软土地区超大直径盾构下穿既有轨道交通沉降有限元模型计算和控制保护

肖彦斌

（中铁上海设计院集团有限公司，上海，200070）

随着城市进程快速化，地下空间资源被逐渐开发，地下出现越来越多的市政管线、污水隧道、轨道交通等基础设施，因此新建隧道平行或交叉穿越既有建（构）筑物成为了不可避免的问题［1－2］。在新建隧道的设计中，需要提前对穿越既有建（构）筑物产生的变形沉降进行有限元分析计算，预测穿越后的变形能否符合相关国家、地方性规范的要求，是否会对既有建（构）筑物产生危害，能否通过一些其他的技术措施来减小结构变形的影响。笔者以杭州城市快速路地下通道工程大直径泥水平衡盾构下穿地铁2号线为实例，参照国家、地方性的相关行业标准，对超大直径泥水平衡盾构穿越既有轨道交通进行三维有限元计算分析，对穿越后产生的变形沉降进行预测，并且依据现场监测数据与理论计算结果进行对比，同时提出一些相关技术措施来减小既有结构的变形，确保既有轨道交通的安全。

1 确定隧道横向沉降的方法

1.1 Peck公式计算横向沉降

影响土体沉降大小的因素主要有以下3点。（1）工程水文地质情况，例如土体的摩擦角、粘聚力、压缩模量等。（2）隧道的设计参数，例如隧道直径、埋深、线间距等。（3）施工工艺，例如盾构推进时是否及时进行同步注浆加固，是否及时调整刀盘切口压力；穿越后是否根据实时监测及时进行二次注浆加固等。

工程中最常用确定隧道横向沉降的方法为经验值法［3－4］。即盾构在推进过程中，隧道上方产生大致满足正态分布的沉降槽，其中隧道正上方的沉降量最大。

隧道产生的最大沉降由下列公式决定：

式中：VLS为地层损失率（‰），即隧道推进每米的地层损失量（m3／m）与隧道实际挖掘面积VA（m2）的比值；i为隧道沉降槽的宽度，由隧道的埋深和隧道断面的土层性质决定，DA为隧道开挖直径。

隧道在横向任意位置产生的沉降可由Sz表示：

式中：Sz，max为最大竖向沉降；i为隧道沉降槽的宽度；x为距离隧道中心的距离。

此外，在同一断面的任意深度也可用满足正态分布的沉降槽来表示，并且假设在任意深度沉降槽的体积均与地表的相等（图1），同时满足规律［5］。最大竖向沉降Sz，max随着深度Z的增加而增大。隧道沉降槽的宽度i随着深度Z的增加而减小。

图1 隧道横向沉降槽在不同深度的分布Fig.1 Distribution of tunnel lateral settlement grooves at different depths

1.2 不同土体本构模型下的横向沉降分布曲线

不同土体本构模型下横向沉降槽分布曲线［6］可知（图2），Drucker－Prager模型横向沉降槽最浅，Cam－Clay模型最深。距离隧道中心线越远，各土体本构模型沉降槽均趋近于0，但速度快慢不同，沉降槽最浅的Drucker－Prager模型变化最缓慢，因此对周边的影响范围最大。结合之前的建模经验，该工程采用Drucker－Prager土体本构模型模拟隧道掘进开挖最为合适。

图2 不同土体本构模型下的横向沉降槽［6］Fig.2 Transateral sedimentation tank under different soil constitutive models

1.3 Drucker－Prager土体本构模型

在隧道工程中，土体往往表现出不均匀性和各向异性，在外荷载的作用下，容易发生屈服，产生弹性变形及不可逆的塑性变形，因此土体呈现出非线性。Drucker－Prager弹塑性模

型能很好地处理具有不同屈服强度的材料，其屈服面不随材料的屈服而变化，同时还考虑了材料由于屈服而引起的体积膨胀，因此适用于模拟土、混凝土等材料［7］。Drucker－Prager模型的屈服面方程为：

式中：I1为应力的第一不变量，J2为应力偏量第二不变量；α，K为实验常数。

在实际工程中采用有限元计算软件模拟盾构穿越施工过程，预测施工完成后既有结构产生的最大沉降量，应根据地质勘察报告的相关土层参数建立三维块体单元模型，而后利用经验确定盾构推进时产生的地层损失率计算既有建构筑物的变形沉降。

2 工程实例

2.1 工程概况

杭州城市快速路地下通道工程线路全长为5.28km，采用以盾构为主、明挖为辅的施工方案，其中盾构段为东西2段双线隧道，西段隧道长约1.84km；东段隧道长约1.75km。隧道外径为11.36m，内径为10.36m，环宽为2m，管片厚度为500mm，环间采用错缝拼接方式。线路最大纵坡为3%，最小转弯半径为1 200m，采用一台直径11.66m大型泥水平衡式盾构掘进机。

地铁2号线隧道采用外径为6 200mm，内径为5 500mm，衬砌厚度为350mm的管片结构。衬砌环全环由6块组成，即1块封顶块、2块邻接块和3块标准块构成。环间采用错缝拼接方式。区间上行线长为1 558.5m，下行线长为1 571.9m。隧道埋深为9.4～17.3m，最大纵坡为24‰。

工程大盾构西段隧道在道路路口垂直下穿既有地铁2号线区间，路口下方有大量重要管线，周边有多座住宅楼及商铺。交叉节点处地铁2号线位于②淤泥及淤泥质黏土，隧顶埋深约为10.4m。地下通道大盾构上部位于③淤泥质粉质黏土，下部位于④淤泥质黏土，潜水位埋深为地面下1.60～2.50m。拟建范围②～④层均为流塑状淤泥质土，地基承载力特征值仅有80～90kPa，具有低强度、高压缩性，有较明显的蠕变、触变特性，属于典型的软土地层。快速路地下通道与地铁2号线隧底最小竖向净距仅为5.3m，在软土地区超大直径盾构施工对既有地铁隧道的影响较大，二者平面及立面关系（图3）。

图3 西段隧道与地铁2号线相对关系图Fig.3 Relative relationship diagram between the west section tunnel and metro No.2line

2.2 工程难点

（1）大断面盾构下穿。地下通道采用11.66m大直径泥水平衡盾构机，管片外径为11.36m，大断面施工影响范围大，不易控制。

（2）大盾构与地铁2号线隧道最小竖向净距仅为5.3m，所处土层为③淤泥质粉质黏土，地层软弱，承载力低，并且地铁2号线已洞通，不存在做地面加固的条件。大盾构下穿对地铁2号线的影响较大，需同时考虑大盾构双线穿越后对地铁隧道的叠加影响。

（3）穿越节点位于道路路口，上方管线众多，周边建构筑物林立，环境复杂，对施工控制地表沉降的要求较高。

2.3 沉降控制标准

参考“城市轨道交通结构安全保护技术规范”规范，以及地方工程建设标准“城市轨道交通结构安全保护技术规程”关于地铁结构的安全控制值进行保护［8］，此工程快速路地下通道大盾构穿越地铁2号线的变形控制指标（表1）。

表1 地铁2号线结构安全控制指标Table 1 Structure safety control index of metro No.2line

报警值按安全控制指标的70%控制，当地铁隧道沉降超过报警值时，应及时采取注浆加固等技术措施防止地铁隧道的进一步变形沉降。

2.4 有限元计算模型

研究采用有限元计算软件MIDAS／GTS NX 2017建立三维模型进行计算，模型长120m，宽50m，高50m。土体本构模型选用非线性Drucker－Prager模型，衬砌结构按线弹性考虑，材料采用C50混凝土；注浆加固体按线弹性考虑，材料采用C15混凝土，范围为隧道外2m。快速路地下通道大盾构穿越地铁2号线的土层至上而下分别为：①杂填土；②淤泥及淤泥质黏土；③淤泥质粉质黏土；④淤泥质黏土；⑤黏土；⑥粉细砂，地下水位埋深取地面下2m，根据现场地质勘察资料，计算模型的土层参数（表2）。

表2 土层参数Table 2 Soil layer parameters

有限元计算模型边界左右2端约束其不可横向移动，只可竖向移动；底端约束其水平和竖向位移；顶端自由，不加约束条件。

施工顺序：首先，地铁2号线完成施工（初始状态）；其次，快速路地下通道大盾构北线随后施工；最后，快速路地下通道大盾构南线最后施工的顺序设定，以分析地下通道大盾构下穿地铁2号线的变形沉降影响。在计算模型中，在大盾构掘进方向每5m作为一次开挖土体单元，通过“钝化”相应网格组模拟开挖过程，同时“激活”等长度的衬砌单元和等代层土体单元模拟隧道管片拼装及注浆加固施工。

2.5 计算结果

2.5.1 工况一：大盾构南北线下穿地铁2号线时均不加固

根据已有的工程经验和监测数据，快速路地下通道南北线大盾构均以地层损失率3‰下穿地铁2号线区间，但施工过程中不采取同步注浆、壁后二次注浆等加固措施，大盾构掘进过程中对地铁2号线的变形沉降影响（图4）。

图4 大盾构掘进过程中对地铁2号线的影响曲线Fig.4 Influence curve on metro No.2line in the process of large shield tunneling

根据计算结果可知，在不采取注浆加固的措施下，大盾构单次穿越地铁2号线区间，产生的沉降均超过10mm。当大盾构双线穿越后，对地铁2号线区间产生的累计沉降均超过20mm，不满足相关地铁保护的要求，需在大盾构穿越时对既有地铁隧道采取加固措施。

2.5.2 工况二：大盾构南北线下穿地铁2号线采用注浆加固措施

快速路地下通道南北线大盾构在穿越地铁2号线期间及时进行同步注浆加固，穿越后及时进行2次补浆加固。当大盾构双线均以地层损失率3‰下穿地铁2号线时，大盾构掘进完成后对地铁2号线的变形沉降影响对比（图5）。

图5 大盾构完成掘进后对地铁2号线的影响曲线对比Fig.5 Comparison of the influence curve on metro No.2line after the large shield tunneling process

根据计算结果可知，当采取注浆加固措施后，地铁2号线左线产生的累计沉降减小23%，右线产生的累计沉降减小32%，隧道横向沉降槽呈“U”字形，与Peck法确定的沉降分布曲线相一致。大盾构单次穿越地铁2号线产生的沉降均小于10mm，双线穿越后产生的累计沉降小于20mm，满足相关地铁保护的要求。

2.6 技术保护措施

根据有限元计算结果，快速路地下通道大盾构下穿地铁2号线区间的方案是可行的，但由于施工过程中盾构施工参数的不稳定以及注浆加固的不及时，仍可能存在众多不确定的风险。为了保证大盾构穿越地铁2号线的安全，建议在穿越期间着重采用以下技术措施［9－12］。

（1）可将大盾构穿越地铁2号线前100m作为试验推进段，就盾构推进速度、刀盘转速、正面泥水平衡压力、出土量、同步注浆量等施工参数与地面、沿线建构筑物的沉降关系进行分析，掌握在此地质条件下地面和建构筑物的沉降规律，获得的施工参数用于指导后续地铁2号线区间的穿越。

（2）盾构推进时，及时进行同步注浆加固，同步注浆率≥110%，充填管片与土体间的空隙，减少施工过程中土体的扰动。在穿越地铁2号线的区段设置增设预埋注浆孔的管片，每个邻接块和标准块增加2个注浆孔。在大盾构穿越地铁隧道之后，根据监测数据情况，及时对地铁结构后期沉降较大的区域进行二次注浆加固，进一步减小地铁隧道的变形沉降。

（3）在穿越地铁2号线的区段时，大盾构隧道管片纵向增设剪力销，环向管片接缝处增设预埋钢板，以此来增大大盾构的整体刚度，减小大盾构隧道的收敛变形及位移，从而减小对地铁2号线区间变形沉降的影响。

（4）大盾构在下穿地铁2号线期间严格保证掌子面泥水平衡压力的稳定，严禁超挖或欠挖，保证地层损失率≤3‰，尽可能使大盾构均衡、匀速地穿越地铁隧道，避免发生过大的纠偏，减小对土体的扰动。

（5）地铁2号线在穿越节点处前后不小于50m范围内加强监测点的布设和加大监测频率，采用以自动化监测为主，人工监测为辅的方案，及时将地表和地铁隧道的变形沉降情况反映给大盾构施工人员，以便他们可以及时调整施工参数及注浆量，确保大盾构穿越地铁隧道时的施工质量［13］。

3 结论

快速路地下通道大盾构北线于2017年5月2日进入地铁2号线影响区范围，5月6日盾构机盾尾拖出2号线影响区范围。南线大盾构于2018年1月29日进入地铁2号线影响区范围，2月6日盾构机盾尾拖出2号线影响区范围，而后根据地铁隧道的沉降监测情况进行了4个多月的二次补浆加固。大直径泥水平衡盾构顺利、安全地穿越地铁2号线区间。根据现场监测数据，大盾构双线穿越后，地铁2号线上行线产生的最大累积沉降达到－14.3mm，下行线产生的最大累积沉降达到－12.0mm。

通过工程实践表明，在施工过程中采取注浆加固、优化施工参数等技术措施，可将地铁结构的变形沉降控制在理论计算范围之内，并略小于理论计算值。考虑到实际施工过程中影响因素众多，有限元计算模型土层及材料相关参数的选取基本准确。后续可通过注浆加固体试块实验，得到相关计算参数，如内摩擦角、粘聚力、压缩模量等，在有限元模型计算中用试验取得的参数模拟注浆加固体，可使理论计算值更接近现场监测值。该工程的顺利实施可为今后同类工程的设计、施工提供参考借鉴。