黄土地区地铁盾构隧道近距离下穿既有线影响规律及控制标准研究

王立新,汪 珂,李储军,白阳阳

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室,西安 710043)

引言

近年来，随着地铁、市政等地下工程的建设规模不断加大，线路的纵横交错现象越来越普遍，隧道下穿已建地铁及各类已修筑于地下的管线等市政设施已不可避免。因新建隧道施工的本质对地层是一个卸载过程，而在实际工程中无论采取什么手段都不可能及时抵消卸荷的影响，故其必将引起施工区域内的周围岩土体向开挖区域移动，继而对临近既有线的运营安全产生影响。黄土特殊的生成环境造成了其以粉粒为主的组成结构，同时具有富含可溶盐、欠压密、大孔隙、垂直节理发育等特性，导致了诸多工程问题，因此黄土地层新建隧道施工对既有线变形规律的预测、变形的控制及防治己然成为隧道现代化建设过程中一个亟需解决的问题。

凌昊等[1]采用土工离心模型试验分析了近接盾构隧道的相对位置和推进距离对隧道结构位移和内力的影响。黄德中等[2]采用土工离心模拟技术，分别研究了盾构上穿及下穿对既有隧道的影响。汪洋等[3]以某盾构隧道为背景，采用室内模型试验分析了盾构正交下穿对既有隧道的影响，得出既有隧道出现的“上压下拉”的应力变化趋势。Ghaboussi J等[4-5]通过建立有限元模型，并将计算结果与实践对比研究了隧道上穿地下通道的影响。E.Soliman，H.Duddeck等[6]通过建立近距离平行设计双孔隧道的有限元模型，得出双孔隧道的解可用单孔隧道来近似。张毅[7]以广州地铁交叉隧道为背景，通过施工模拟对既有隧道的沉降和水平位移进行了分析。张海彦等[8]利用有限元软件ANSYS，对新建隧道不同近距离正交盾构下穿既有隧道的施工过程进行了模拟。翁效林，王俊，王立新等[9]针对黄土地层浸水湿陷开展了研究。王立新[10]针对盾构超近距离穿越大型立交桩基群影响开展了系统研究。邵华，张子新[11]开展了盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响研究。胡群芳，黄宏伟[12]开展了盾构下穿已运营隧道施工监测与技术分析，何川等[13]开展了地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响。张琼方[14]，张冬梅[15]，黄栩[16]均开展了盾构近距离穿越施工对已建隧道的纵向变形研究。

黄土的特性，可简要归纳为三点：第一，富含碳酸盐类使其结构强度明显；第二，实际工程中一般以非饱和、大孔隙状态存在；第三，较强的水敏性。下穿隧道对既有隧道和周边环境的影响受多种因素影响，其中下穿隧道与既有隧道之间竖直净距的影响尤为突出，而目前对其的研究较少。鉴于此，以西安地铁5号线盾构下穿既有2号线隧道工程为依托，采用MIDAS/GTS对盾构隧道下穿既有隧道进行模拟，分析在既有隧道与下穿隧道竖直净距为盾构隧道管片外径(D=6 m)的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍5种工况下的地表沉降，既有隧道特定位置处的拱顶及拱底位移、附加应力，得出保证既有隧道安全运营的位移控制标准，可为类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

既有地铁隧道为浅埋暗挖单洞单线隧道，南北走向，马蹄形断面，高度6.5 m，宽度6.28 m，两隧道水平净距为6.27 m，埋深约9.6 m；新建盾构隧道为单洞单线隧道，东西走向，外径为6 m的圆形断面，两隧道水平净距为9.5 m，埋深约18.6 m；既有隧道与新建盾构隧道竖向最小净距约为2.5 m，两者的相对位置关系如图1所示。地层自上而下依次为：1-2素填土、3-1-1新黄土、3-1-2新黄土、3-2-2古土壤、4-1-2老黄土、4-4粉质黏土。该工程为黄土地层中双线近距下穿既有运营隧道，地层条件复杂，下穿距离较近，施工风险较大。

图1 新建隧道和既有隧道相对位置关系(单位：mm)

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS对该工况进行数值模拟。根据实际工程情况，建立如图2所示的三维模型：模型长60 m，宽60 m，高38 m；地下水位埋深为10.0 m，既有隧道埋深9.5 m，隧道水平净距为6.27 m；新建隧道水平净距为9.5 m，既有隧道与新建隧道之间的垂直距离为0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D；掘进方向如图所示，先开挖左线再开挖右线；既有隧道位于3-1-2新黄土、3-2-2古土壤和4-4粉质黏土中。

图2 三维模型(单位：m)

2.2 土层参数

研究区域土层自上而下依次为：1-2素填土，厚度为2.1 m；3-1-1新黄土，厚度为5.4 m；3-1-2新黄土，厚度为2.8 m；3-2-2古土壤，厚度为3.5 m；4-4粉质黏土，厚度为22.8 m；地下水位位于地表以下10.0 m。地层岩土参数如表1所示[17]。

表1 地层岩土参数

2.3 隧道材料参数

查阅相关设计资料[18]可得既有隧道的二次衬砌是厚度为35 cm的C30钢筋混凝土。新建隧道的管片采用C50钢筋混凝土。因新建隧道管片接头会对结构整体刚度产生影响，故将管片结构弹性模量折减20%[19]，具体参数如表2所示[18]。

2.4 盾构下穿既有隧道竖直净距的影响

既有隧道和新建隧道竖直净距分别取其为盾构隧道管片外径的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍，具体见表3。

表2 结构材料参数

表3 不同竖直净距的工况

3 计算结果及分析

3.1 监测点布置

为监测盾构下穿施工过程中的地表沉降，在既有隧道连心线的中点正上方地表布设地表沉降监测线。为监测既有隧道的拱底及拱顶沉降和应力，在既有隧道和新建隧道的正交部位的正交截面上，分别布设既有隧道拱顶和拱底位移监测点、应力监测点，位移监测点共计8个，布置方式如图3所示。

图3 数值模拟监测布置

3.2 不同竖直净距盾构下穿结果分析

3.2.1 地表沉降分析

将5种工况地表最终沉降曲线绘于图4内，由图4可知，地表最大沉降值随竖直净距的增大而呈减小趋势，各工况的地表沉降峰值如表4所示。

图4 5种工况地表沉降最终曲线

表4 地表沉降峰值统计 mm

将5种工况下的地表沉降峰值进行拟合，得到的图形如图5所示。可以看出，随竖直净距的增加地表沉降峰值呈线性减小的趋势，拟合度较好。

图5 地表沉降峰值随竖直净距变化

3.2.2 既有隧道拱底沉降分析

各工况的左右线拱底最终沉降曲线如图6所示，新建隧道盾构完全穿越后，既有隧道左线拱底沉降曲线呈现出双峰形态，左峰值小于右峰值。既有隧道右线沉降曲线呈现出与左线相似的规律，但两者最终的沉降峰值差异量最大约为0.51 mm。原因为左线穿越既有隧道后隧道发生了整体沉降。此外，从图6可以看出，随竖直净距的不断减小，左右线拱底沉降呈不断增加的趋势，沉降曲线形态由宽而浅的沉降槽转变为深而窄的沉降槽。各工况既有隧道沉降峰值见表5，由表5可知，左线拱底的峰值均大于右线相同状况下的峰值，原因是右线隧道发生整体沉降时，左线下方已被开挖，因而产生更大变形。

表5 既有隧道拱底沉降峰值统计 mm

图6 既有隧道拱底沉降曲线

将双线贯通时刻既有隧道拱底各工况沉降峰值与竖直净距绘于坐标轴中并进行拟合，得到的图形如图7所示。从图7可以看出，两隧道的拱底沉降峰值均随竖直净距的增加而呈现线性减小趋势，且相关性较好。

图7 双线贯通时刻既有隧道拱底沉降与净距关系

3.2.3 既有隧道拱顶沉降分析

各工况的左右线拱顶最终沉降曲线如图8所示，沉降曲线的形态表现为各工况的沉降差值基本相等，隧道拱顶沉降形态近似于随着竖直净距的增加整体增加。新建隧道盾构完全穿越后，因隧道拱腰和拱肩对拱顶的约束作用使变形受限，既有隧道左右线拱顶沉降曲线呈现出单峰形态。既有隧道拱顶沉降峰值如表6所示。

图8 既有隧道拱顶沉降曲线

mm

同样将双线贯通时刻既有隧道拱顶各工况沉降峰值与竖直净距绘于坐标轴中并进行拟合，得到的图形如图9所示。从图9可以看出，两隧道的拱顶沉降峰值均随净距的增加而呈现线性减小的趋势，相关性较好。

图9 既有隧道拱顶沉降与竖直净距关系

3.2.4 既有隧道与盾构隧道正交截面拱底附加应力分析

在图2(b)所示位置提取拱底X方向上的应力，并通过计算得到附加应力，研究附加应力的变化规律，得到的5个工况下拱底的附加应力如图10所示。图10表明，各工况附加应力曲线出现较大分化始于盾构通过既有隧道下方时，各工况新建右线隧道上方拱底附加应力曲线，在新建隧道左线穿越其所在隧道下方时出现了微弱的分化，各工况新建左线上方拱底的附加应力曲线在右线穿越其所在隧道下方时明显减小，但各工况应力的差值基本不变。随着竖直净距的增加，各监测点的沉降变化幅度逐渐减弱。

图10 既有隧道拱底附加应力5种工况对比

将双线贯通时刻既有隧道拱底附加应力与竖直净距绘于坐标轴中并进行拟合，得到的曲线如图11所示。图11表明，拱底附加应力值随竖直净距的增加而呈现不断减小趋势，且拱底附加应力与竖直净距呈线性关系，相关性较好。

图11 拱底附加应力与净距关系

3.2.5 既有隧道与盾构隧道正交截面拱顶附加应力分析

在图2(b)所示位置提取拱顶X方向上的应力，与拱底附加应力的处理方法类似，得到的5个工况下拱顶的附加应力如图12所示。曲线的变化规律与拱底相似，与之不同的是新建隧道左线上方拱顶应力在整个施工过程中一直保持负值，新建隧道右线上方拱顶应力在左线穿越其所在的既有隧道下方时向正值发展，在之后右线穿越其下方的阶段迅速发展为负值；右线穿越既有隧道下方的同时，新建隧道左线上方拱顶压应力在明显减小。既有隧道拱底为拉应力，拱顶为压应力，说明既有隧道在盾构穿越过程中产生正弯矩。拱顶附加应力产生上述现象的原因为：新建隧道左线盾构穿越过程中，由于弯矩反弯点的作用，位于右线上方的同一既有隧道的拱顶出现拉应力；在新建隧道右线盾构穿越过程中，由于弯矩反弯点的抵消作用，使得位于同一既有隧道左线上方的拱顶压应力明显减小。由于左线下方土体受之前左线穿越的扰动，其对左线的应变约束能力减弱，因此右线穿越时，左线上方弯矩反弯点产生的反方向应力大于左线穿越时在右线上方反弯点产生的反方向应力，导致双线贯通时刻既有隧道右线上方拱顶压应力大于左线上方拱顶压应力。

图12 既有隧道拱顶附加应力5种工况对比

将双线贯通时刻既有隧道拱顶附加应力以竖直净距为横坐标绘于坐标轴中并进行拟合，得到的图形如图13所示。图13表明，拱顶附加应力绝对值随净距的增加呈现出不断减小的趋势，拱顶附加应力值与竖直净距呈线性关系，相关性较好。

图13 拱顶附加应力与净距关系

4 双线盾构下穿的位移控制标准

为保证既有线路运营安全，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[20]规定，既有隧道拱顶沉降值应控制在10 mm范围内。由图6可知当竖直净距为0.2D时，既有隧道左右线拱底沉降峰值均超出限值；当竖直净距为0.4D时，既有隧道左右线拱底沉降峰值与限值基本相等；当竖直净距>0.4D时，既有隧道左右线拱底沉降峰值距限值较远。因此在双线盾构下穿时，应尽量避免竖直净距<0.4D的情况；当采用0.4D竖直净距下穿时，隧道拱底的沉降发展应进行密切关注，防止沉降超限；当竖直净距>0.4D时，既有隧道拱底的沉降值不会超出限值，符合相关规定。

对0.4D工况进行着重研究，确保既有线的安全运营。为方便与经济，将拱底沉降的监测限值用新建隧道拱顶沉降限值代替，双线贯通时刻新建隧道拱顶沉降曲线绘于图14中。从图14可以看出，在0.4D竖直净距工况下，为保证双线盾构下穿时既有隧道底板沉降值满足运营要求，应将两条新建隧道拱顶沉降值控制在13.0 mm以内。

图14 0.4D工况新建隧道拱顶沉降

5 结论

(1)地表和既有隧道的拱顶和拱底的位移和应力值均随着既有隧道与新建隧道竖直净距的增加而呈线性减小趋势。

(2)各工况下地表沉降曲线与既有隧道拱顶位移曲线呈现单峰形态，而拱底位移曲线呈现双峰形态，且左峰值小于右峰值。随着竖直净距的减小，拱底位移沉降曲线形态由宽而浅的沉降槽转变为深而窄的沉降槽。

(3)各工况中，既有隧道拱底为拉应力，拱顶为压应力，说明既有隧道在盾构过程中产生正弯矩。各监测点不同工况下的应力监测值，均在盾构穿越其正下方时出现分化。

(4)为保证既有隧道安全运营，应尽量避免竖直净距小于0.2D的双线盾构下穿；当采用0.4D竖直净距下穿时，应将新建隧道拱顶沉降值控制在13 mm以内。