盾构上穿既有隧道影响及加固分析

2022-07-27阮承志石海斌于万友黄大维

华东交通大学学报 2022年3期

阮承志，石海斌，于万友，黄大维

（1.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300；2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西南昌 330013）

目前，国内外学者针对隧道穿越与施工影响方面已经做了一系列研究。杨芝璐等[1]，何川等[2]，王超东等[3]研究了不同叠交角度下新建隧道对既有隧道的影响规律，发现载荷一定的情况下叠交角度越小，既有隧道变形越大；张轩等[4]，Xia 等[5]利用数值仿真软件分析了隧道施工对沿线构筑物的影响；张斌等[6]通过对地层损失率的研究，对大直径盾构隧道产生的应力释放与地表位移进行了分析研究；孙廉威[7]通过改变模型参数研究了不同工况既有地下管线存在下的开挖面失稳机制。张岳强[8]，董礼[9]，Aygar 等[10]，Liang 等[11]对盾构机穿越隧道与构筑物时产生的风险进行分析，并提出相应的解决办法。潘涛[12]对盾构近距离上穿运营隧道的变形规律进行探索，综合考虑既有隧道的纵向与水平变形，提出了最佳的盾构掘进速度。王超东等[13]采用室内模型实验模拟了新建隧道斜交既有隧道的工况，研究了施工对既有隧道自身结构及周围土体的影响。李小奇等[14]，吴凡[15]基于不同工况提出了下穿施工时不同上部构筑物的加固方案，并对其加固效果进行了分析。

由于既有隧道埋设深度的限制，为了保证与既有隧道之间的安全距离，新建隧道下穿既有隧道工况较多，这也就导致目前的研究具有一定的局限性，大部分研究针对的是新建隧道下穿的工况，而隧道上穿的工况研究的较少。为此本文依托某城市某地铁停车场出入线盾构隧道上穿既有盾构隧道工程，考虑盾构机的超载作用，研究新建隧道上穿施工对既有隧道管片变形的影响，并对不同穿越角度下既有隧道的变形进行分析。同时结合模拟加固的分析情况，对现场施工提出了相应的加固措施。

1 工程概况

1.1 穿越段位置关系

某城市某地铁停车场出入线新建隧道采用明挖法与盾构法相结合的方式进行施工。先进行明挖段施工，在明挖施工完成后，接明挖段终点进行盾构施工。盾构施工段左线隧道穿越既有隧道起点为管片L54 环；右线隧道穿越既有隧道起点为管片R80 环。出入线既有隧道为斜交状态，左右线起点处与既有隧道夹角约为18°，其终点处与既有隧道夹角约为33°，见图1。

图1 新建隧道与既有隧道平面关系Fig.1 Plane relationship between new tunnel and existing tunnel

整个盾构区间采用φ6 280 mm 土压平衡式盾构机进行施工，管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，每环管片幅宽为1.2 m。为避免双线同时施工对下部既有隧道的影响产生叠加，尽量减小上部隧道施工对下部隧道造成的影响，采用双线分离的施工方法。左线从L54 环先行施工，推进至L94 环后，右线从R80 环开始施工。

1.2 穿越地层环境

盾构区间所处地区为典型砂性土地层，地形相对平坦，区域地质构造较为稳定。区域土层种类较多，大致表现为上软下硬。经过现场勘测，将土层依次划分为杂填土、粉质粘土、细砂、砾砂、泥质粉砂岩，各土层物理力学参数如表1 所示。工程穿越段地层条件较为复杂，穿越土层较多，穿越段土层分布及隧道剖面位置关系如图2 所示。从图中可以看出，新建盾构隧道位于细砂层及砾砂层之间，既有盾构隧道整体位于砾砂地层中。新建隧道左右线间距为9.29 m，隧道竖向埋深8.5 m。新旧隧道之间距离较近，与下部既有正线隧道最小竖向净距2.8 m。

图2 新建隧道与既有隧道地层关系图（单位：m）Fig.2 Stratum relation diagram of tunnel（Unit：m）

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

2 盾构穿越数值模拟

2.1 模型建立与参数设置

根据新建隧道与既有隧道间的空间位置关系，采用有限元软件对穿越段施工过程进行模拟，研究盾构机上部开挖过程中不同相对位置的下部既有盾构隧道管片的变形情况。如图3（a）所示，所建立的模型长、宽、高分别为142，110，36 m。为了确保模型计算的准确性，土层设置参数均采用现场实测的土体参数，各层土体的具体参数及设置厚度如表1及图1 所示。模型顶部设置为自由边界，对模型四周施加法向约束，对模型底部则同时施加法向及切向约束。为了能够合理地反映地层变化的趋势，消除常用的摩尔库伦本构卸载回弹导致地面隆起变形偏大的问题，采用修正摩尔库伦本构[16]进行土体的模拟。

选取与既有隧道叠交并对既有隧道影响较大的环数建立对应的开挖模型，并模拟盾构机开挖过程，如图3（b）所示。模拟对应的实际环号为：左线L54～L109 环，右线R80～R135 环。现场施工时为避免双线同时施工对下部既有隧道造成影响过大，采用左线先行施工的双线分离施工模式。因此，模拟工况采用相同的施工方式，左线施工40 环后右线再进行施工。实际工程中新建隧道对既有隧道左线与右线均有影响，为简化计算，仅选取与新建隧道叠交的既有隧道左线为研究对象，同时不考虑地下水渗流的影响。

根据模型内各部分的材料性质，模型内的土体及注浆层均采用实体单元进行模拟，盾构隧道管片及盾壳等采用板单元进行模拟。考虑到管片环的连接接缝对管片结构的影响，将横向管片刚度进行0.85 倍的刚度折减进行计算[17-18]。不考虑盾构刀盘的切削作用，采用板单元建立盾构机刀盘模型，模拟其对土体的支护作用。建立盾壳长度为7.2 m，盾构隧道每次开挖1 环管片，即每次开挖长度为1.2 m。通过在盾壳单元钝化的同时设置对应的管片单元，模拟管片脱出盾尾的过程。在管片脱出盾尾的同时在管片外部的土体施加注浆压力，并赋予其浆液属性，模拟同步注浆对土层的影响。在既有隧道段上选取与新建隧道不同位置关系的3 环管片作为研究对象，选取进行研究的既有隧道断面如图3（b）所示，分别为位于新建隧道左线正下方的135 环，位于左右两线之间的153 环以及位于右线正下方的162 环。通过选取3 个典型断面，对既有隧道不同区域内的管片在不同施工阶段的变形进行模拟研究。由于设置施工阶段较多，为简化计算，选取接近3 个断面的100 环施工过程进行数据采集，即图3（b）中利用绿色填充的L54～L109 环以及R80～R135 环。

图3 盾构穿越有限元模型图Fig.3 Finite element model of shield tunneling

2.2 模拟结果及分析

为研究上部隧道穿越施工对下部隧道不同区域的影响，选取既有隧道中3 个典型断面的竖向变形值进行分析。对每环施工后3 个断面的竖向变形值进行统计，可以得到不同施工环节不同位置的既有隧道的竖向变形曲线。

2.2.1 左线穿越影响

新建隧道左线盾构机先行施工，选择的模拟断面中左线的模拟环数为L54～L109，其中L54～L109环仅为左线施工，既有隧道仅受左线施工的影响，此时既有隧道的3 个监测断面产生的竖向变形如图4 所示。图4 显示初始阶段盾构机开挖面位于新建隧道L54 环，此时上部施工距离既有隧道135 环较近，因此除135 环竖向变形值较大，为1.5 mm 以外，距离施工面距离较远的153 环及162 环竖向变形值基本为0。盾构机继续沿着左线推进，上部施工对下方土体及既有隧道结构产生扰动，在上部荷载的作用下既有隧道产生向下的竖向变形。随着开挖面逐渐接近既有隧道135 环，当盾构机位于135 环正上方（图中第5～11 环）时，其竖向变形值迅速增大，最大变形值约为6.2 mm。而在上部施工的影响下，153 环及162 环也产生了不同程度的竖向变形，但从图中可以看出，其余两环受到的影响相对较小，距离开挖面最远的162 环竖向变形并未超过1 mm。继续施工至第15 环时，此时隧道产生的竖向变形达到最大，为6.4 mm。如图4 所示，盾构施工至第14～19 环，新建隧道左线开挖面位于153 环附近，从图3（b）可以看出153 环位于新建隧道的斜下方，与新建隧道正下方的135 环相比，由于叠交角度的不同，153 环产生的竖向变形相对较小。同样的，当盾构开挖至162 环上方（图4 中第21～27 环），也并未发生较大变形。当施工继续进行，距离监测断面一定距离后，随着施工断面逐渐远离，土体发生卸载回弹，既有隧道在竖直方向上会发生一定程度的回弹变形。以135 环为例，当盾构掘进至16 环后，既有隧道上方荷载减小并发生卸载，同时在一定程度上引起隧道整体回弹，从图中可以看出，至第40 环开挖时，与之前相比，135 环变形回弹0.5 mm。

图4 左线施工竖向位移图Fig.4 Vertical displacement diagram of left line construction

3 个监测断面所处的空间位置分布进行考虑，135 环距离左线施工较近，并位于左线施工段正下方，153 环及162 环均距离较远，位于左线施工段斜下方，从盾构机分别开挖至3 个监测断面最近点时对既有隧道产生的影响可以看出，新建隧道上穿施工时，对隧道正下方的叠交部分影响较为明显，对于斜交的部分影响较小。

2.2.2 右线穿越影响

当新建隧道左线施工至L94 环，隧道右线施工至图5 中的初始阶段，此后既有隧道同时受到左线施工与右线施工的同时作用。在右线施工的影响下，3 个监测断面均迅速产生竖向变形。图5 中43～50 环为新建隧道右线施工至135 环附近时监测断面的变形情况。此时开挖面位于135 环斜上方，由于叠交角度的影响，与左线施工相比较而言，右线施工产生的影响较小。右线继续施工至153 环斜上方，即图5 中的52～58 环，此时153 环受到右线施工的影响，产生了较大的竖向变形。与135 环相比，153 环与右线距离较近，因此其变形程度大于153环。而从162 环右线开挖后产生的大幅度变形来看，位于右线正下方的162 环受右线施工影响更大，由此可以看出，正下方的既有隧道管片受施工影响更为严重。与左线开挖类似的，3 个监测环在盾构机远离后均会产生一定的卸载回弹，此时会令既有盾构隧道管片产生二次变形，不利于隧道防护。

图5 全线施工竖向位移图Fig.5 Vertical displacement diagram of whole line construction

3 个监测环最终整体呈现相似的变化规律，其中盾构施工从正上方通过的135 环及162 环在对应施工时所产生的竖向变形较大，而位于两个施工段中间的153 环产生的竖向变形较小。因此可以看出，叠交角度会对下穿隧道竖向位移产生较大影响，施工段正下方的隧道管片会受到更大影响，而斜下方的隧道受到的影响较小。根据此特点，可以选择性地对施工段正下方既有隧道进行加固，从而降低施工成本。

3 隧道加固模拟

3.1 既有隧道加固模拟

根据上述分析，左线及右线的开挖均会对既有隧道产生较大影响，为保证施工顺利进行，需要对既有隧道进行加固。采取注浆加固隧道后的土体以及加固隧道管片相结合的方法，并对此工况进行模拟分析。不考虑加固方法对既有隧道管片之间的连接产生的影响，对既有隧道管片加固后的刚度进行换算，采用1.5 倍的管片刚度进行计算，同时在既有隧道上方建立一层注浆区。隧道注浆加固模拟如图6 所示，将现有隧道上部120°范围内的土体进行注浆加固，建立注浆加固层，并对加固后的隧道进行仿真分析。

图6 隧道注浆加固模拟Fig.6 Simulation of tunnel grouting reinforcement

如图7 所示，为隧道加固后的竖向位移图。与加固前的竖向位移图进行对比，可以看出隧道整体变化趋势未有较大变化，且同样呈现出下沉趋势，3 个检测断面的最终竖向变形分别为4.527，3.963 97，4.463 6 mm，相比较加固之前的最终竖向位移7.389 8，6.261 6 mm 以及6.861 9 mm，可以看出其发生的竖向变形显著减小，说明该加固措施能够较为有效地抑制下部既有隧道的竖向变形。此外，从图7可以看出，3 个监测管片环的最终竖向位移值更为接近，尤其是135 环与162 环，两者的竖向位移近乎相等。加固后的既有隧道竖向位移在施工完成后回弹趋势更小，而以135 环为例，当右线施工远离隧道断面，图中65 环后，回弹值与之前相比有所减少，可以看出加固措施可以较为有效抑制隧道的变形。

图7 加固后竖向位移图Fig.7 Vertical displacement diagram after reinforcement

3.2 既有隧道管片现场加固

根据上述模拟结果，对既有隧道的加固提出建议，一般而言，加固主要包括隧道管片自身的加固以及隧道周围土体的加固。其中，隧道管片自身的加固可以增加管片的抗变形能力，减少隧道自身产生的变形。一般采用在已有支护的基础上再添加一层支护进行加固的方法，但是此方法人力物力耗费较大。考虑到本项目中既有盾构隧道仍未开通运营，因此在既有隧道内部布设由20b 工字钢及10 槽钢焊接而成的钢支撑环进行加固，如图8 所示。既有隧道上部土体的加固则可以降低上部施工对下部隧道的影响，为了加强既有隧道与新建隧道之间土体的强度，减小上部隧道施工对既有隧道的扰动程度，在既有隧道拱顶壁后120°范围内的土体进行了注浆加固，加固采用的浆液是水泥水玻璃双液注浆材料。