隧道不同收敛模式穿越既有隧道对比分析

谷雪影

隧道不同收敛模式穿越既有隧道对比分析

谷雪影

文章采用位移控制法建立有限元模型，分析4种不同收敛模式下新建隧道上、下穿越既有隧道时对既有隧道应力、位移的影响。结果表明，收敛模式1，放大了上穿施工对既有隧道的影响，对下穿施工对既有隧道的影响估计不足；收敛模式2、3，隧道底位移为0，弱化了上穿施工对既有隧道的影响；收敛模式4，隧道底位移不为0，隧道顶位移大于隧道底位移，与实际情况接近。因此，在新建隧道上穿既有隧道计算中建议选择收敛模式4，在新建隧道下穿既有隧道计算中应避免选用收敛模式1，可选择收敛模式2、3、4。

盾构；隧道；收敛模式；穿越施工；对比分析

0 引言

近年来，我国大中型城市地铁建设规模日益增长，随之而来的工程环境问题不可忽视，隧道开挖引起的地层位移便是其中之一。上海等软土地区地铁网线逐渐加密，近距离穿越既有运营隧道的盾构施工不可避免，这为运营地铁结构安全保护提出了新的要求。已有国内外学者对近距离穿越问题开展深入研究，研究方法有实测、数值计算、理论分析等。数值方法中隧道开挖主要方法分为应力控制法和位移控制法。应力控制法通常采用单元生死来模拟隧道开挖，通过开挖边界施加反向力以模拟土体应力释放，这种方法可以精细地模拟土体开挖、注浆、盾构推进等施工环节，但难以实现给定地层损失率下的开挖模拟。位移控制法采用给隧道轮廓施加位移边界的方法模拟应力释放过程，解决了应力控制法无法模拟既定地层损失率的问题。位移控制方法中地层收敛模式可分为均匀收敛和不均匀收敛，图1中，收敛模式1是均匀收敛，收敛模式2、3、4是非均匀收敛。前人研究表明，收敛模式2比收敛模式1更加合理，故现有研究多以收敛模式2模拟隧道开挖，即，假定隧道顶部收缩最大，而隧道底部不发生位移。但是，对于上、下穿越既有隧道的盾构施工，相同地层损失率下，选定不同的收敛模式计算对既有隧道产生的影响结果必然差异较大。以上穿为例，如采用收敛模式2，新建隧道底部位移为0，人为减少了对下方既有隧道的影响。因此，有必要针对新建隧道上、下越穿2种工况分别研究更合适的收敛模式。

本文以苏州轨道交通1号线为工程背景，采用有限元方法，计算不同收敛模式下，新建隧道上、下穿越既有隧道对既有隧道产生的影响，为相邻隧道的穿越设计和施工提供参考。

1 计算模型

苏州轨道交通1号线路全长约25.74 km，平均埋深约15 m。全线共设24个车站，均为地下车站。根据苏州轨道交通1号线的实际情况，建立新建隧道上、下穿越1号线既有隧道的有限元计算模型（图2）。1号线既有隧道横断面位于XZ平面内，纵轴平行于坐标Y轴。新建隧道正交穿越既有隧道，横断面位于YZ平面内，纵轴平行于坐标X轴。X和Y方向尺寸均为100 m，Z方向尺寸为60 m。模型四周约束水平向位移，底部约束竖向位移，顶面为自由面。既有隧道顶部埋深15 m，外径6.2 m，管片厚度0.35 m，采用C50预制钢筋混凝土管片。计算模型土层依据苏州地区的某开发地块项目的地层性质，共分11层，土体采用摩尔-库伦模型，具体参数见表1。隧道管片采用线弹性模拟，弹性模量为35.5 GPa，泊松比为0.16。土体和管片均采用8节点四面体实体单元模拟。

图1 隧道开挖后的不同收敛摸式

图2 新建隧道上下穿越既有隧道计算模型

表1 土层参数表

2 既有隧道受力变形计算分析

2.1 新建隧道收敛模式曲线

本文新建隧道开挖边界条件采用图1中的4种收敛模式，根据有关文献，地层损失率一般在0.2%～2%，本次计算取地层损失率为1%。4种收敛模式对应的收敛曲线如下：

收敛模式1：

收敛模式2：

收敛模式3：

收敛模式4：

式（1）～（6）中，ur为收敛曲线；θ为极坐标；g为土体损失间隙参数；ε为地层损失率。

2.2 新建隧道上穿时既有隧道受力变形

2.2.1 既有隧道位移

图3给出了新建隧道以4种收敛模式上穿既有隧道施工时，既有隧道竖向位移分布曲线。图3中横坐标为既有隧道纵向长度（这里选取既有隧道计算长度100 m），在横坐标50 m处为既有隧道中间对称截面。由图3可见：

图3 新建隧道上穿施工时既有隧道竖向位移分布曲线

（1）收敛模式1。由于收敛模式1假定新建隧道底部产生竖向隆起，其下方的既有隧道将产生较大的隆起量，计算结果表明其最大值约为9 mm，发生在2隧道空间交叉位置；

（2）收敛模式2、3。收敛模式2和收敛模式3假定新建隧道底部位移为0，故对其下方既有隧道影响非常小。事实上新建隧道开挖必然存在底部的隆起，计算结果也表明收敛模式2、3情况下新建隧道净距1 m上穿既有隧道时，既有隧道位移绝对值在2 mm以内。实际情况中新建隧道净距1 m上穿既有隧道是较危险的工况，故收敛模式2和收敛模式3显然与实际情况不符；

（3）收敛模式4。收敛模式4同样假定隧道底部产生隆起，故既有隧道发生隆起，计算结果表明其隆起量约为2.7 mm，其隆起量和隆起范围均远小于收敛模式1的隆起量和隆起范围。

2.2.2 既有隧道应力

图4给出了新建隧道以4种收敛模式上穿既有隧道施工时，既有隧道最大主应力对比曲线。

图4 4种收敛模式下既有隧道最大主应力（上穿）

（1）新建隧道以收敛模式1上穿既有隧道施工时，既有隧道最大主应力为3.6 MPa，收敛模式1放大了新建隧道上穿施工对既有隧道的影响；

（2）新建隧道以收敛模式2、3上穿既有隧道施工时，既有隧道最大主应力最小，约为0.4～0.6 MPa，显然收敛模式2、3弱化了新建隧道上穿施工对既有隧道的影响，与实际不符；

（3）新建隧道以收敛模式4上穿既有隧道施工时，既有隧道最大主应力为2 MPa，较敛模式1小，较敛模式2、3大，较为合理。

综上所述，在新建隧道上穿既有隧道计算中建议选择收敛模式4。

2.3 新建隧道下穿时既有隧道受力变形

2.3.1 既有隧道位移

新建隧道下穿既有隧道施工，新建隧道顶部的位移对于既有隧道的变形将会产生较大影响。图5给出了新建隧道以4种收敛模式下穿既有隧道施工时，既有隧道竖向位移分布曲线。由图5可见，新建隧道下穿时既有隧道竖向发生沉降，且呈沉降漏斗形态。

图5 新建隧道下穿施工时既有隧道竖向位移分布曲线

收敛模式1情况下，既有隧道竖向位移最大值约为9 mm；收敛模式2、3、4情况下既有隧道竖向位移量接近，最大值约为16～18 mm。收敛模式1情况下的既有隧道竖向位移约为收敛模式2、3、4情况下的1/2，可见，收敛模式1对新建隧道下穿既有隧道施工的影响估计不足。

2.3.2 既有隧道应力

图6给出了新建隧道以4种收敛模式下穿既有隧道施工时，既有隧道最大主应力对比曲线。

图6 4种收敛模式下既有隧道最大主应力（下穿）

收敛模式1情况下既有隧道最大主应力为2.7 MPa，为4种收敛模式中最小。收敛模式2情况下既有隧道最大主应力为6.0 MPa，为4种收敛模式中最大。收敛模式3情况下既有隧道最大主应力为5.8 MPa，收敛模式4情况下既有隧道最大主应力为5.7 MPa，与收敛模式2、3相差不大。

日本《接近既有隧道施工对策指南》中规定，新建隧道上穿既有隧道施工限制的范围是1.5D（D为新建隧道外径），新建隧道下穿既有隧道施工限制的范围是2.0D（注：限制范围指由于新建结构物的施工，对既有结构物的变形和位移有影响，或采取对策或变更计划的范围）。这表明，同样竖向距离时，新建隧道下穿施工比上穿施工更加危险。而收敛模式1情况下既有隧道主应力最小，并且位移也最小，明显弱化了下穿施工对既有隧道的影响。收敛模式2、3、4情况下隧道最大主应力、位移较为接近，均可以用来模拟新建隧道下穿施工。

综上所述，在新建隧道下穿既有隧道计算中应避免选用收敛模式1，可选择收敛模式2、3、4。

3 结论

新建隧道上、下穿既有隧道施工中，不同的收敛摸式对于既有隧道的位移和应力均有较大的影响。新建隧道上、下穿施工会引起既有隧道出现向上或向下变形，相同地层损失率情况下变形量受收敛模式控制。对于上穿情况，收敛模式1放大了上穿施工对既有隧道的影响，而对下穿施工对既有隧道的影响估计不足；收敛模式2、3的新建隧道底部位移为0，弱化了上穿施工对既有隧道的影响；收敛模式4的隧道底位移不为0，隧道顶位移大于隧道底位移，与实际情况接近。因此，在新建隧道上穿既有隧道计算中建议选择收敛模式4，在新建隧道下穿既有隧道计算中应避免选用收敛模式1，可选择收敛模式2、3、4。

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责任编辑 朱开明

Comparison and Analysis of Different Convergence Modes of Tunnel Crossing Existing Tunnels

Gu Xueying

This paper establishes the finite element model by using displacement method and analyzes the influence of the 4 different convergence patterns of stress and displacement of tunnels under the conditions of new tunnels under-crossing or over-crossing existing tunnels. The results show that the convergence pattern 1, the impact of the construction of over-crossing existing tunnels is exaggerated, while the impact of the tunnel under-crossing construction is belittled. The convergence patterns 2 and 3, the displacement of the tunnel bottom is 0, which impact of the over crossing construction on the existing tunnels is neglected. For the convergence pattern 4, the displacement of the tunnel bottom is not 0.the displacement at the roof is bigger than the displacement of the tunnel bottom and the actual situation is very close to this fact. Therefore, in the new tunnel over-crossing construction calculation, it is suggested to select the convergence pattern 4. The selection in the calculation of the new tunnel undercrossing the existing tunnel should avoid to use convergence pattern 1, it recommends to use the convergence patterns 2, 3, and 4.

shield tunnel, convergence pattern, crossing construction, comparative analysis

U452.12

2015-01-13

谷雪影：上海同岩土木工程科技有限公司，硕士，上海 200092