盾构隧道下穿既有市政隧道数值模拟分析

崔玳珲（中铁二十二局集团有限公司，北京 100043）

随着城市地下空间的开发程度的不断加大，新建地铁线路不可避免的需要穿越既有建构筑，对盾构隧道施工提出了较高的变形要求。如控制不当，可能导致严重的经济损失和社会影响。因此，如何保证盾构隧道穿越时建（构）筑物的稳定，是盾构法施工面临的一个重要问题[1]。

学者对盾构施工下穿既有建筑物做了一些研究。杨志勇等[2]介绍了盾构上跨施工控制措施并结合施工参数控制情况对上跨措施的效果进行分析。徐朝辉[3]结合北京地铁 10 号线盾构下穿建筑物工程，介绍了盾构机改造、渣土改良、掘进参数控制、加注新型回填材料、工后处理等技术措施。刘建友等[4]为了合理制定隧道下穿高速铁路的变形控制标准,采用现场调研和统计分析等方法,对高速铁路轨道、扣件及路基的相互作用关系开展研究,提出高速铁路路基沉降控制标准的制定方法。

本文结合工程实际，利用三维有限元模拟分析，并通过关键盾构参数控制研究，达到下穿沉降控制效果要求，可为今后类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 环站南路的隧道概况

环站南路隧道沿环站南路敷设，下穿东宁路、铁路、铁西路路，全长 827 m（含铁路段 218.4 m），按双向 4 车道设计，为城市次干道，设计车速 50 km/h。

环站南路市政段主通道横断面采用矩形框架或 U 形槽。设计道路最大纵坡 4.9%，最小竖曲线半径凸曲线半径R≥1 000 m，凹曲线半径 R≥1 000 m，满足规范要求。在地道内为尽量减少地道埋深同时又兼顾排水采用 0.3% 的纵坡。沿纵向每 15 m设置一道变形缝，并在变形缝位置设置抗剪措施。

环站南路隧道在里程 K0＋664 位置下穿东宁路。此处隧道埋深约 1.4 m，顶板厚度 0.9 m，底板埋深约 9.5 m，底板厚度 1.2 m，侧墙厚度 1.0 m。采用放坡＋工法桩方式开挖基坑。

1.2 地铁结构与市政建筑物相互关系

杭州机场轨道快线工程火车东站站～合建汇合点自明挖区间盾构井始发，沿东宁路北侧敷设，下穿环站南路隧道。环站南路隧道每个结构段设两排各 5 根 φ 800 抗拔桩，区间拱顶距离环站南路隧道底部抗拔桩约 1.0 m，距离 φ 800 立柱桩约 9.0 m。隧道埋深约为 34.0 m。此处盾构所处地层为12-2 含砾中砂层。

1.3 水文地质条件

环站南路隧道所处地层地下水位在0.6～4.7 m，浅层地下水水位年变幅1.0～2.0 m。承压水主要分布12-2 含砾中砂、12-4 圆砾等地层中，6-1、6-2 淤泥质粉质黏土为隔水层。

2 盾构隧道施工数值模型

2.1 计算参数取值

计算断面选取杭州机场线火合区间右线K 3 3 ＋105.327～K33＋146.503，左线 K33＋108.009～K33＋149.335 处。地层为含砾中砂和粉质黏土地层，盾构隧道埋深为 22.5 m，净距为 10 m。地层土性参数见表 1。

表1 地层土性参数表

2.2 计算模型

杭州地铁机场快线火车东站站～合建汇合点区间盾构隧道、环站南路隧道主体结构等均考虑了主要影响区范围并按照实际情况建模。

火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道、环站南路隧道顶板、底板、侧墙、中隔墙、倒虹吸井、通水通道等均采用板单元模拟；隧道下、倒虹吸下桩采用梁单元模拟。管片及环站南路隧道主体结构为钢筋混凝土结构，采用弹性模型模拟，参数见表 2。模型单元个数约 129 178 个，节点个数约73 012 个。图 1 为盾构区间与环站南路隧道位置关系

表2 管片及隧道主体结构模型参数表

图1 盾构区间与环站南路隧道位置关系

2.3 计算阶段设置

计算步骤如下：

（1）初始应力状态，环站南路隧道施工完成后的地层应力分布，生成初始地应力。

（2）位移清零。

（3）火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道左线开挖。

（4）火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道左线施加管片结构。

（5）火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道右线开挖。

（6）火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道右线施加管片结构。

隧道施工模拟分为两个阶段：①隧道开挖不施加衬砌，进行应力释放；②施加隧道衬砌。隧道应力释放数值通过地层损失率达到 0.5% 左右控制。

2.4 盾构隧道施工完成后的数值计算结果

根据数值模拟计算，火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道左线施工完成后，环站南路隧道桩体的最大竖向变形2.4 mm，最大水平变形 0.62 mm，满足变形控制要求。

火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道右线施工完成后，环站南路隧道的最大竖向变形 3.2 mm，最大水平变形0.78 mm，满足变形控制要求。

火车东站站—合建汇合点区间盾构隧道施工引起环站南路隧道结构内力发生变化，典型断面的内力数值如表 3所示。

表3 环站南路隧道结构内力表

盾构隧道施工引起环站南路隧道结构内力发生变化，根据既有隧道结构钢筋配置情况，盾构穿越后环站南路隧道结构配筋和裂缝均满足控制要求。

2.5 现场监测结果及对比分析

施工过程中在火合区间盾构隧道穿越环站南路隧道期间在环站南路隧道结构上布点进行了施工监测，底板处左右线盾构隧道施工完成 30 d 后累计沉降值监测结果如图 2 所示。

图2 环站南路隧道底板沉降对比

图 2 中实测数据与数值模拟数据对比可见，盾构隧道施工对环站南路的影响实际监测值与数值模拟结果曲线规律一致。数值模拟最大沉降值比实测数据略大，隧道最大沉降值点均位于右线隧道附近。这是由于环站南路靠近左线隧道以及倒虹吸井处设置有桩基起到了支撑作用，有效减小了隧道上方土体的沉降变形对有桩基段的结构变形的影响。本工程施工过程平稳顺利，实测累计最大沉降值 -3.03 mm，现场巡查环站南路隧道及路面结构未发现裂缝等现象。

3 盾构穿越既有隧道的施工措施

本工程施工过程中采取了以下施工措施：

（1）工程开工前，对环站南路隧道结构进行检测，确定其安全状态。工程完成后，再次对隧道结构进行检测，判定结构是否安全及是否需采取加固措施；穿越前做好安全鉴定、保留好原始影像资料，做好监测点布置工作。对于区间穿越前已存在的隧道病害，需在保留原始资料的基础上密切关注，待区间通过后进行修复。

（2）根据环站南路隧道竣工图进一步核实隧道围护结构的结构形式、立柱桩的定位、桩长以及抗拔桩形式与桩长，保证区间隧道顺利通过市政隧道。

（3）盾构在下穿隧道之前，在类似地层中进行盾构试推进，试验段长度 ≥100 m。掌握盾构机推进各项关键参数与地面沉降之间的关系。以保证地面的安全。试验段推进速度控制在 2 cm/min 左右,盾构隧道施工地层损失率 ≤5‰。

（4）以往工程经验表明，盾构隧道非正常掘进的故障和事故导致地层大量损失或地下水位下降是导致建构筑物沉降、倾斜、开裂的主要原因。因此在穿越前应做好检修、保养等工作，避免在穿越过程中停机，确保盾构匀速连续掘进穿越环站南路隧道范围。

（5）区间左右线不得同步推进，前后距离宜按 100 环以上控制，避免同时影响桥梁。

（6）穿越环站南路隧道范围区间管片上增设注浆孔，施工过程中做好同步注浆及二次补充注浆工作，以控制工后沉降。

（7）施工期前补充专项施工方案，完善应急预案，对环站南路隧道结构沉降进行实时动态监测，并定期进行巡查，根据监测结果信息化指导现场施工，确保市政设施安全。市政隧道沉降控制值建议按如下要求设置：单日沉降2 mm，累计沉降 8 mm。监测数值达到控制值 60% 启动预警，达到控制值的 80% 时进行报警，暂停施工，并通知参建各方共同针对隧道保护进行洽商。

（8）盾构施工参数建议如下。

①土压设定：土压平衡盾构机土压力的设定是关键，可按下式进行设定，并根据监测数据进行调整，如式（1）所示。

式中：P0—平衡压力（包括地下水）；

H—隧道埋深，m；

γ—土体的平均重度，kN/m3;

q—地面超载，kPa；

k0—土的静止侧压力系数，取 0.6～0.8。推进出土量：控制在 98%～100% 之间。推进速度：宜控制在 35～50 mm/min。②刀盘扭矩。设计刀盘转速为 1.2～1.5 rpm，无级、可调，推力根据所处地层不同情况采用 14 000～18 000 kN。刀盘转速=掘进速度/刀具贯入度。在黏土层、淤泥质黏土地层中掘进，尤其是穿越构建筑物时，关键是要稳定开挖面，合理控制刀盘扭矩，避免渣土堆积在刀盘面板和土仓内，受到长期挤压失水后形成泥饼。为了增强渣土的流塑性、减小渣土的粘附性，在掘进过程中可注入泡沫来改良土体。

③注浆填充。盾构推进过程中应充填足量的浆液材料。充填注浆参数（浆液配比、注浆量、注浆压力及注浆时机等）根据地质条件确定。所拌制的同步浆液应满足泵送要求。浆液稠度建议控制在 10～11 cm，密度控制值1.75±0.5 g/cm3。同时应根据监测数据及时进行壁后二次补浆，确保周边建构筑安全。

4 结 语

本文根据数值模拟计算并结合现场实测数据分析了盾构穿越对环站南路隧道的变形和受力影响。得出地层损失率为0.5% 左右的情况下盾构施工对上部结构的影响在相关规范要求范围内。盾构穿越既有建构筑物的关键是控制地层损失率，减小对地层的扰动。同时，总结了本工程盾构施工成功经验，针对盾构穿越过程中的施工措施及盾构控制参数提出了一些建议，可对类似盾构穿越工程施工提供参考。