盾构双线隧道下穿通信铁塔近接影响分析

张社荣，冯晓成，于　茂，王　超

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津　300072; 2.天津大学建筑工程学院，天津　300072)



盾构双线隧道下穿通信铁塔近接影响分析

张社荣1，2，冯晓成1，2，于茂1，2，王超1，2

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072; 2.天津大学建筑工程学院，天津300072)

摘要：地铁双线隧道盾构下穿通信铁塔，风险程度较高。研究盾构近接施工对铁塔位移的影响，对于保证施工中铁塔稳定具有重要意义。以天津地铁6号线盾构隧道下穿通信铁塔为例，通过有限元数值分析软件ABAQUS对盾构施工过程进行模拟。将地表沉降计算值与地表实测值进行对比，验证盾构模拟的合理性。对地铁双线隧道不同位置处下穿通信铁塔时铁塔位移变化进行研究，得到各位置处铁塔位移分布规律。同时分析铁塔受影响较大区域，结果表明在左线隧道开挖过程中，距隧道中心2倍洞径范围内铁塔受影响程度最大；右线隧道开挖过程中，左线隧道左侧2倍洞径至右线隧道右侧2倍洞径范围内铁塔受影响程度最大。

关键词：盾构；双线隧道；通信铁塔；数值分析

1概述

随着我国经济的发展以及城市化进程的加剧，地铁工程迅速发展，隧道盾构施工下穿既有构筑物的现象越来越多。地铁隧道施工过程中会对周边土体产生扰动，引起不同程度的地表变形问题，进而可能威胁临近构筑物的安全。双线平行隧道盾构施工中，受左、右线隧道的共同作用，地表变形较为复杂。地铁双线隧道盾构下穿通信铁塔施工过程中受地表变形影响，铁塔容易发生倾斜，严重时甚至发生倾覆[1]，直接关系到铁路无线通信信号的稳定以及周边列车及行人的安全[2]。因此，针对双线隧道盾构施工对地表及既有构筑物影响以及地下开挖对铁塔变形影响等问题学者们展开了较多的研究。朱双厅等[3]、曲强等[4]基于风险分析理论，依托现场实测，对隧道施工过程中各盾构参数进行调控，保证了下穿既有铁路的安全性；张天明[5]对盾构施工过程中周围土体的影响进行了分析，提出了控制地层沉降的相应措施；张文正[6]以某地铁双线隧道盾构下穿北京西站为例，基于ANSYS软件对上覆建筑物变形进行了分析，得出随隧道开挖的进行既有构筑物沉降值不断增大的结论；张社荣等[7]考虑渗流耦合条件，对软土地区盾构隧道施工过程进行三维数值模拟，得出施工过程中距开挖面3～4倍洞径范围内土体变形较大的结论；姜晓婷等[8]、彭畅等[9]对隧道盾构掘进过程进行数值模拟，分析了隧道开挖对既有构筑物倾斜的影响；徐茂兵[10]以深圳地铁隧道下穿铁塔工程为背景，从施工技术、结构安全等方面对加固方案进行了对比，确定了地表桩基托换的加固方案；黄沛[11]依托桑浦山隧道出口段工程，以三台阶七步开挖法为隧道施工方式，对隧道下穿铁塔工程进行数值模拟，得出在铁塔正下方开挖的阶段，铁塔沉降与位移占总沉降与总位移的75%左右的结论；杨元洪[12]、张华林[13]依托李家冲隧道下穿输电铁塔工程，采用三台阶留核心土法模拟了隧道下穿铁塔施工过程，分析了上覆铁塔与隧道施工相互之间的影响及规律，研究了单洞施工条件下隧道下穿输电铁塔过程中铁塔位置、隧道洞径等对铁塔变形的影响。总体来看，隧道盾构施工对地表及既有构筑物影响以及地下开挖对铁塔变形影响等问题研究较多，但对地铁双线隧道盾构下穿通信铁塔方面的研究较少，盾构下穿铁塔过程中铁塔位移变化规律有待进一步研究。

结合天津地铁6号线双圆隧道盾构下穿天津西站站场通信铁塔的工程实例，研究地铁双线隧道在不同位置处下穿通信铁塔时铁塔位移规律，探究施工过程中铁塔受影响程度较大区域，对于隧道下穿通信铁塔工程设计、施工，保证施工中铁塔稳定具有重要参考意义。

2工程概况

天津地铁6号线北竹林站—西站站盾构区间为平行双线隧道，工程由北竹林站向西站站方向推进，依次下穿津沪高铁、津秦高铁、京津城际联络线等天津西站站场重要设施。津秦高铁与城际联络线中部过渡段落，设有通信基站一处，基站内共设通信铁塔、箱式变电站、通信基站机房三处构筑物。以通信铁塔为对象进行研究，分析双线隧道在不同位置处下穿铁塔时对铁塔的影响。天津地铁6号线下穿天津西站站场示意如图1所示。

图1　天津地铁6号线下穿天津西站站场示意

3盾构施工的模拟

3.1三维数值模型

如图2所示，隧道内径为5.5 m，隧道中心埋深为18.8 m，左、右线隧道相距17 m，选取沿盾构掘进方向160 m范围内的土体作为盾构穿越影响分析的计算模型，且自隧道中心向两侧及下部各延伸40 m(至少6倍洞径)，建立三维数值模型。隧道管片内半径为2.75 m，管片厚度0.35 m，等效层厚度分别为(超挖、盾壳、操作间隙)1、5、1 cm。通信铁塔为自立式角钢塔，高度为25 m，根开为3.5 m，铁塔基础为圆柱形，埋深4.0 m。模型共划分175 776个单元及157 705个节点。计算中实体单元采用C3D8P模拟，铁塔及塔基采用B31模拟。塔基与周围土体进行耦合，与铁塔连接处共节点。

坐标系如图2(a)所示，x轴与隧道轴线方向垂直，以沿隧道掘进方向向右为正；y轴沿隧道轴线方向，以盾构掘进方向为正；z向为竖直方向。模型四周为法向约束，底部施加全约束，上部表面为自由表面。计算中考虑土体渗流，地下水位线所在的面为自由边界，其孔隙水压力为零，四周以及底部边界为不透水边界。本工程穿越地段主要有粉质黏土、粉土、粉砂等，采用修正剑桥本构，其材料参数如表1所示。铁塔及塔基截面属性及材料参数见表2。

图2　双线隧道盾构下穿通信铁塔有限元模型示意(单位：m)

材料层厚/m密度/(kg/m3)干密度/(kg/m3)泊松比λκM孔隙率渗透系数/(m/s)杂填土1.3191014310.30.070.0041.240.9471.1E-7粉质黏土13.3198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉土4.2198016780.30.040.0021.200.6461.1E-7粉质黏土7.2198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉土5.0198016780.30.040.0021.200.6461.1E-7粉砂4.8197014760.250.040.0021.200.8741.1E-6粉质黏土4.8198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉砂16.0197014760.250.040.0021.200.8741.1E-6

表2　铁塔及基础截面属性和材料参数

3.2盾构掘进过程的模拟方法

采用生死单元法分步移除和激活不同区域及材料的单元，实现盾构掘进过程的动态模拟。盾构中每次向前推进一环，盾首周围相应土体单元变为盾构单元和超挖间隙单元。尾部盾构单元变为盾尾空隙单元，同时激活一环管片单元，而盾尾的间隙单元(包括：超挖间隙单元、盾尾空隙单元和操作间隙单元)则同步变为注浆单元(图3)。

图3　盾构模拟单元材料示意

在材料模拟方面，盾构开挖后的土体单元采用空模型；盾壳、管片衬砌采用线弹性本构，用实体单元模拟，其弹模分别取为210、34.5 GPa；间隙单元采用低模量的软材料进行模拟，弹性模量取为10 kPa；为模拟盾构开挖过程中刀盘扰动及掌子面卸荷引起的土体位移，选取掌子面区域部分单元，按经验取弹模为原弹模的1/2，进行卸荷模拟(图3中卸荷单元区域)，卸荷区厚度与管片厚度相等，取为1.2 m。对于盾尾注浆材料，根据其凝固过程，分为液体注浆材料(弹模为1 MPa)和硬化注浆材料(弹模为40.0 MPa)进行模拟。

考虑到该区域为软土区域，地下水埋深较浅，隧道开挖对工程影响较大，故采用流固耦合技术，在盾构施工中定义初始孔压、初始孔隙比以及水面线位置进行渗流的模拟。计算时地下水线取地表以下1.5 m。数值模拟中灌浆压力取为0.3 MPa，施加于管片外表面；土仓压力取为0.3 MPa，作用在掌子面。

本文中双线隧道开挖采用左线开挖完成后再进行右线开挖的施工工序。

图4　左线隧道施工地表土体横向沉降分布

4盾构隧道下穿通信铁塔位移影响分析

4.1盾构掘进数值模拟验证

根据实际工程地面沉降监测成果，将左线先行隧道施工完成时地面横向沉降实测值与相应位置处地面横向沉降数值模拟值进行对比分析，结果如图4所示。从图中可以看出，模拟值与实测值变化规律基本一致，数值相差较小，相差百分比在3%～16%的范围内，表明数值模拟计算具有一定的可靠性。

4.2双线隧道正中间位置通信铁塔位移变化规律分析

图5　铁塔位移随分析步变化曲线

由图5(a)(b)(c)可知，地铁双线隧道盾构下穿铁塔时，铁塔各脚点位移U1、U2、U3随分析步变化规律基本一致。

(1)横向水平位移：左线隧道开挖过程中，各塔脚点U1随隧道开挖逐渐增大，左线隧道开挖完成时达到较大峰值，最大为-5.42 mm，表明塔基向左侧偏移位移达到最大。随右线隧道的开挖，各塔脚点向左偏移值不断减小。隧道施工完成后，U1整体较小。

(2)纵向水平位移：左线、右线隧道开挖过程中，各塔脚点U2均随隧道开挖呈先增大后减小的变化规律，相应的各塔基均向隧道开挖侧发生偏移。在左、右线隧道开挖至铁塔中心平面附近时，各塔基纵向位移均达到较大峰值，分别为-2.82、-2.46 mm。

(3)沉降位移：左右线隧道盾构下穿铁塔时，各塔脚点U3均随隧道开挖不断增大。受塔脚点到开挖隧道距离的影响，在开挖过程中，距开挖隧道较近的塔脚点沉降变化较大。右线隧道施工完成后，各塔脚点沉降位移均达到最大，分别为15.66、15.46、15.58、15.48 mm，沉降差较小。

(4)倾斜率：隧道施工过程中，铁塔倾斜率先随左线隧道开挖逐渐增大，在左线隧道开挖完成时达到最大值；随着右线隧道的开挖，铁塔倾斜率逐渐减小，表明铁塔向开挖侧隧道发生偏移。受对称性影响，右线隧道开挖完成时该位置处铁塔倾斜率基本为零。

左、右线隧道开挖至铁塔中心平面附近时，各塔基位移变化及铁塔倾斜率变化均较大，表明此时铁塔受隧道开挖影响最为显著。开挖面距离铁塔中心平面较远，各塔基位移及铁塔倾斜率变化基本为0，表明此处受隧道开挖影响较小。综合分析表明，隧道盾构施工过程中铁塔受影响程度与开挖面距铁塔中心平面的距离呈一定的负相关关系。

4.3不同位置下穿通信铁塔位移影响分析

为研究双线隧道不同位置处下穿通信铁塔时对铁塔位移的影响，参考盾构隧道下穿建筑物影响范围区域研究成果[7-9]，结合工程实际，采用三维数值仿真技术，对位置因素进行敏感性分析。拟定a～h共8个典型位置进行分析，各位置通信铁塔与双线隧道平面位置关系如图6所示。图6中隧道轴线箭头指向盾构推进方向，1号、2号、3号、4号表示各塔脚点位置。横坐标原点位于左线隧道轴线，以管片内径D(5.5 m)为单位，2号塔脚点横坐标表示铁塔位置。a处铁塔关于左线、右线隧道中心线对称，c处铁塔关于左线隧道轴线对称。

以塔脚点沉降和铁塔倾斜率为主要指标，分析各铁塔位移变化特征。以2号塔脚点为典型点进行塔基沉降分析。左、右线隧道开挖完成时各位置处塔基沉降及铁塔倾斜率分布如图7所示。图7(b)中M点为左、右线隧道开挖完成时铁塔倾斜率分布曲线交点。根据通信铁塔工程相关标准[14]，铁塔倾斜率允许值为1/1 500，即0.000 67。

图6　铁塔典型位置平面布置

图7　典型位置处塔基沉降位移及铁塔倾斜率分布曲线

由图7可知，左线隧道开挖完成时，各位置处塔基沉降整体呈凹槽分布，关于隧道轴线对称。随距开挖隧道轴线距离的增大，塔基沉降位移逐渐减小。在位置c处铁塔沉降值最大，为12.77 mm。在距隧道轴线4D距离处，塔基沉降位移较小，为1.42 mm，占最大沉降位移的11.1%。右线隧道开挖完成时，塔基沉降仍呈凹槽分布，但各点处沉降值均有一定的增大。在当前条件下，两隧道中间范围内铁塔脚点沉降最大。

左线隧道施工完成时，各位置处铁塔倾斜率分布曲线关于左线隧道轴线对称。在隧道左侧，随着距隧道轴线距离的增大，铁塔倾斜率呈先增大后减小的规律，在距隧道中心线约1.5D处达到最大，为0.001 025。受对称性影响，左线开挖完成时，位置c处铁塔倾斜率较小，基本为0。右线隧道施工完成时，铁塔倾斜率分布曲线关于左、右线隧道中心线对称(横坐标1.5D)。在典型点M左侧，各位置处铁塔倾斜值均有一定增大，继续向开挖侧发生倾斜。典型点M右侧至左右线隧道中心线范围内，受对称性影响，铁塔向右发生倾斜，其倾斜率均有所降低。位置a、b处倾斜率降低明显，基本为0。当铁塔位于左线隧道左侧1D及右线隧道右侧1D位置附近时，倾斜率达到最大，为0.001 287。

4.4铁塔受影响程度较大区域分析

地铁双线隧道盾构下穿通信铁塔，受铁塔位置影响，不同位置处下穿对铁塔影响程度不同。为分析隧道下穿铁塔施工过程中铁塔位移受影响程度较大区域，分别取左、右线隧道开挖过程中各位置处铁塔沉降及倾斜率最大值进行分析(表3)。左、右线隧道开挖过程中，对于沉降值，各位置处铁塔均分别在左、右线隧道施工完成时达到最大；对于倾斜率，位置a、b处在左线隧道开挖完成时达到最大；位置c处在左线隧道开挖至铁塔中心平面附近时达到最大，主要发生纵向倾斜；位置d～h处铁塔倾斜率分别在左、右线隧道施工完成时达到最大。

由表3可知，左线隧道施工完成后，在距隧道轴线0～1D的范围内，铁塔各处沉降值达到最大沉降值的70%以上。对于倾斜率，距左线隧道轴线距离1D～2D范围内，铁塔各处倾斜率较大，达到最大倾斜率的70%以上。综合考虑铁塔沉降及倾斜率，表明左线隧道开挖完成后，距隧道轴线距离2D范围内铁塔受影响程度最大。右线隧道施工完成后，塔基沉降位移值及铁塔倾斜率均关于左、右线隧道中心线对称。以中心线左侧区间进行分析，对于沉降值，在-1D～1.5D范围内，各处塔基沉降值达到最大沉降值的70%以上；对于倾斜率，在-2D～-1D范围内，铁塔各处倾斜率达到最大倾斜率的70%。考虑对称性，综合分析表明，当前条件下，在左线隧道左侧2D到右线隧道右侧2D区间范围内铁塔受影响程度最大。

表3　各位置处铁塔倾斜率及塔基沉降最大值

5结论

以天津地铁6号线盾构下穿通信铁塔工程为依托，在当前隧道埋深、洞径、双线隧道间距、土层特性等条件下，对施工过程进行数值模拟分析，主要得到以下结论。

(1)将左线隧道施工完成时地面横向沉降实测值与相应计算值进行对比分析，二者变化规律基本一致，表明数值模拟具有一定的可靠性。

(2)双线隧道盾构下穿铁塔施工过程中，各塔脚点沉降位移均随隧道开挖不断增大。左、右线隧道开挖至铁塔中心平面附近时，各塔基位移变化及铁塔倾斜率变化均达到最大，隧道盾构施工过程中铁塔受影响程度与开挖面距铁塔中心平面的距离呈一定的负相关。

(3)左、右线隧道施工完成时，各位置处塔脚点沉降整体呈凹槽分布，但右线开挖完成时各点处沉降值较左线开挖完成时有一定增大。对于倾斜率，左线隧道开挖完成时，在隧道左侧，随着距隧道轴线距离的增大，铁塔倾斜率呈先增大后减小的规律，在距隧道轴线约1.5倍洞径处达到最大。右线隧道开挖完成时，在左线隧道左侧1倍洞径、右线隧道右侧1倍洞径位置附近铁塔倾斜率达到最大。

(4)综合考虑铁塔沉降及倾斜率，左线隧道开挖过程中，距隧道轴线距离2倍洞径范围内铁塔受影响程度最大；右线隧道开挖过程中，在左线隧道左侧2倍洞径到右线隧道右侧2倍洞径区间范围内铁塔受影响程度最大。盾构隧道在该区域下穿通信铁塔时，施工风险较高，应重点关注。

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收稿日期：2015-10-04； 修回日期：2015-10-28

基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065)；天津市应用基础与前沿技术研究计划青年项目(15JCQNJC08000)

作者简介：张社荣(1960—)，男，教授，1982年毕业于天津大学，工学博士。

文章编号：1004-2954(2016)06-0100-06

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.021

Analysis of Approaching Influence of Shield Double-line Tunnel Passing under Communication tower

ZHANG She-rong1，2, FENG Xiao-cheng1，2, YU Mao1，2, WANG Chao1，2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：Double-line shield tunnel passing under communication tower poses big risk. The research of shield construction influence on displacement of tower is of great significance to guarantee the stability of the tower during construction. Based on the construction of Tianjin Line 6 double-line shield tunnels，traversing the communication tower，the finite element numerical analysis software ABAQUS is employed to simulate the shield construction process. The calculated values and measured values of ground settlement are compared and analyzed to verify the rationality of the shield simulation. Researches are conducted on the displacement change of the tower when the metro double-line shield tunnels are excavated below the communication tower at different positions，and displacement distribution pattern of the tower at each position is identified. At the same time，the area in which the tower is affected seriously is analyzed. The results show that in the process of tunneling on the left line，the tower is affected most within the range of 2 times of the tunnel diameter from the tunnel axis; in the process of tunneling on the right line，the tower is affected most within the range from 2 times of hole diameter of the left tunnel to the 2 times of hole diameter of the right tunnel，

Key words：shield; double-line tunnels; communication tower; numerical analysis