盾构下穿既有隧道对土体及结构变形的影响

许 联,卜 成，邵苏文，孙晋晶，王永杰，王志华

(1.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江 212021；2.南京吉欧地下空间科技有限公司，江苏 南京 211899； 3.南京工业大学城市地下空间研究中心，江苏 南京 211816)

0 引言

近些年我国城市地铁隧道进入快速发展时期，地下交通系统愈加发达，同时也越来越复杂，盾构施工下穿既有建筑物也愈发普遍。盾构掘进过程中，由于周围土体的缺失引起盾构临近建筑物内力的重分布，产生不均匀变形，对既有建筑物安全性产生威胁。因此，针对盾构下穿既有隧道引起的结构变形开展研究是一项非常有工程价值的课题。

当前，国内外学者已有关于新建盾构隧道下穿既有结构引起的变形研究。Peck[1]在不考虑土体排水的情况下，提出了盾构开挖引发地面沉降的经验公式；Attewell[2]在Peck研究的基础上，提出了计算横断面上沉降最大值的计算公式，随后在Attewell横向曲线的基础上做了补充，提出了计算隧道纵向沉降曲线的公式[3]。何川等[4]采用室内相似模型试验，研究了地铁盾构隧道重叠下穿施工引起上方已建隧道的变形，得出顶推施工将引起已建隧道在掌子面前方产生较大附加内力，为类似地铁盾构重叠施工提供了技术支持。张晓清等[5]考虑了隧道施工衬砌与土体两种介质下应力变化情况，推导出新建隧道施工时既有隧道和扰动土体在时间域内的应力迁移解析式，为今后类似多线叠交隧道工程的设计和施工提供理论指导。魏纲等[6]采用能量变分法推导盾构穿越施工引起的既有隧道纵向变形公式，计算了既有隧道的竖向位移、环间的错台量、转角和剪切力，进而判断既有隧道结构的安全状态。甘晓露等[7]基于两阶段分析法建立了考虑新建盾构隧道上浮影响的隧道下穿引发既有隧道纵向变形计算模型，得出了控制新建隧道上浮量或减小新建隧道直径可有效减小由于上浮效应造成的既有隧道隆起变形的结论。

近年来诸多学者采用数值模拟的方法进一步研究复杂工况下盾构施工对既有结构的影响。廖少明等[8]考虑盾构隧道叠交施工之间相互影响，应用边界单元法分析了相邻隧道开挖过程中三种典型叠交位置引起既有隧道主体结构的变形，对盾构施工引起的地层位移场分布规律及相互影响进行了分析。张志强等[9]利用三维有限元法分析盾构推进力与掘进速率对既有隧道的影响，提出了在“卸荷”型地下建筑物下方修筑盾构隧道时不宜采用“加大推进力-快速通过”盾构施工的模式，应采用相反的施工模式。毛新颖等[10]结合实际工程，采用有限差分方法对地铁盾构下穿公路隧道全过程进行三维数值模拟，结果表明既有建筑物的存在对土体有一定的约束作用，距公路隧道侧墙越近，由盾构施工引起的地表横向沉降槽深度越小。

许多学者通过理论分析、工程经验以及数值模拟的方法开展了新建隧道施工引起的土体变形研究，但尚未讨论盾构到隧道底板距离对既有隧道结构的影响。本文通过有限单元法对南京地铁5号线区间隧道盾构近距离下穿某公路隧道进行数值模拟分析，研究盾构穿越公路隧道对土层及既有隧道的变形影响，并讨论不同盾构与既有隧道之间距离的影响规律，可为类似盾构施工提供借鉴与参考。

1 工程概况

本工程为南京地铁5号线下关站—建宁路区间盾构段，此段隧道起于下关站，止于建宁路站，左线起讫里程K34+671.472～K35+212.202，右线起讫里程K34+722～K35+212.202，左右线区间长度分别为771.657 m，744.508 m。本区间段采用盾构法施工，盾构隧道内径5.5 m，外径6.2 m，管片环宽1.2 m，厚350 mm。区间出下关站后沿中山北路向西，以曲线R=350 m的曲线半径呈“V”型，左线线路先以23.288‰下坡，然后以28.271‰上坡，右线先以24.213‰下坡，然后以29.500‰上坡，下穿惠民路高架桥(正在实施桥改隧道工程)及惠民路暗涵后向北拐向规划中央大街，下穿鼓楼人民来访接待中心桩基，侧穿下关区人民政府，到达建宁路站。盾构及既有公路隧道位置见图1。

项目所在地区属长江漫滩地貌，地面高程7.77 m～9.69 m，据钻孔资料显示，土层从上至下依次为①1杂填土，层厚1.30 m～6.20 m；①2素填土，层厚1.90 m～7.80 m；②2淤泥质粉质黏土夹粉砂，厚度2.70 m～29.20 m；②3粉质黏土夹粉砂，厚度12.30 m～30.00 m。各土层的主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层的主要物理力学性质指标

2 盾构下穿既有隧道三维有限元模拟

为分析盾构施工对既有隧道的变形影响，建立南京地铁5号线下关站—建宁路区间盾构下穿既有隧道的三维有限元模型，如图2所示。模型确定的范围为盾构走向(X向)120 m，即隧道两侧距离Y-Z平面的土体边界39 m；隧道方向(Z向)100 m，盾构区间中心线与X-Y平面的土体边界距离为50 m；竖直方向(Y向)70 m，上表面边界为地表，下表面边界为盾构底部以下约50 m。数值模型中土层自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、②2淤泥质粉质黏土夹粉砂、②3粉质黏土夹粉砂，厚度分别为2.1 m,2.4 m,29.2 m,30.3 m，地铁盾构区间与节点隧道空间具体位置如图3所示。

岩土体采用实体单元模拟，隧道管片及盾壳利用有限元软件“析取”功能形成2D板单元。岩土体采用修正摩尔-库仑本构模型，隧道及盾构结构采用线弹性模型，其中盾构管片简化为均质材料，未考虑现场管片采用错缝拼接及螺栓连接固定。为更真实地模拟管片的实际情况，模拟过程中对管片的刚度进行了一定的系数折减。整个模型顶部设置自由边界，左右两侧边界设置Z向约束，前后两侧边界设置X向约束，底部设置Y向约束。数值模型中各层土体参数如表2所示，结构材料参数如表3所示。

表2 模型土层参数

表3 结构材料参数

在模拟盾构掘进施工过程，以长度1.2 m的管片为施工单元，按4个施工单元作为一个施工阶段的长度，即4.8 m为一个施工步。模型的盾构掘进距离为120 m，盾构右线与盾构左线先后掘进120 m，右线盾构先施工，左、右线各27个施工阶段，共54个阶段。初始阶段选择激活土体、公路隧道结构、边界条件，采取位移清零，模拟开挖前的工况。正式施工阶段依次为：

1)进行1阶段开挖土体的钝化，并激活1阶段的盾构外壳。

2)钝化2阶段开挖土体，激活2阶段盾构外壳，同时激活1阶段盾构管片。

3)钝化3阶段开挖土体，激活3阶段盾构外壳，同时激活2阶段盾构管片，对1阶段盾构外壳进行钝化，并施加属性修改边界，生成注浆单元，完成盾尾注浆。后序施工步骤以此类推，至第27阶段，完成盾构施工模拟。盾构左线施工步骤与盾构右线一致。模型施工阶段具体如图4所示。

3 数值模拟结果分析

3.1 盾构下穿施工对地表沉降影响

为了分析地表沉降的动态分析，选取了两个断面进行地表沉降监测，如图5所示。断面1是与盾构掘进方向垂直的断面，断面2为左右线盾构隧道之间的中轴线位置与地表平面交叉的断面，平行盾构掘进方向。

通过提取模拟值，得到不同施工阶段后地表沉降变化曲线图，如图6所示。可以看出，断面1地表沉降曲线类似Peck沉降曲线，当盾构左线隧道施工完成后，地表沉降的数值及范围较盾构右线完成下穿后有一定程度的增加，沉降最大值出现在盾构右线的正上方，最大值为14.60 mm，且右线下穿完成后占最终沉降变形的70%，说明先行盾构施工对地层扰动影响更大，实际施工中需加强对先行盾构施工的检测。断面2的沉降曲线可以看出，盾构左线施工完成后，地表沉降数值和范围较右线完成下穿后有一定程度的增加，沉降较大区域发生在盾构下穿既有隧道前，同样印证了先行盾构施工对地层沉降变化影响较大的结论。

为进一步讨论距公路隧道不同距离对地表沉降的影响，继续选取3个垂直于盾构掘进方向的观测断面(平行于断面1)，并与断面1进行对比分析，盾构左线施工完成后地表沉降对比曲线如图7所示。

由图7可知，距隧道侧墙不同距离的地表沉降存在差异。距离公路隧道侧墙4 m,10 m,16 m,22 m的断面最大地表沉降量依次为10.2 mm,13.4 mm,14.22 mm,14.60 mm。盾构掘进过程中，越靠近公路隧道，地表沉降变形越小，因为施工过程中，公路隧道重量小于周边土体自重，受地层扰动产生的沉降值小于土体沉降值，盾构穿越公路隧道的过程中，公路隧道对周围土体的变形约束不可忽视。

3.2 盾构下穿施工对既有隧道变形的影响

地铁盾构下穿既有隧道不可避免对结构产生影响。图8为不同阶段盾构下穿施工引起既有公路隧道竖向位移云图，第8个施工阶段对应工况为盾构接近公路隧道，此时公路隧道最大竖向位移为0.17 mm；第16个施工阶段对应盾构穿越公路隧道时，此时公路隧道最大竖向位移为1.07 mm；第27个施工阶段为盾构远离公路隧道，此时最大竖向位移为1.01 mm；第54个施工阶段即盾构施工结束时公路隧道最大竖向位移为0.77 mm。

通过提取模拟数据值，绘制盾构掘进过程中隧道顶板与隧道底板竖向位移变化曲线，分别如图9,图10所示。盾构掘进的过程中，既有隧道整体呈现先压缩后回弹并最终趋于稳定的状态。整个盾构施工完成后，隧道顶板竖向位移最大值0.48 mm，隧道底板竖向位移最大值为0.69 mm；整个施工过程沉降发生在盾构下穿既有隧道时，此时隧道顶板达到最大竖向位移值0.79 mm，隧道底板达到最大沉降值0.97 mm。在下穿的第8～第16施工阶段过程中，因盾构掘进施工，盾构上方土体应力释放较大，土体发生沉降引起既有隧道发生较大变形。所以在盾构下穿既有隧道的施工过程中，应加强对既有隧道的监测，当发生变形速率过快的情况时，需尽快采取注浆加固等措施，保证既有隧道结构的安全稳定。

既有隧道结构的底板竖向位移变化量大于顶板中心轴线上的竖向位移变化量，究其原因是由于盾构施工对上方不同深度土层的影响不同，距离盾构顶部越近，土体受到的扰动程度越大，隧道底板受土体变形影响更大。

3.3 不同距离的盾构施工对既有隧道变形的影响

为进一步研究盾构施工穿越既有隧道土层及隧道结构的变形特性，设置了盾构拱顶到隧道底板距离分别为2 m,5 m,8 m,11 m的四种工况进行对比，以分析不同距离盾构施工对既有隧道的变形影响。图11为各工况下地表沉降的变化曲线。

由图11可以看出，不同工况下的地表沉降曲线均符合Peck沉降曲线，但是随着盾构与既有隧道之间距离的增加，地表沉降的最大位移值在逐渐减少，说明土层距离盾构越近，所受到的影响就越大，沉降值就越大。但是进一步分析发现，当盾构距离既有隧道超过5 m时，地面土层受到盾构施工的影响相比5 m以内的要小，所以在地质条件允许的情况下，盾构下穿既有建筑物时，设计初始阶段可以适当地拉大盾构隧道与既有建筑物之间的垂直间距。

图12,图13分别为各工况下隧道顶板和隧道底板的竖向位移变化曲线。可以看出，盾构距离公路隧道5 m时，隧道顶、底板竖向位移最大，隧道顶板最大竖向位移为0.7 mm，底板为0.94 mm，当盾构距离既有隧道超过5 m时，隧道结构的竖向位移明显减小，5 m范围以内时，盾构施工对既有隧道的影响较大。分析原因为盾构施工引起周围土体缺失，随着土体缺失的不断积累，隧道整体发生沉降变形，当盾构上方覆土厚度增加时，隧道底板附近的土层所受到的变形影响变小，既有隧道产生的变形更小。

4 结论

为了研究盾构隧道施工对土体以及既有隧道结构变形的影响，建立南京地铁5号线下穿既有隧道有限元数值模型，模拟计算盾构施工过程中地面沉降和结构变形量，得到以下结论：

1)地表沉降最大值出现在盾构右线的正上方，最大值为5.12 mm，且右线下穿完成后占累计沉降变形的70%，说明先行盾构施工对地层的扰动更大，在实际工程中应加强先行盾构施工过程中的监测。

2)既有隧道上方土体沉降量比新建隧道上方土体沉降量要小，从侧面说明既有隧道结构的存在能改变地层位移场，有效约束土体位移场的变化，减小结构上方土体的变形量。

3)盾构掘进施工过程中，既有隧道整体呈现先沉降后回弹再渐进稳定的趋势，竖向位移变化在控制范围以内；在施工期间尤其盾构下穿既有隧道过程中，最容易出现变形速率快的情况，从而导致竖向位移量过大。

4)随着盾构与既有隧道之间距离的增加，地表沉降和既有隧道结构变形量减少，当盾构距离既有隧道超过5 m范围时，地表沉降和隧道结构的竖向变形明显减小。