软硬不均地层盾构下穿既有隧道近接施工影响特性研究

鲁茜茜， 蹇蕴奇， 王先明

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

近年来，盾构法广泛应用于城市地铁建设，对城市地下空间的利用也越来越充分，使得地下结构物分布情况愈加复杂，近接施工现象逐渐增多。在盾构隧道近接穿越既有结构物的过程中，往往对既有建(构)筑物安全产生不利影响，甚至造成结构物的破坏。国内外学者针对城市地铁修建过程中的近接施工已开展相关研究并取得一定的研究成果。Shahrour等[1]借助三维有限元，通过探讨平行隧道在施工过程之中的相互作用，提出了两相邻隧道近接率的合理取值；Yamaguchi等[2]结合施工监测对施工过程进行分析，研究隧道交叠对结构内力、土体应力与土体位移的影响，并得到了隧道掘进过程中压力影响特征；何川等[3]采用相似模型试验与有限元分析相结合的方法，研究新建隧道施工对既有平行隧道的位移及内力的影响规律。张治成等[4]利用三维数值模拟的方法，对新建盾构隧道斜穿既有隧道时，对关键点位移及内力进行分析，提出了距离既有隧道一定范围内采取降低推进力并放慢掘进速度的施工模式；孔庆凯等[5]利用有限元软件，研究了在不同施工净距条件下新建隧道施工对既有地铁隧道的影响。路平等[6]采用有限元刚度迁移法，对土体局部加固的情况下，新建隧道施工对既有隧道衬砌以及周围土体的位移和内力影响进行研究，并结合现场实测数据进行了对比，发现小净距双线隧道近接施工在加固区与未加固区交界附近可产生一定的突变；张晓清等[7]采取模型试验，通过排水模拟开挖的方法，探究了盾构隧道在多线交叠的情况下地表沉降与既有隧道纵向变形的客观规律。

本文以深圳地铁7号线在上软下硬地层条件下下穿既有1号线科华区间为工程依托，利用非线性有限元软件ABAQUS对新建地铁线路近接既有隧道施工进行三维数值模拟，研究盾构施工对既有地铁线路及附属设施影响的客观规律，对类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

深圳地铁7号线华强南站～华强北站区间隧道以盾构工法进行施工，左右线设计起始点里程分别为DK21+815.074及DK22+166.878，区间隧道左右线长度均为351.963 m。盾构掘进断面直径为6.28 m，管片外径6 m，内径5.4 m；衬砌环厚度与幅宽分别为0.3 m及1.5 m。隧道拱顶覆土深度为10～20 m。7号线区间正交下穿已运营地铁1号线，两者最小净距为1.21 m，位于7号线路右线DK22+89.980及1号线路左线SK5+44.971连线位置，1号线上方存在过街通道。7号线施工邻近既有1号线及上部过街通道，从而埋下不均匀沉降等安全隐患，对既有建(构)筑物运营安全产生不利影响。

新建地铁线路主要穿越砾质黏性土和全风化花岗岩，隧道洞身穿越软硬不均地层。1号线隧道周围大范围覆盖砾质黏性土，土层厚度约8.3～13 m。其中，砾质黏性土在遇水条件下具有较高流动性，且自身强度大大降低，导致土体自稳能力差，易造成坍塌。线路地质剖面图如图1所示。

2 计算模型及参数

根据深圳地铁7号线华强南站～华强北站区间与既有1号线及上部过街通道的空间位置关系，建立如图2所示的有限元模型。

图2 模型总体示意

模型尺寸：根据隧道开挖影响范围以及新建地铁隧道与既有隧道之间的位置关系，将模型纵向宽度(X轴方向)定为46.2 m，模型横向长度(Y轴方向)定为48.2 m，模型深度方向将根据地质断面情况进行确定。

边界条件：沿着模型纵向方向，对模型前后两面边界结点施以水平约束力；沿模型横向方向，对模型左右两面边界结点施以水平约束力；另外模型深度方向对模型地面节点施加竖向约束力，地表为自由面。

选取既有1号线左、右两条线路轴线上方(分别记为位置1、位置2)进行地表沉降观测，并选取过街通道顶部位置3、位置4进行分析，掘进过程中先后通过位置1、位置2。选取6种工况进行分析：工况1～工况3分别为新建隧道左线掘进至位置1、掘进至位置2、左线贯通；工况4～工况6分别为新建隧道右线掘进至位置3、掘进至位置4、右线贯通。管片位移观测位置选取既有1号线与新建7号线交界处，如图3所示观测面左侧截面，选取其截面处管片拱顶、拱底以及左右拱腰关键点进行位移观测。

图3 管片位移观测位置

计算土体采用Mohr-Coulomb屈服准则；模型采用2环衬砌作为一个计算开挖步，即开挖步长为3 m，模型中地层参数根据《深圳地铁7号线华强南站～华强北站区间详细勘察阶段岩土工程勘察设计参数建议值表》及 JTGD70-2004《公路隧道设计规范》确定地层参数。管片衬砌采用C50钢筋混凝土材料，弹性模量为34.5 GPa，采用刚度折减方法来模拟接头对管片衬砌结构的影响，纵向刚度折减系数取为0.85；考虑到注浆层硬化需要一定时间，选取两种注浆材料即液态注浆材料和长期固化注浆材料，来模拟盾尾注浆材料性态的变化；具体物理力学参数见表1。

3 计算结果分析

3.1 地表沉降分析

隧道施工产生的地层损失传递至地表引起地表沉降，施工过程中地表沉降曲线如图4所示。随着盾构掘进，既有线路上方地表沉降呈现出逐渐增大的趋势，其中，当盾构隧道左线隧道掘进至单线贯通时，位置1、位置2处地表沉降值呈增大的趋势，两位置处地表沉降最大值分别增至-4.112 mm以及-9.232 mm；随着右线隧道掘进直到贯通，位置1、位置2处地表沉降值均逐渐增大，此时地表沉降最大值分别为-7.885 mm及-14.388 mm，在右线掘进至全线贯通的过程中，地表沉降幅值急剧增大，其主要原因为7号线右线在开挖过程中土体受到二次扰动，加剧土体应力释放，双线贯通以后，地表沉降槽呈双“V”型，沉降槽峰值位置大致位于新建隧道左、右线路正上方，左、右线沉降峰值分别为-14.152 mm以及-14.338 mm，偏于安全考虑，可适当的采取相应的地表沉降控制措施。

(a)左线掘进

(b)右线掘进图4 7号线正上方地表沉降

3.2 既有隧道位移分析

在新建隧道近接施工过程中，既有隧道受掘进影响产生沉降及扭曲变形，以观测面1、观测面2为例进行说明，各关键点间相对沉降量如图5所示。其中，左、右拱腰之间的相对沉降表明管片环发生扭转，而拱顶、拱底位置相对沉降则表示管片环产生变形。在盾构掘进过程中，各关键点沉降值整体呈增大的趋势；当盾构掘进至1号线正下方时，观测面1左、右拱腰之间相对沉降量为0.570 mm；当左线贯通后，两拱腰关键点间相对沉降量增至2.102 mm，右线的掘进引起左、右拱腰间相对沉降量的进一步增大，至右线贯通，两拱腰之间相对沉降量值达到3.243 mm，在掘进过程中观测面1拱顶与拱底间相对沉降量逐渐增大，当左线贯通后，两点间相对沉降值为2.428 mm，而在右线掘进至贯通过程中，拱顶及拱底关键点相对沉降值则基本保持不变。在双线盾构掘进过程中，观测面2各关键点间也产生较为明显的差异沉降，其中拱顶、拱底位置差异沉降量值较小，相比之下，左、右拱腰关键点位置处相对沉降量则较为明显，说明该位置处结构变形以扭转为主。既有1号线最大沉降发生在拱顶位置，其值达到-13.992 mm，并且通过对比观测面1与观测面2中各关键点竖向位移，可以看出，相对沉降变化规律因盾构隧道空间位置不同而产生较大的差异。

以观测面1为例对既有隧道水平位移进行分析。既有隧道各关键点水平位移如图6所示，其中，各关键点于X方向上的水平位移产生一定的差异，表明各关键点产生相对侧移，其中，拱顶、拱底位置关键点水平位移变化较为突出，在掘进过程中，两者相对侧移量值逐渐增大，当掘进至既有1号线正下方时达到最大值，其相对侧移量为0.31 mm，随后，受盾构掘进影响，拱顶与拱底关键点水平位移表现出了先减小，再反向增大的过程，到最后的开挖步则趋于相对稳定，两者相对侧移量约为0.25 mm。对比图5和图6可知，在隧道施工过程中，各关键点水平位移量值总体较小，结构变形主要以竖向变形为主。

(a)观测面1

(b) 观测面2图5 既有隧道竖向位移

图6 既有隧道水平位移

3.3 过街通道位移分析

盾构掘进致使上部过街通道产生差异沉降，为研究隧道施工对过街通道的影响，沿左、右线掘进方向，分别于过街通道正上方地表及过街通道顶部位置布置观测面3、观测面4进行分析，各观测位置沉降如图7所示。由图7可知，随着盾构施工的进行，过街通道顶部及正上方地表累计沉降量呈逐渐增大的趋势，当左线贯通后，位于位置3处最大沉降量为-7.614 mm，右线的掘进加剧了过街通道正上方地表处的不均匀沉降，在右线掘进至贯通过程中，位置3处沉降量值逐渐增大，至右线贯通时最大沉降量增至-18.407 mm；位置4处沉降变形规律与位置3处趋于一致，且在掘进过程中产生的沉降变化更为明显，当区间隧道左、右线贯通以后，位置4处最大沉降值分别为-8.897 mm以及-19.769 mm。通过上述分析表明，在盾构掘进过程中，过街通道顶部及正上方土体沉降变化较为明显，沉降幅值较大，为保证既有结构物的安全，施工过程中应注意加强对过街通道的安全监测。

(a)位置3

(b) 位置4图7 过街通道观测位置沉降变化

4 结论及建议

以深圳地铁7号线在软硬不均地层条件下正交下穿既有1号线及上部过街通道为工程背景，采用三维数值模拟的方法，研究新建隧道近接施工扰动对既有隧道及上部过街通道力学特性的影响，可以得出以下结论：

(1)在下穿隧道近接施工过程中，既有隧道正上方地表沉降及过街通道顶部沉降值受盾构施工影响较为显著，建议在地表及过街通道相应位置进行施工监测。

(2)在下穿隧道近接施工过程中，既有隧道整体产生差异沉降及沿盾构机推进方向的不均匀侧移与扭转，不均匀变形峰值主要位于新建隧道与既有隧道正交位置，其中，各关键点水平位移量值总体较小，结构位移主要以沉降变形及扭转变形为主。

软硬不均地层条件下盾构隧道近接施工对既有隧道的影响较均匀地层而言更为显著，为保证既有结构物的安全，施工过程中考虑对新旧隧道重叠区域进行合理加固，并在施工过程中对盾构顶推力、土仓压力及壁后同步注浆压力等进行严格的控制。