软土区多线交叠盾构隧道施工影响性研究

何磊

[摘  要]：近年来，随着我国经济快速发展，地铁里程在城市中迅速增加，软土地区多线交叠情况的出现已逐渐成为常态，文章通过迈达斯数值模拟分析软件分析地铁多线交叠处新建隧道对既有线的影响，指导类似工程施工，保证施工安全性。

[关键词]：软土; 多线交叠; 盾构隧道; 影响性研究

U452.2+6A

近年来，随着地铁里程数的不断增加，新建隧道下穿既有线及盾构隧道多线交叠情况屡见不鲜，如何保证施工过程中的安全性成为工程界需要时刻重视的问题。钱佳亘[1]结合北京地铁近年来的相关经验，通过工程实例研究了沉降控制的精细化管控措施。付春青等[2]以北京地铁为背景，通过修正等效连续模型，采用数值模拟手段从隧道净距及地层性质两方面进行了参数分析。杨武林[3]总结了地铁隧道下穿既有线施工过程中容易产生的问题并对具体施工技术进行了阐述。赵焕等[4]通过构建三维有限元模型研究了在不同注浆压力和土体损失率下修建盾构穿越既有线隧道对既有线隧道衬砌的影响。张运涛[5]采用經典力学理论，以多跨连续梁为模型，进一步分析了基础变位作用下结构的受力行为，根据分析结果，提出以极限状态为原则的结构沉降控制标准;建立三维数值模型模拟了施工全过程，并用于实际工程。王乃勇[6]采用FLAC3D进行了盾构施工三维数值模拟，分析了盾构下穿对高速公路的影响并评价了施工安全性。谢良超[7]为分析隧道横向、纵向沉降规律，从加固隧道钢圈、设置监测节点两方案来调整试验段施工参数并由此确定下穿指导施工参数。罗跃春等[8]以上海某地铁区间为工程背景，建立三维盾构隧道模型，分析了其在软土中的接头张开以及变形发展规律。进行了用钢板加固隧道的分析，探讨了钢板加固隧道效果及隧道变形行为响应。范雨等[9]通过ABAQUS数值模拟软件建立了盾构隧道开挖的平面模型对隧道穿越砂-灰岩交界面引起的地层变形规律、隧道衬砌受力及变形特征进行了分析。

基于前人研究的结果，对多线交叠盾构隧道施工影响性分析较少，本文通过建立三维模型探究三线交叠盾构隧道新建线施工对既有线的影响。

1 工程背景

本文以某城市轨道交通工程2、4、5号线三线交叠先后施工为例，5号线左线在下，右线在上，左、右线竖向净距为1.8 m，平面上错开0.125 m，右线隧道与2号线竖向净距为2.481 m，5号线与4号线的水平净距为7.555 m，4号线左线在上，右线在下，左右线竖向净距为1.8 m，右线隧道与2号线竖向净距为3.516 m。2号线为既有线，4号线先于5号线建设，位置关系及周边土层见图1。

2 数值计算及分析

2.1 计算模型建立及参数选取

采用迈达斯（GTS）对本工程进行模拟分析，根据既有2号线与4、5号线空间相对位置关系，根据地质勘察资料并假定地层在水平方向上均匀分布建立了三维有限元模型。4、5号线与既有2号线盾构隧道管片均采用板单元进行模拟。模型左右两侧及前后侧均对法向位移进行约束，对底面的X、Y、Z方向的位移进行约束。有限元模型如图2、图3所示。有限元模型尺寸为长100 m、宽80 m、高70 m，盾构隧道外径6.2 m，管片厚度0.35 m。

Mohr-Coulomb屈服准则表达式为：

τn=σntgυ+c

以不变量表示屈服条件为：

f=13I1sinυ+（cosθσ-13sinθσsinυ）J2-ccosυ

I1为应力张量的第一不变量：

EpIp=EcIc

J2为应力偏张量的第二不变量：

EpIp=EcIc

经过前人无数的理论分析与实际经验表明，土体弹塑性破坏准则Mohr-Coulomb屈服准则能较为真实的体现土体的性质，计算结果也较为贴近工程实际，因此本工程计算土体均也采用Mohr-Coulomb准则。土体均采用实体单元模拟。

各土层物理力学参数如表1。

管片等混凝土材料破坏模式均接近于弹性破坏，因此在数值计算中对管片赋弹性。管片选用C50混凝土，据规范C50弹模为34.5 GPa，考虑管片接头对整体弹模的折减，折减系数取0.75，因此取管片弹模为25.875 GPa，泊松比取0.2，重度取25 kN/m3。

2.2 数值计算及结果分析

将本工程数值仿真分为8个步骤模拟，数值模拟施工顺序如下：

（1）4号线右线施工至交叉处。

（2）4号线右线施工结束。

（3）4号线左线施工至交叉处。

（4）4号线左线施工结束。

（5）5号线左线施工至交叉处。

（6）5号线左线施工结束。

（7）5号线右线施工至交叉处。

（8）5号线右线施工结束。

既有2号线Z向位移随开挖进行位移变化如图4所示，既有2号线X、Y向位移随开挖进行位移变化如图5所示，土体竖向最大位移随开挖进行变化如图6所示。

由图4可得出，随着开挖的进行，既有2号线Z向位移逐渐增大，且增速逐渐减缓，这是由于在施工过程中一边施工一边上支护并注浆，增加了该交叠处强度。到交叠处施工完成时，既有2号线Z向最大位移为5.34 mm，满足规范10 mm要求，现场施工应加强该处监测。

由图5可得出，随着开挖进行，既有2号线X、Y向位移逐渐增加，交叠处施工完成时，最大X向位移仅有0.74 mm，最大Y向位移仅有0.83 mm，均满足规范10 mm要求。两方向位移增速随着施工进行均逐渐减小，这是由于在施工过程中一边施工一边上支护并注浆，增加了该交叠处强度。

由图6可得出，交叠处第1个施工步骤完成时，土体最大竖向位移达到10.31 mm，交叠处完成时最大竖向位移为14.89 mm，第一个施工步完成时达到了69.2%的土体最大位移;随着施工进行，土体最大位移增速明显减缓，由第1～2步的16.5%到第7～8步的0.27%，这也是由于在施工过程中一边施工一边上支护并注浆，增加了该交叠处强度。

所有计算结果汇总如表2示。由表2分析可得：

（1）5号线正上方处2号线位移。最大Z向位移为4.7 mm，最大X向位移为0.45 mm，最大Y向位移为0.47 mm，均满足规范10 mm要求。施工中应加强该处监测。

（2）4号线正上方处2号线位移。4号线正上方处2号线位移：最大Z向位移为4.95 mm，最大X向位移为0.3 mm，最大Y向位移为0.48 mm，均满足规范10 mm要求。施工中应加强该处监测。

（3）4、5号线中部正上方2号线位移。4、5号线中部正上方处2号线位移：最大Z向位移为5.34 mm，最大X向位移为0.06 mm，最大Y向位移为0.59 mm，均满足规范10 mm要求。施工中应加强该处监测。

（4）5号线施工过程中4号线位移。最大Z向位移为1.54 mm，最大X向位移为2.79 mm，最大Y向位移为0.17 mm，均满足规范10 mm要求。施工中应加强该处监测。

3 结论

（1）通过对本工程三线交叠处各计算阶段的模拟分析，得出各阶段既有线的X、Y、Z三向位移，既有2号线竖向最大位移为5.34 mm，满足控制限制，需在后续运营中对其进行持续监测。

（2）由于本段盾构区间下穿2号线段存在一定厚度的圆砾土、黏质粉土。该区域地下水十分丰富，且补给特征明显，盾构施工容易发生地层扰动、塌落问题，盾构自身施工风险及掘进控制难度较大，需要加强盾构施工质量并强化后续同步注浆及二次注浆的施工质量。盾构下穿地铁2号线段，应采用泥水平衡盾构模式进行掘进，以确保将2号线位移控制在安全值范围以内。

（3）为加强落实技术处理措施，并合理安排施工工序，提高施工质量，降低施工风险，建议本段区间的施工单位编制详细的施工组织计划及施工方案，并提请专家组审查。

（4）建议成立专项工程质量安全小组，由业主、设计、施工、监理及监督部门联合工作，并第一时间处理现场问题，确保施工有序、安全，应急抢险措施及时、有力。

（5）通过对本工程的分析，可以对类似工程起到借鉴作用。

参考文献

[1] 钱佳亘.新建盾构隧道下穿既有线沉降控制技术的研究[J].山西建筑，2021，47（14）：128-131.

[2] 付春青，张功，张雯超，等.盾构法近距离下穿施工对既有盾构隧道的影响[J].科学技术与工程，2021，21（17）：7319-7326.

[3] 杨武林.新建地铁隧道下穿既有地铁施工技术[J].四川建材，2021，47（4）：151-152+161.

[4] 赵焕，李伟，丁智，等.多线叠交地铁隧道施工影响数值分析[J].市政技术，2020，38（3）：141-145.

[5] 张运涛.地铁盾构隧道下穿既有地铁车站变形控制标准探讨[J/OL].铁道标准设计：1-7[2022-04-28].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2987.u.20211124.1832.027.html.

[6] 王乃勇.雙线盾构隧道斜交下穿对高速公路的影响[J].科学技术与工程，2021，21（32）：13919-13925.

[7] 谢良超.富水地层盾构施工隧道变形控制技术研究[J].建筑技术，2021，52（11）：1325-1328.

[8] 罗跃春，童佳荣，王宁伟，等.软土地区盾构隧道变形及加固分析[J].工程建设与设计，2021（21）：152-154.

[9] 范雨，赵慧玲，姚旭朋.穿越上软下硬复合地层交界面的双线盾构隧道开挖稳定性分析[J].中国市政工程，2021（5）：100-103+107+121-122.