地铁盾构区间隧道近接下穿既有隧道影响研究

秦 帅，黄 杰，陈雾航

（1.南京市城市道路管理中心，南京 210008；2.苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

随着城市地下空间大规模的开发利用，地下环境日渐错综复杂。地铁区间盾构隧道在施工过程中，经常会遇到下穿既有地下结构的情况，施工穿越过程难度及风险也越来越大。在盾构施工过程中，土体产生扰动，引起地表沉降及周围土体的变形，会使临近既有结构产生附加应力和变形，直接影响临近结构与周边环境的安全。为了保证临近地下结构的安全性，采用合理的施工方法并对施工过程中各项指标进行监测显得尤为重要。

目前，针对地铁盾构区间下穿既有地下结构的影响研究已取得了较多的研究成果。熊志浩等采用三维有限差分法建立计算模型，模拟地铁盾构区间隧道下穿既有综合管廊，分析下部盾构隧道在不同交叉角度和不同盾尾注浆压力下，上部结构的变形和影响规律；方勇等采用三维有限元软件模拟了2 条平行隧道的盾构施工过程，监测既有隧道位移、变形和内力，并分析其动态施工过程中的变化规律；许有俊等通过实测数据与三维有限元法，研究在上部地铁车站布置预埋桩基后，盾构近接下穿对上部车站的影响，结果表明，通过在上部车站布置预埋桩基，能够有效控制既有车站的变形；徐前卫等研究了上海外滩观光隧道上穿地铁2 号线2 条平行地铁隧道在复杂工况下盾构掘进施工的土体扰动特点；徐章杰以北京地铁15 号线盾构穿越京承铁路箱涵工程为背景，分析了盾构施工引起既有铁路箱涵变形问题。目前，研究现状大多针对盾构隧道施工对地层影响分析及盾构施工参数影响分析，针对盾构下穿既有结构，研究内容为下穿既有盾构隧道和地下管线，且研究仅针对个别工况，缺少对既有隧道的研究。

本文以南京地铁9 号线近接下穿扬子江大道绿博园隧道工程为研究背景，采用有限差分软件FLAC 3D建立数值模型，模拟地铁盾构区间隧道下穿隧道的施工过程，研究盾构隧道近接下穿过程中，上部既有隧道的变形规律。

1 工程概况

扬子江大道绿博园隧道位于扬子江大道与水西门大街节点处，隧道总长560 m，南侧敞开段长165 m，桩号为K3+645～K3+810，暗埋段长170 m，桩号为K3+810～K3+980，北侧敞开段长225 m，桩号为K3+980～K4+205。隧道分左右双洞，隧道暗埋段高8.1 m，宽30.4 m，隧道路面采用沥青混凝土路面。

隧道主体结构形式敞开段为“U 型槽”结构，暗埋段为矩形单箱双孔框架结构。隧道地基处理采用桩基、抽条加固相结合的方案。主体结构顶板、底板、侧墙、中墙及相关抗拔桩、工程桩均采用C35 混凝土。暗埋段顶板及侧墙厚度为1 m，底板厚度为1.2 m，中隔墙厚度为0.6 m。敞开段侧墙厚度为0.6 m，底板厚度为0.6～1.2 m。二者位置及交叉情况如图1 和图2所示。

图1 地铁9 号线与隧道交叉示意图

图2 相对位置关系剖面示意图

地铁区间隧道设计为内径5.8 m 的双盾构隧道，盾构管片厚度0.4 m。交叉段暗埋段隧道横断面形式如图3 所示。为了减小盾构隧道近接下穿过程中隧道的沉降变形，提高隧道结构的安全性与稳定性，设计时采用三轴深搅桩对隧道结构进行地基加固，搅拌桩为ϕ850@1800，加固平面范围为区间外轮廓线两侧3 m，竖向范围为基坑底标高至-17.32 m，即坑底以下15 m 范围。采用常规的四搅两喷工艺。使用42.5 级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.60，送浆压力0.4～0.6 MPa，水泥掺入量16%（坑底以上虚桩部分水泥掺量8%），深搅桩28 d 的无侧限单轴抗压强度不小于1.0 MPa。交叉段隧洞敞开段横断面情况如图4 所示。

图3 交叉段隧道暗埋段横断面示意图

图4 交叉段隧道敞开段横断面示意图

经勘查，城市地层范围内土体主要为素填土与淤泥质粉质黏土，盾构隧道穿越范围内土体主要为粉质黏土夹粉砂，该层工程地质性能较差，由于混夹大量粉土、粉砂，水平向渗透性明显大于垂向，掘进时易导致地面隆起，出土后易导致地面沉降。

2 盾构施工过程数值模拟

2.1 计算模型的建立

为了较准确地模拟绿博园隧道运营后，新建地铁盾构隧道开挖施工对其的影响，采用专业的有限差分软件FLAC 3D 建立数值模型，进行开挖施工的全过程分析。计算中，土层、绿博园隧道以及新建地铁盾构隧道管片均采用实体单元，各参数按实际取值。

实际工程中，盾构开挖、与土层间的相互影响是较为复杂的，数值模拟时，既要保证计算精度，也要考虑计算效率，因此，需对模型进行简化。根据实际情况并考虑计算精度，本次分析过程中进行了如下几点假定。

1）小变形假设：根据土体变形规律、施工参数影响和变形控制条件等因素，盾构隧道开挖掘进施工所引起的既有隧道结构变形属于小变形问题。

2）对于隧道和盾构管片等混凝土结构而言，在宏观上将其视作匀质、各向同性材料；对于地层，根据前述对于地质条件的描述，假定其为成层的各项同性材料。

3）土体的初始地应力仅考虑自重作用。

4）土体本构模型采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构，混凝土材料采用弹性（Elastic）本构进行模拟。

5）计算时不考虑地下水影响作用。

计算模型的边界条件严格按照隧道开挖影响范围和隧道保护区范围取值，按3～5 倍洞径和隧道50 m 保护区范围考虑，交叉断面模型如图5 所示。根据前述模型计算中关于边界的描述，计算模型尺寸（长×宽×高）分别为：208 m×400 m×50 m，包含单元和节点数量为1 070 000 个和1 475 000 个。

图5 交叉断面模型示意图

2.2 土体及结构力学参数

根据岩土工程详细勘查报告，将一定深度范围内土体力学参数相近的地层进行合并，主要土体自上而下为填土、淤泥质粉质黏土、粉砂、粉质黏土夹粉砂、粉细砂，土体力学参数见表1，具体结构材料性质见表2。

表1 地层土体分布及力学参数

表2 结构计算参数

2.3 数值模拟方案

计算中首先进行地层的初始地应力计算，在正式开始计算隧道开挖的影响之前，进行模型的位移和塑性状态的清除，用以确保最终的计算结果为隧道开挖所产生的附加位移。加固区采用改变相应区域范围内材料参数的方法加以实现，具体参数取自相关文献中关于水泥土搅拌桩的部分。

隧道的开挖采用空模型（null）进行实施。在建模过程中，将盾构管片按照管片宽度进行网格划分（本次计算中取为1.2 m），计算中按照一环管片宽度的进尺掘进直至盾构隧道在计算范围内贯通。对于盾构机顶推力的模拟，计算中采取在开挖面上施加法向应力的方式加以实现。对于双线盾构隧道开挖顺序的考虑，计算中假定一条线开挖完成后，再进行另一条线的开挖。

2.4 计算工况

根据施工工艺和具体的施工进度，模拟时分为10个主要施工步序来考虑，分别为2 线初始开挖、到达隧道、抵达隧道正下方、穿过隧道以及完全贯通。模拟时，根据盾构施工实际路线情况，先掘进大里程段区间（先行线），后掘进小里程段区间（后行线），具体计算施工步序见表3。

表3 计算施工步序

3 结果分析

3.1 施工过程隧道暗埋段沉降分析

不同工况下隧道暗埋段监测点沉降结果如图6所示，各工况下位移云图如图7 所示。计算中考虑了盾构的施工过程，分别给出了两线初始开挖、到达隧道、抵达隧道正下方、穿过隧道，以及完全贯通各个阶段的沉降结果。该断面的计算中首先开挖南线隧道（大里程段），待大里程隧道施工完成后，开挖小里程段隧道。

根据图6 曲线所示，盾构隧道近接下穿施工导致既有隧道发生不均匀沉降变形，由于隧道采用工程桩基础，并在盾构隧道下穿影响部分采用三轴搅拌桩地基加固，隧道底板结构与地基整体性得到了加强，因此盾构施工过程中，沉降最大值位置位于开挖隧道中心线正上方的隧道暗埋段侧墙位置。随着盾构隧道的掘进，沉降位移逐渐增大，当开挖小里程段隧道时，沉降位移进一步增大，且增幅明显，沉降位移最大值增加了约16%，沉降最大值位置转移到小里程段隧道中心线正上方，在小里程段隧道开挖完成工况，沉降位移达到最大值，结构最终沉降最大值为1.23 mm。在施工过程中，应加强对既有隧道的位移监测，确保地铁盾构施工过程中既有隧道的正常使用。

3.2 施工过程隧道敞开段沉降分析

盾构隧道下穿绿博园隧道暗埋段和敞开段交接位置后，侧穿绿博园隧道敞开段。敞开段变形最大工况沉降分布云图如图8 所示。

图8 既有隧道敞开段沉降位移云图

根据敞开段沉降分布云图，最大沉降点位于距离盾构隧道较近的与暗埋段交接位置，最大沉降为-0.64mm，距离盾构隧道较远的敞开段结构沉降较小。表明盾构隧道侧穿影响远小于直接下穿。

4 结论与建议

1）盾构隧道近接下穿隧道施工时，盾构机附近的既有隧道在纵向上产生不均匀沉降变形，沉降最大值位置位于开挖隧道中心线正上方，随着盾构机掘进，既有隧道沉降值逐渐增大，在隧道开挖后行线通过隧道暗埋段时，沉降值达到最大。

2）盾构隧道下穿隧道后，侧穿隧道敞开段期间，敞开段最大沉降位于与暗埋段交接位置侧墙处，表明盾构侧穿影响小于直接下穿。

3）由于隧道设计时采用工程桩和抗拔桩基础，并在盾构下穿影响范围内采用三轴搅拌桩地基加固，隧道沉降范围主要出现在盾构隧道正上方侧墙位置，结构底板与基础整体性有效提高。施工过程中，应加强对隧道侧墙的监控量测，及时调整掘进施工参数，保证既有隧道的安全性与稳定性。