软件FLAC3D对实际施工工况进行研究，相较于有限元计算方法，有限差分法具有易收敛、离散误差小及计算成本低等优势[10]。

图3 为模型的平面透视图，该图表征了新建隧道与既有隧道在空间位置上的交叉关系。图4为三维模型的尺寸示意图，模型尺寸长×宽×高为100m×120m×60m，模型网格单元均为实体单元，利用MIDASGTSNX建立三维数值模型，然后导入FLAC3D中进行三维流固耦合仿真分析。

图3 模型平面透视图

图4 模型三维图

2.2 边界条件及模型参数

数值计算时，需对模型设置相应的位移边界条件，在模型横向左右两侧分别施加水平x向的位移约束，模型纵向前后侧分别施加水平y向的位移约束，模型底部固定z向位移约束。

流固耦合计算中，掌子面流体边界设置为透水边界，管片结构设置为不透水边界，本文计算所涉及的地层参数及水力学参数如表1所示。

表1 相应材料参数表

3 施工模拟及结果分析

3.1 施工模拟过程

新建6号线隧道管片幅宽1.2m，计算模型纵向长120m，模拟100环盾构隧道管片结构施工过程，管片滞后开挖面两环拼装，管片拼装在盾壳内进行，同步注浆滞后管片拼装一环进行，每一步平衡计算同时进行壁后注浆和盾尾管片拼装。本文通过先左线后右线（先左后右）、先右线后左线（先右后左）两种施工方案对新建6号线隧道进行掘进施工模拟，对比分析新建隧道左右线不同施工顺序下既有线隧道的位移响应。

3.2 监测位置的确定

新建隧道通过既有隧道正上方后，在上跨交叉节点正上方附近变形最大[12]，故本文选取四线叠交中间位置处为监测截面（截面A-A），监测断面A-A定义为四线叠交处，对应管片第52环、开挖步第26步的位置，监测不同施工顺序下既有线拱顶、拱底、拱腰位置处的位移时程变化，监测断面如图5所示。

图5 监测断面位置示意图

3.3 计算结果分析

3.3.1 既有隧道变形影响分析

图6 、图7所示为新建隧道先左后右、先右后左两种施工顺序下既有隧道监测断面拱顶、拱腰、拱底位置处的位移时程曲线。图中“6号线左右线分界线”表示左线隧道、右线隧道不同施工顺序下的分界线，如图例中的先左后右时程曲线，在“6号线左右线分界线”左侧表示6号线左线施工，至“6号线左右线分界线”位置处表示左线施工完毕，右侧表示6号线右线施工，横坐标分别对应左线、右线施工的开挖环数，纵坐标表示施工至相应管片环时监测点位置处对应的位移变形。

由图6、图7可知，先左后右施工方案中：（1）新建隧道左线掘进通过四线叠交处至新建隧道右线掘进到达四线叠交处区段内，4号线左线拱顶、拱底位置处竖向位移变化较大，变化幅度分别为655.22%、920.04%，为盾构施工强影响区，施工强影响范围占总施工过程的48%，4号线左线拱腰位置水平位移时程变化较为平稳，受施工影响较小；（2）新建隧道右线掘进通过四线叠交处至施工结束，4号线右线拱顶、拱底位置处竖向位移变化较大，变化幅度分别为174.46%、191.45%，为盾构施工强影响区，施工强影响范围占总施工过程的30%，4号线右线拱腰位置水平位移时程变化较为平稳，受施工影响较小。

图7 4号线右线位移时程曲线图

先右后左施工方案中：（1）新建隧道右线掘进通过四线叠交处至新建隧道左线掘进到达四线叠交处区段内，4号线右线拱顶、拱底位置处竖向位移变化较大，变化幅度分别为524.09%、744.87%，其为盾构施工强影响区，强影响范围占总施工过程的48%，既有隧道右线拱腰受开挖过程影响较大，左、右拱腰最大位移绝对值分别为先左后右施工方案的2.03倍、8.12倍；（2）新建隧道左线掘进通过四线叠交处后至施工结束，4号线左线拱顶、拱底位置处竖向位移变化较大，变化幅度分别为217.94%、223.92%，其为盾构施工强影响区，施工强影响范围占总施工过程的30%，既有隧道左线拱腰受开挖过程影响较大，左、右拱腰最大水平位移绝对值分别为先左后右施工方案的3.99倍和3.53倍。

3.3.2 地表变形分析

图8 为先左后右、先右后左两种工况下施工后地表的竖向位移云图。由该图可知，沿新建隧道纵向地表隆起值逐渐减小，且后开挖的隧道线上方地表较先开挖的隧道线上方地表隆起变形更小，先左后右施工完后，始发段地表最大隆起变形为13.84mm，最大沉降变形为-12.80mm，先右后左施工完后，始发段最大隆起变形为14.24mm，最大沉降变形为-18.10mm。从位移云图可知，新建隧道对其沿线地表竖向位移影响较大，对远离隧道轴线的地表影响较小。