盾构隧道近距离平行下穿暗挖隧道影响性分析

李书成，陈道政，李 鹏，候建林

（1.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，合肥230046；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥230009）

近年来，随着大中型城市地铁建设项目不断增多，地铁隧道施工中也出现了各种复杂的施工条件，尤其是盾构隧道下穿既有隧道的情况屡见不鲜.如何在开挖过程中防止既有暗挖隧道坍塌并有效的控制开挖引起的既有暗挖隧道沉降以及地面沉降逐渐成为地铁隧道领域的一个重要问题.关于这一课题，国内学者已有较多研究.

李科治等[1]对盾构隧道长距离平行下穿既有给水管线关键技术进行研究，得出在双线平行穿越既有管线时，左线隧道施工对管线沉降影响大于右线隧道施工，同时采取必要的加固措施能有效控制管线沉降.朱先龙[2]通过对现场监测数据进行分析，得出在偏压隧道中有内支撑式型钢拱架相比于无支撑式型钢拱架对隧道支护安全作用更大.钟可[3]通过对数值模拟结果和施工监测数据两方面进行研究，对比分析了富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营隧道的两种加固方案的加固效果，得出MJS 水平加固措施的加固效果好于环向内支撑加固.

本文通过对数值模拟结果和施工监测数据两方面进行分析，验证在新旧隧道净距小于一倍洞径，二衬未施工，规范未允许的情况下先行下穿的可行性并以本工程为依托研究既有暗挖隧道常见洞内加固方式的加固效果.

1 工程实例概况

1.1 工程概况

崔家店站-万年场站区间包含两个盾构区间隧道：即崔家店站-万年场站左线和崔家店站-万年场站右线.右线隧道长555.700 m，左线隧道长499.193 m（其中长链11.43 m）.本区间隧道（左线）盾构掘进至里程ZDK9+695～ZDK9+962.763 时，与出入场线暗挖隧道并行施工，并行段间距为1.8～4.2 m，最小净距为1.8 m.盾构隧道与暗挖隧道的位置示意图如图1所示.

图1 区间隧道与崔家店出入场线纵剖面关系Fig.1 Relationship between longitudinal section of tunnel and entrance and exit line of cuijiadian

暗挖隧道往万年场方向长度为182.8 m，暗挖隧道均采用CRD 法开挖施工. 初期支护采用格栅钢架+挂网喷浆，临时支护采用与初期支护等距工字钢+挂网喷浆.喷射混凝土采用C25 早强砼，喷射厚度为350 mm. 同时为了控制初支下沉，施工过程中在距离仰拱0.5 m 高处打入两对四根锁脚锚杆.

1.2 地质情况

盾构隧道与暗挖隧道位于复合地层，隧道顶部1.0～3.0 m 范围内为：黏土夹卵石，底部为：强风化泥岩.隧道顶部以上依次为黏土夹卵石、黏土、杂填土.

1.3 本工程中难点

根据施工规范及设计要求盾构在掘进至小于一倍洞径时出入场线暗挖隧道二衬需施工完毕，但盾构掘进至两两隧道间距小于一倍洞径段时，出入场线暗挖隧道二衬未施工，只进行了开挖支护且已将中隔壁拆除，在此情况下盾构必须停机等待，待暗挖隧道二衬施工完毕后方可掘进，至此期间盾构要停机2 个月，因工期节点要求盾构无法停机等待，就此原因成都地铁公司经过讨论决定盾构先行（二衬未施工且小于一倍洞径），盾构掘进前对暗挖隧道必须进行加固.

2 现场监测

2.1 监测点布置

地表沉降、拱顶沉降、水平收敛均按间距5 m 布设，在受影响段中线每隔5 m 布设一个沉降点.监测点埋设时先用冲击钻钻孔，然后放入沉降测点，测点采用Φ22 钢筋，长度为800 mm.待测点完全稳定后，即可开始测量.

2.2 监测结果

将当日测得的监测点高程与隧道开挖前测得的该测点初始值之差做为该测点的沉降累计变化量，表征的是从监测点初始值测得以来该测点受隧道开挖影响所造成的总沉降情况.记录各个监测点监测结束后的最终累计沉降值即最大沉降值作为监测结果.监测数据结果如图2，图3 所示.

图2 最终累计沉降变化曲线Fig.2 Change curve of final accumulated settlement

图3 最终累计净空收敛变化曲线Fig.3 Change curve of final accumulated headroom convergence

由此可看出，在新旧隧道净距小于一倍洞径，二衬未施工，规范未允许的情况下，新建盾构隧道开挖对既有隧道的影响在合理的范围内.

在对厦门市实施可持续发展策略的过程中，首先应通过资源调查确定厦门市旅游资源的承载力以及资源的自身优势，进而保障可持续发展策略的实施。[1]

3 数值模拟分析

3.1 既有暗挖隧道洞内加固

随着新建隧道下穿既有隧道的情况越来越普遍，新建隧道无论是爆破法施工还是盾构施工，当新旧隧道净距达到一定距离时都必须对既有隧道洞内采取一定措施进行加固.在实际工程中，对既有暗挖隧道洞内的加固方式多种多样.除了本工程的加固方案，有两种较为常见的暗挖隧道洞内加固方式，一种是采用“一横两竖”加固措施，即在两侧拱肩处设置工字钢或者H 型钢竖向支撑，同时拱腰处设置横向拉结.另一种最为常见的即沿隧道内轮廓设置型钢钢架进行加固.本文以本工程为依托对三种加固方式进行对比，比较其在Ⅴ级围岩大断面暗挖隧道无二衬情况下的加固效果.

3.2 模型建立

选取左线ZDK99I0-ZDK9931 为数值模拟区间，利用MIDAS 有限元分析软件建立本工程的三维模型.本模型水平方向取90 m，纵向延隧道轴线方向取60 m，高程取60 m.模型本构采用修正摩尔库伦，土层采用实体单元进行模拟；管片、盾壳、喷混根据其特性采用2D 板单元进行模拟；锁脚锚杆采用一维植入式裄架单元进行模拟；格栅钢架和型钢支撑采用一维植入式梁单元进行模拟.对于型钢钢架的模拟，采用等效转换的方式将用于既有隧道加固的型钢钢架弹性模量折算给喷混的弹性模量[4].盾构隧道考虑掘进压力0.12 MPa、千斤顶对管片的压力0.1 MPa、注浆压力0.15 MPa.每次掘进两个管片的长度做隧道施工阶段分析.考虑最危险情况，新建盾构隧道与既有暗挖隧道取最小净距1.8 m.新建隧道采用盾构法进行开挖，既有隧道采用CRD 法进行开挖. 模型情况如图4 所示.同时，为了研究上述三种加固方式的加固效果，建立了4 个模型：

1）工况一.其他参数和条件不变，沿隧道内轮廓设置型钢钢架；

2）工况二.其他参数和条件不变，既有隧道两侧拱肩设置竖向钢支撑，长度5 m，拱腰处设置钢支撑作为横向拉结，布置情况如图5 所示；

3）工况三.既有隧道拱顶处设置H 型钢竖向支撑，将每侧拱脚和拱腰锁脚锚杆数量增加到两根，长度由3 m 增加到4 m.即本工程的加固方式，布置情况如图6 所示.

图4 新旧隧道网格示意图Fig.4 Grid diagram of new and old tunnels

图5 工况二加固方案示意图Fig.5 Reinforcement scheme under condition II

图6 本工程加固方案示意图Fig.6 Reinforcement plan of the project

4）工况四. 其他条件和参数不变，无上述加固措施.

通过对工况三的计算结果进行分析来研究本次下穿对既有隧道的影响，同时对比四种工况的位移结果，分析不同加固方式的加固效果.对于工况一工况二中的型钢采用与本工程加固措施相同规格的型钢，钢支撑和钢架均每1 m 设一榀.

3.3 计算参数

土层计算参数见表1 所示.

表1 土层计算参数表Tab.1 Calculation parameters of soil layer

对于隧道和支护结构，参数见表2 所列.

表2 隧道支护结构计算参数表Tab.2 Calculation parameters of tunnel support structure

3.4 计算结果分析

对于本工程，盾构隧道穿越完成后其位移结果如图7 所示，盾构隧道最大位移出现在拱底，大小为19 mm，既有隧道拱底距离盾构隧道最近，受影响最大，因此最大竖向沉降也出现在拱底，四种工况下既有隧道竖向沉降变化情况如图8 所示.由图中可以看出，既有隧道的竖向沉降随着开挖的进行逐渐增大，最后趋于稳定.相对于工况四不采取加固措施下的隧道最大沉降值20 mm，钢拱架加固下的隧道最大沉降值为13.3 mm，降低33.5%；拱肩支撑加横向拉结加固下的隧道最大沉降值为14.7 mm，降低26.5%；而由图7 可以看出本工程加固方式下的隧道最大沉降值为15.6 mm，降低20.5%. 可见钢拱架对于限制既有隧道受新建隧道扰动而产生的竖向位移有较好的效果，拱肩支撑加横向拉结次之，本工程所采用的加固措施有一定的效果，但不如前两者.

图7 盾构隧道穿越完成后新旧隧道位移云图Fig.7 Displacement cloud chart of new and old tunnels after shield tunnel crossing

图8 既有隧道最大沉降变化曲线图Fig.8 Maximum settlement curve of tunnel

既有隧道的水平位移方面，由数值模拟结果和施工经验可以得出，既有隧道在新建隧道开挖过程中产生的水平位移最大值出现在两侧拱脚.其位移变化情况如图9 所示.相对于未加固的工况四，左侧拱脚在进行加固后工况一、工况二、工况三最大值分别降低27%、22.5%和18.4%.可以看出，在限制水平位移方面，工况一和工况二加固效果差别不大，钢拱架略好于拱肩支撑加横向拉结，而本工程中加长加密锁脚锚杆对既有隧道拱脚收敛虽有一定的限制，但效果不如型钢和钢拱架.

图9 左拱脚水平位移变化曲线图Fig.9 Horizontal displacement curve of left arch foot

图10 是地表最大沉降随开挖过程的变化曲线图.由图中可以看出，地表沉降随着开挖的进行逐渐增大，在开挖结束后增长到最大值. 与工况四相比，工况一、工况二、工况三在开挖结束后的最大地表沉降分别降低28.7%、23.2%和18.6%.可以看出在限制地表沉降方面工况一＞工况二＞工况三.

图10 地表最大沉降变化曲线图Fig.10 Curve of maximum ground settlement

综上所述，对于Ⅴ级围岩大断面暗挖隧道，在无二衬情况下三种加固方式的加固效果钢拱架＞拱肩支撑加横向拉结＞拱顶钢支撑+加长加密锁脚锚杆.

由图7～图10 中工况三的计算结果可以看出，无论是地表沉降、隧道竖向沉降以及拱脚收敛，在整个开挖过程中各项变形的最大值均小于警戒值，并且数值模拟的各项结果与现场实测数据差别较小，有着较好的吻合，验证了计算结果的可靠性，从数值模拟的角度说明了本工程盾构隧道下穿对既有隧道的扰动在合理范围内.而对于本工程所采取的加固方案虽然加固效果不如前两者，但加固后既有隧道变形已满足安全性要求，有足够的安全储备.与此同时从经济性的角度来说本工程所采取的加固方式用钢量小于前两者，并且对锁脚锚杆进行加长加密施工简单，注浆锚杆造价低，对既有隧道的加固效果最为直接.因此综合安全性和经济性来说本工程所采用的加固方式是可靠的，合理的.

4 结 论

对于Ⅴ级围岩大断面暗挖隧道，三种常见暗挖隧道洞内加固方式的加固效果，钢拱架＞拱肩支撑，加横向拉结＞拱顶竖向支撑+加长加密锁脚锚杆.而对于本工程的加固方式来说虽然效果不如前两者，但依旧满足安全性要求.并且造价低，施工简单，符合经济效益，其加固方案的选择是合理的.

无论是监测数据还是数值模拟结果，都显示既有隧道在盾构穿越过程中各方面的变形均小于控制值.从而说明对于本工程来说，在新旧隧道净距小于一倍洞径，二衬未施工，规范未允许的情况下对暗挖隧道做好加固措施，严格控制掘进参数，盾构是可以先行穿越的.从而为日后在穿越既有隧道的工程中出现类似情况提供借鉴.其中盾构掘进参数，出土量注浆量等施工数据以及既有隧道的加固方式也为日后类似工程施工提供参考.