软土地区隧道盾构法施工下穿既有隧道影响数值模拟

曲 勰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

随着我国城市地下交通需求的日益增长，在未来数年内，隧道交通建设将迅猛发展。到2020年，我国城市轨道交通运营里程或达到6 000 km。在部分一线及二线城市地铁隧道交通建设中，线路交叉施工将会越来越常见。尤其是长三角发达地区，隧道穿越施工是不得不面临的一施工关键节点，如果隧道穿越施工所在土层为软土层，尤其是强度低，灵敏度高的淤泥质软土层中时，隧道盾构法施工易造成周围土体的扰动。施工参数的选取就显得异常重要，需严格控制并通过数值计算分析来验证其合理性。

1 盾构法施工对地层扰动机理

盾构法修建隧道引起地层位移的主要原因是施工过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等，盾构施工对周围土体影响示意图见图1。其发展过程可分为开挖面前隆起、盾构通过时沉降、盾尾空隙沉降、后期蠕变沉降4个阶段，其产生的原因与机理可见表1。

2 工程概况

杭州某拟建地铁隧道底埋深约32.7 m，线间距约16.2 m下穿已运营地铁1/4号线，既有盾构隧道由北向南依次为1号线左线(底埋深20.4 m)、4号线右线(底埋深23.7 m)、4号线左线(底埋深17.1 m)和1号线右线(底埋深20.0 m)。既有隧道均错缝拼装混凝土管片，外径6.2 m，厚0.35 m，宽1.2 m。所处地层为③-3粉砂夹砂质粉土和⑥-1淤泥质粘土。最小净距约3.1 m，所夹土层为⑥-1淤泥质黏土。拟建区间盾构隧道外径6 200 mm，内径5 500 mm，衬砌采用直线环加转弯环进行错缝拼装，壁厚350 mm，环宽1.2 m，C50混凝土，环向管片间用12个M30螺栓连接，纵向衬砌环间用16个M30螺栓连接。下穿段管片配筋选用超深埋类，管片增设预埋注浆管，管片螺栓等级加强为8.8级。根据监测情况进行二次注浆，注浆应遵循“多点、低压、多次”注浆原则，降低注浆压力影响。拟建隧道与既有隧道相对关系见图2。

表1 盾构施工引起变形的原因与机理

沉降类型主要原因应力扰动变形机理盾构开挖面隆起工作面施加压隆起围岩应力释放、扰动负荷土压力弹塑性变形盾构通过时沉降施工扰动,盾构与围岩(土体)间剪切错动,出渣扰动压缩盾尾空隙沉降围岩(土体)失去支撑,管片背后注浆不及时应力释放弹塑性变形后续沉降结构变形、地层扰动、空隙水压下降等土体固结压缩和蠕变下沉

表2 土体基本参数表

岩土名称天然重度γ/kN·m-3凝聚力c/kPa摩擦角φ/(°)Es/MPa①-1杂填土19.510.0010.003.00③-2砂质粉土19.46.7028.2011.0③-3粉砂夹砂质粉土19.85.1029.1012.7⑥-1淤泥质粉质黏土17.814.8010.003.2⑧-1黏土17.921.2010.104.1⑨-1粉质黏土19.841.5015.507.0-4圆砾20.03.0035.0025.00-3圆砾20.05.0037.0030.0020d2强风化凝灰岩21.0100.0030.0020.0020d3中等风化凝灰岩22.0200.0030.0050.00

表3 土体小应变硬化模型参数表

3 有限元数值分析

3.1 计算模型及参数

穿越节点的三维数值分析模型尺寸：设置计算模型的X方向(平行于新建轨道交通走向)取150 m，Y方向(垂直于新建轨道交通走向)取55 m，Z方向(厚度方向)取60 m。模型采用标准约束形式，水平方向仅约束其相应的水平位移，底部采用固定约束，约束其竖向及水平向位移。即限制模型Y方向左右两侧面上节点的X向位移(U1=0)；X方向前后两侧面上节点的Y向位移；模型底面上节点的X,Y,Z向位移。在本计算中岩土体材料采用小应变硬化土模型，对于结构单元采用弹性模型，计算采用的岩土体参数见表2,表3。

3.2 计算结果

通过数值模拟逐环推进拟建隧道，分析既有1/4号线隧道的影响，如图3，图4所示。从图中可知，盾构机穿越既有隧道时对既有隧道的影响在5 mm以内，满足地铁保护要求。

4 结语

通过盾构法施工对周围土层影响机理及影响因素的分析，总结出有限元法计算盾构下穿问题需考虑的盾构法施工参数。并通过Plaxis 3D软件建模分析成功模拟出盾构隧道穿越施工过程中上部隧道先由于推进力影响产生的隆起现象及推进后由于地层损失造成的沉降现象，模拟结果中已建隧道的变形规律与工程实践符合较好，对工程实践中盾构机施工参数选取具有一定的指导意义。