大坡度小曲率盾构施工对既有地铁隧道的影响

于伟光

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

随着近年来我国地铁隧道的大量兴建，城市地铁隧道施工面临的施工环境越来越复杂，主要表现在盾构施工经常需要下穿既有敏感地下结构，以及盾构施工线路在局部需要采用大坡度和小曲率半径施工方式以满足设计要求两个方面。

针对大坡度及小曲率半径隧道盾构施工情况，魏纲等[1]考虑盾构轴线与水平面的夹角，结合正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失的共同作用，提出全新的盾构隧道施工土体垂直变形计算公式。LAI H等[2]基于监测数据和有限差分数值模拟，对大坡度盾构隧道近距离小交角下穿施工既有隧道沉降特性进行了研究，验证了有限元结果的一致性。WENG X等[3]通过一系列离心模型试验和数值模拟分析，研究了由隧道纵坡角和稳态渗流引起的开挖面失稳及开挖面的渐进破坏机理。LI S等[4]结合曲线盾构隧道施工特点，推导了由土体损失及施工荷载引起的地层竖向变形的计算公式，并研究了隧道曲率半径对地层沉降的影响。唐晓武等[5]分析了小曲率半径盾构掘进过程中的土体沉降、水平变形和孔隙水压力。

针对隧道盾构施工下穿既有地铁隧道情况，陈向阳等[6]对比分析了一系列纵向等效刚度的计算模型，并通过三维数值模拟研究盾构下穿施工对上方既有隧道在不同计算模型下的沉降及受力的影响。曾铁梅等[7]依托于武汉某隧道下穿工程进行实例分析，基于所提出的PCBN模型进行风险分析和指标相关性分析，确定工程的施工风险状态及与施工风险相关性较高的关键风险因素。来弘鹏等[8]结合实体工程，对盾构下穿既有地铁隧道施工技术参数进行了系统研究，并通过实测数据验证了研究成果的可靠性。

当盾构施工采用大坡度小曲率半径下穿既有地铁隧道时，施工安全控制难度更大，问题更加复杂，而目前对该问题的研究尚不足。本文以郑州轨道交通5号线为依托，分析了大坡度小曲率半径盾构隧道下穿既有地铁隧道的情况。

1 工程背景

郑州市轨道交通5号线某区间延长线下穿既有地铁隧道线路。盾构下穿处正线在上，出入线在下，立交线路平面夹角36.8°。其中正线区间覆土16 m，线路纵坡0.68%；出入线平面曲率半径为450 m，线路纵坡2.982%，隧道间竖向净距3.924 m，穿越地层主要为粉质黏土层。既有正线隧道及新建出入线右线隧道半径均为3.1 m，管片厚度为0.35 m，混凝土等级为C50。工程概况如图1所示。

图1 工程概况

2 有限元建模

2.1 模型及地层参数

根据计算经验，为了使模型边界处的应力不受到隧道开挖的影响，隧道中心线到垂直网格边界的距离为4倍～5倍隧道直径、从隧道中心点到底部边界的距离应为2倍～3倍隧道直径。本文模型尺寸为长250 m，宽200 m，深50 m。网格在竖直边界上限制水平位移，在底部边界限制水平及竖向位移，顶端自由。为保证模型计算的准确性，隧道部分模型网格进行了适当的加密处理，如图2所示。

图2 土体与结构网格示意图

根据工程前期实际勘察及试验结果，在本模型中地层分层情况及各参数见表1，并假定地下土层沿开挖方向分布均匀，且各土层性质不随开挖进度变化而变化。

隧道及盾构机参数见表2。

表2 隧道结构参数

2.2 盾构参数

盾构所处土层自稳能力较强、施工扰动较小时，可采用静止土压力进行计算。本模型中盾构机位于粉质黏土层，土层粘聚力及内摩擦角均较大，自稳能力较强。根据静止土压力公式，在深度z处静止土压力为：

式（1）中，K0为静止土压力系数，一般取K0=1-sinφ′，φ′为土体有效内摩擦角，°，本文中土层位于地下水位以上，故计算中取内摩擦角，即φ′=φ，取值见表1；γ为土体重度，kN/m3，取值见表1；z为计算点埋深，m。

表1 土层参数

计算得隧道上表面土压力为298.80 kPa,下表面土压力为384.91 kPa。隧道掌子面压力随深度变化，增量为14 kPa/m。

盾构注浆压力应略大于对应地层位置静止水土压力，注浆压力一般取0.1 MPa～0.35 MPa，因本文模型隧道埋深较深，故模型中注浆压力取0.4 MPa，采用垂直增量方式，增量为20 kPa/m。

3 结果及分析

为了解隧道下穿不同阶段既有隧道的变形情况，将隧道下穿过程分为4种不同工况，从而对隧道下穿不同开挖阶段既有隧道竖向位移进行分析。主要分析下穿施工前、穿越中、穿越后及完全穿越4种工况下，既有隧道在3个监测断面及既有隧道横截面4个监测点处的沉降变形,如图3～图4所示，其中Ⅱ—Ⅱ截面位于既有隧道轴线地表处，Ⅰ—Ⅰ及Ⅲ—Ⅲ截面距Ⅱ—Ⅱ截面均为5.1 m。

图3 工况示意图

图4 地表沉降监测断面和隧道沉降监测点

3.1 下穿施工前

在此阶段，下穿隧道即将与既有隧道相交。不同截面地表沉降曲线及既有隧道的竖向变形曲线如图5～图6所示。在同种工况下既有隧道位移要大于对应地表土体位移。当盾构机接近既有隧道时，既有隧道顶部变形最大，底部沉降最小，由于盾构曲率的影响，A，B两点并未表现出对称性，A点沉降略大于B点沉降。说明在开挖面到达既有隧道之前，隧道已经开始发生变形，且靠近开挖面一侧沉降更大，由于曲率和坡度的存在，沉降呈现明显的非对称性，隧道产生扭转效应。施工中应提前对地表及隧道进行监控，防止监控延后带来的检测值偏小的问题。

图5 不同截面地表沉降曲线（工况一）

图6 既有隧道竖向位移（工况一）

3.2 下穿施工中

在此阶段，下穿隧道盾构机位于既有隧道正下方。不同截面地表沉降曲线及既有隧道的竖向变形曲线如图7～图8所示。当盾构机下穿既有隧道时，既有隧道底部D点变形最大，C点沉降最小，B点沉降与A点较为接近，由于盾构曲率的影响，A，B两点并未表现出对称性，A点沉降明显大于B点沉降。说明在开挖面到达既有隧道时，先开挖一侧隧道沉降更大，同样由于曲率和坡度的存在，沉降呈现明显的非对称性，隧道产生扭转效应。施工中应重点监控隧道底部。

图7 不同截面地表沉降曲线（工况二）

图8 既有隧道竖向位移（工况二）

3.3 下穿施工后

在此阶段，盾构机盾尾脱出既有隧道下方，盾尾管片继续拼装，直至开挖完成。不同截面地表沉降曲线及既有隧道的竖向变形曲线如图9～图10所示。在同种工况下既有隧道位移要大于对应地表土体位移。随着隧道施工的推进，既有隧道及周围土体变形不断增长，隧道最大变形区域也不断推进。当盾构机脱离既有隧道时，既有隧道底部D点变形最大，C点沉降最小，B点沉降与C点较为接近，由于盾构曲率的影响，A，B两点并未表现出对称性，A点沉降明显大于B点沉降。说明在穿越既有隧道后，先开挖一侧隧道沉降更大，同样由于曲率和坡度的存在，沉降呈现明显的非对称性，隧道产生扭转效应。施工中应重点监控隧道底部。

图9 不同截面地表沉降曲线（工况三）

图10 既有隧道竖向位移（工况三）

3.4 完全穿越后

图11为新建隧道开挖完成后不同截面地表沉降曲线，完全穿越后，截面处地表沉降逐渐呈现出对称性。图12为新建隧道开挖完成后既有隧道水平两侧拱腰（A，B）及拱顶(C)拱底（D）处竖向位移变形曲线。从A，B曲线上看，在交叉区（75 m）前右侧拱腰处沉降值要大于左侧拱腰处沉降值，而交叉区后左侧拱腰处沉降值开始大于右侧拱腰处沉降值，说明在隧道掘进过程中既有隧道发生了扭转，扭转变形最大值位于下穿区。从C，D曲线上看，既有隧道拱顶处沉降最小、拱底处沉降最大，且大于两侧拱腰处最大沉降值，说明既有隧道在新建隧道开挖过程中同时受到底部隧道及两侧土体的的挤压，隧道衬砌向内变形，整体变为垂直椭圆形。说明在完全穿越既有隧道后，两侧隧道沉降逐渐接近，曲率半径的影响逐渐减弱，坡度的影响不变，扭转效应减弱。同样施工中应重点监控隧道底部位置。

图11 不同截面地表沉降曲线（完全穿越后）

图12 既有隧道竖向位移（完全穿越后）

4 结论

本文以郑州市轨道交通5号线某区间延长线下穿既有地铁隧道线路为工程背景，研究大坡度小曲率半径隧道盾构下穿施工对既有隧道的影响问题，得到以下结论。

1）通过分别对下穿施工前到完全穿越共4种工况的计算分析可以发现，随着盾构施工的推进，隧道沉降值逐渐增大，施工中应该分阶段控制隧道沉降。

2）新建隧道的施工，导致既有隧道断面底部沉降最大，顶部沉降最小，同时由于曲率的影响，两侧沉降呈现出不对称的情况，靠近盾构掘进面的位置沉降较大，说明沉降监测应重点关注隧道底部和两侧。

3）大坡度小曲率半径隧道在完全穿越前，由于隧道曲率的影响，导致的隧道断面沉降出现不对称的情况，隧道产生扭转效应，完全穿越后，扭转效应减弱。