上软下硬地层盾构下穿既有隧道扰动变形研究

王明明　王正庆　翟浪宝　郭运华　卢麟　王露

摘要：针对上软下硬倾斜地层中，盾构下穿既有地铁时的管片变形控制问题，以武汉轨道交通7号线下穿既有2号线工程为背景，采用三维数值模拟方法和离散元软件3DEC建立地铁2号线管片模型，同时使用FLAC3D软件进行三维数值分析，探讨新建隧道与既有隧道间距、地层倾斜和注浆填充对既有地铁及周边地层的影响。分析结果表明：既有隧道沉降值受地层条件和隧道间距影响显著，尤其在新建盾构隧道与既有隧道距离较近时；既有地铁管片加固和新建隧道注浆填充对控制上软下硬地层条件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降变形具有显著效果。在新建盾构隧道施工前需对既有地铁管片的前期变形量进行准确分析，确保既有隧道安全，且加固和注浆填充措施对于类似工程的变形控制至关重要。

关键词：上软下硬地层； 隧道下穿既有地铁隧道； 数值模拟； 扰动变形

中图法分类号：U455.43 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.011

文章编号：1006-0081（2024）04-0065-08

0 引 言

地铁是缓解大城市交通拥挤的重要基础设施，随着城市轨道交通建设的迅速发展，不可避免出现上软下硬地层中新建地铁下穿既有路线的情况［1-2］。不少国内外学者［3-5］针对盾构近接下穿既有结构的影响效应开展了系列研究。一方面，盾构隧道穿越施工会对周围土体产生地层变形扰动，石杰红等［6］对经典Peck公式进行修正，认为修正Peck公式并结合数值模拟的结果可以用于评估隧道开挖引起的地面竖向位移；何祥凡等［7］结合数值模拟的结果和工程实例，总结了上软下硬复合地层在盾构施工中易出现盾构掘进姿态不佳及地表塌陷，严重时还可能导致管片局部破损的现象，提出对较软地层进行加固以减小地表及管片拱顶沉降；常通［8］结合工程监测数据与数值模拟结果，发现新建地铁线路与既有地铁线路的夹角为90°时对既有线路影响最小，既有线路结构的纵向沉降值也最小。另一方面，新建隧道下穿会使既有结构产生变形，唐汐［9］提出采用超前支护措施，即设置超前管以提高棚纵向梁承载力，施工采用深孔注浆提高横向拱承载能力，并采用有限差分软件FLAC3D模拟地铁双区间下穿既有高铁盾构隧道施工全过程，进行隧道结构变形预测；王栋、曹亚奇、武科等［10-12］以实际工程项目为依托，分别开展了盾构近距离上跨、下穿既有隧道或地铁车站的变形影响分析，并结合数值模拟的结果和现场监测的数据得出相应工况的隧道结构沉降位移规律；朱建才等［13］在经典Peck公式的基础上提出土体损失率概念，并通过参数反分析来确定土体损失率，进而对盾构下穿地铁的土层沉降变形量进行预测分析。

尽管已有大量研究［14-17］针对不同穿线工况进行分析，但上软下硬地层盾构下穿既有地铁工程施工过程中土体的变化规律复杂，控制因素也较多，难以形成统一结论。因此，本文结合武汉轨道交通7号线下穿既有2号线的具体工程案例开展相应的扰动变形分析，以进一步探究其变形扰动规律。

1 工程概況

武汉市前川线（轨道交通7号线北延线）垂直交叉下穿于既有2号线，2号线被穿越长度范围约17.7～19.5 m。既有2号线隧道采用盾构法施工，管片外径6 m，埋深9.92 m，处于黏性土夹碎石中；新建前川线隧道亦采用盾构法施工，管片外径6.2 m，埋深18.62 m，处于黏性土夹碎石和中风化白云岩地层中，两线隧道最小净距约2.7 m。隧道穿越段从上至下的土层依次为人工填土层、粉质黏土层、黏土夹碎石、碎裂状硅质白云岩、中风化泥灰岩、中至强风化白云岩层，为典型上软下硬地层。穿越段隧道内地层岩性主要为黏性土夹碎石、中风化白云岩，结构覆土约18.6 m。

2 既有隧道先期管片变形增量分析

盾构管片接缝渗漏是地铁隧道渗漏频发的位置，隧道渗漏将对隧道安全稳定及后期列车运营产生重要影响，因此有必要对既有地铁隧道（武汉地铁2号线）管片已产生的前期变形进行分析，以保证既有隧道安全稳定与后期列车运营安全。

利用3DEC软件模拟既有隧道管片发生变形时，管片错台量和张开量与管片变形量之间的变化规律，随后结合既有隧道管片已产生的变形量与相对应的控制标准，得到已发生前期变形的既有隧道管片增量变形控制限值。通过施加荷载，计算在管片变形经验控制值时的管片塑性分布、卸除荷载后的管片残余变形、再次施加荷载后管片可承受的最大变形增量；既有隧道管片环数设置为16环，管片为内直径5.6 m、外直径6 m、厚度0.2 m的圆环；采用摩尔-库伦本构模型。力学参数见表1。模型两端施加竖向约束，随后在模型中间施加竖向应力以模拟土体自重。既有隧道管片的3DEC模型及其位移如图1所示。

随着管片发生沉降变形，监测图1中各管片中点的水平方向与垂直方向位移，同时计算各相邻管片中点垂直方向位移差值与水平方向位移差值（即管片错台量与张开量），将管片发生最大沉降变形时的管片最大错台量与张开量绘图如图2所示。

图2为管片错台量和张开量与管片沉降值之间的变化关系，当隧道管片错台量和张开量均为0.01 m时，中间管片的最大沉降值分别为0.055 m和0.140 m，说明相比于隧道管片张开量，管片沉降变形对隧道管片错台量的影响更明显。因此，根据隧道管片张开量的变化来确定既有管片沉降增量变形控制限制更加准确。

参考谢成然等［18］的试验与结果，利用耐水压试验装置测试了橡胶密封垫的耐水性能，橡胶密封垫作为盾构隧道管片接缝处的防水装置，其防水性能决定了隧道管片的防水安全与运营安全。

综合考虑既有地铁2号线运营期安全与近接地铁隧道注浆加固的影响，既有地铁2号线隧道管片的接缝处耐水压应控制在0.1 MPa，将该水压值代入接缝处耐水压值变化曲线［18］，既有地铁2号线的错台量应控制在6 mm左右。然而，经过实地调研与测量，经过钢轨加固与补偿注浆加固后的既有地铁2号线隧道管片已发生5 mm左右的管片错台量。根据既有地铁2号线隧道管片错台量的限值与既有值（图2（a）），可以看出既有地铁2号线隧道管片的最大沉降值应控制在5 mm以内。该数值应用于后续模拟中监测既有隧道安全约束。

3 盾构近接下穿既有隧道扰动变形分析

3.1 建立三维FLAC3D模型

采用FLAC3D有限差分软件，结合项目工程实际情况，建立了三维数值模型，其长、宽和高分别为90 m、90 m和40 m。既有隧道（地铁2号线）顶部埋深9.5 m，新建盾构隧道（地铁7号线）顶部埋深19 m；新建隧道与既有隧道间距为2.7 m，既有隧道与新建隧道管片外径分别为6.0 m与6.2 m；两者之间采用正交布局。土体和隧道均以六面体网格来模拟，在模型的不同位置，网格的尺寸范围在0.5～1.2 m之间，具体数值模型及材料分区情况如图3所示。在数值计算中，模型的上表面（土层表面）设置为自由边界，底部约束其Z轴方向的位移，周围4个表面均约束其X轴向位移和Y轴向位移，采用摩尔-库伦弹塑性本构模型进行计算。

根据相应的工程地质勘探资料，将数值计算区域性质相近的土层进行简化处理，土层划分为4层，分别为素填土、黏性土夹碎石和中风化白云岩。各土层的力学参数见表1，其中，黏性土夹碎石、中风化白云岩和隧道管片的分布见图3。考虑到中风化白云岩部分区域存在埋深较深的情况，后续模拟中均匀地层特指素填土与黏性土夹碎石，倾斜地层指发生逆时针13°倾斜的中风化白云岩。

3.2 工况选取及监测点布置

盾构掘进过程土体变形分为以下几个阶段：① 第Ⅰ阶段，早期沉降，即发生在盾构掘进前方土体破裂面外的沉降；② 第Ⅱ阶段，掌子面变形，盾构前方土体受挤压作用发生向前和向上的移动，从而地表发生轻微隆起；③ 第Ⅲ阶段，盾构通过时的沉降；④ 第Ⅳ阶段，盾尾脱环沉降；⑤ 第Ⅴ阶段，后期固结沉降。其中，第Ⅲ与Ⅳ阶段主要为刀盘与盾壳、盾壳与管片外径差异引起。

根据盾构结构特征及掘进阶段的盾构机-土体相互作用过程，盾构对周边土体较弱的扰动是盾构施工优于矿山法的主要特点。盾构推进过程对土体的扰动除掌子面扰动外，另外一个扰动来源就是开挖直径过渡到管片直径过程中的两次填充间隙过程。考虑到这一特点，采用以下控制周边位移的方法来模拟盾构机掘进过程，如图4所示。

（1） 掌子面开挖掘进10 m，掌子面施加垂直向0.2 MPa（2 bar）土仓压力。

（2） 掌子面后及盾尾10 m范围设置环形壳（shell）单元，单元属性同土层属性，在计算过程中监测shell单元节点径向位移，当单个节点径向位移增量达到5 mm时，施加节点位移约束，直到监测范围70%的节点完成约束，停止计算。实际运算过程中发现，当监测范围内70%的节点完成约束后，掌子面后10 m范围shell单元基本稳定，此时可将shell单元激活为盾壳。

（3） 解除监测范围的约束，将掌子面后10 m范围shell单元激活为盾壳属性并设置盾构机自重；将盾尾后2 m范围shell单元删除，激活管片实体单元，设置管片横观各向同性属性。

（4） 开始下一步开挖，并重复步骤（2）、步骤（3），直至开挖完成。

数值模拟监测内容主要为既有隧道（2号线）的地表沉降，沉降监测点分布如图5所示。

3.3 盾构近接下穿过程中土体沉降分析

3.3.1 新建隧道与既有隧道间距影响分析

新建盾构隧道下穿既有隧道对其沿线上方土体的沉降变形分布如图6～8所示，图中地层均设置为均匀地层且未考虑同步注浆，新建隧道与既有隧道之间垂直距离（l）分别为2 m、4 m和6 m。图中新建盾构隧道掘进方向均由右向左掘进，沉降值均为新建盾构隧道掘进完成后的沉降数值。

对比分析图6～8的地基沉降值变化可知，既有隧道下方（相对于新建盾构隧道）土体的沉降存在相似变化规律，即土体在既有隧道范围内的沉降值明显偏小。随着新建隧道与既有隧道垂直距离的增大，两者之间的水平距离对土体沉降的影响变小。此外，当新建盾构隧道与既有隧道之间的垂直距离较小时，既有隧道下方土体在既有隧道轮廓范围之外的区域出现明显的沉降增大现象，说明新建盾构隧道穿越该段区域时，该段区域土体可能突然发生较大的沉降。因此，实际工程项目中应重点关注该段区域内的盾构穿越。

上述数值分析结果说明，新建盾构隧道近接下穿既有隧道时，既有隧道对新建盾构隧道上方沿线土体沉降具有抑制作用。出现该现象是因为既有隧道作为刚性结构，明显减弱了穿越既有隧道区域的盾构土体超挖，从而抑制了其上方沿线土体沉降。在实际工程项目中，由于新建盾构隧道与既有隧道垂直间距较小（2.7 m），应对穿越既有隧道中间范围的施工区域做好盾构掘进参数优化与相关施工紧急预案，防止既有隧道下部土体变形突然增加而导致地面路基塌陷与损害等。

3.3.2 地层倾斜影响分析

为探究地层倾斜的影响，开展均匀地层与含倾斜地层的三维数值分析，获得的地层沉降对比曲线如图9所示，图中新建隧道与既有隧道的垂直间距设置为2.7 m，新建隧道上方沿线土体指既有隧道下方土体。

由图9可知，均匀地层与倾斜地层均在既有隧道范围内出现土体沉降减小的现象。在倾斜地层中，位于岩层埋深较浅一侧的土体沉降明显小于岩层埋深较深一侧的土体，且岩层埋深较深一侧土体的沉降大于均匀地层工况所对應的沉降值。因此，在评估盾构施工对周边地层环境影响时，需要重视倾斜岩层埋深变化导致的沉降差异性。

考虑上软下硬倾斜地层与均匀地层条件，分析新建地铁盾构隧道正交近接下穿时既有地铁隧道左右边隧的底板沉降变化。对于上软下硬倾斜地层条件，图10 （a）中既有隧道底板与中风化白云岩层距离大约9 m，而图10（b）中对应的距离大约为两倍既有隧道跨度（12 m）。图10表明均匀地层条件下既有隧道左右边隧底板的最大沉降值均为15 mm左右，而上软下硬倾斜地层条件下既有隧道左、右边隧底板的最大沉降值分别为9 mm左右与14 mm左右。图10（a）中倾斜地层条件下既有隧道底板沉降与均匀地层条件相比明显偏小，而图10（b）中两者极为接近。上述现象说明：下伏岩层与既有隧道的间距不超过两倍隧洞跨度时，岩层对既有隧道底板沉降有显著影响，而超过这个范围时，岩层对既有隧道底板沉降影响有限。

3.4 盾构近接下穿对既有地铁的扰动变形分析

3.4.1 既有隧道管片加固的影响

针对倾斜地层条件，新建隧道近接下穿既有隧道2号线后既有隧道左右边隧底板的沉降分布如图11所示，其中考虑了对既有隧道采用钢轨加固和未采用钢轨加固两种工况。地层上软下硬，图11 （a），（b）分别为与中风化白云岩层距离较近的左侧既有边隧和距离较远的右侧既有边隧。模拟中采用提高既有隧道管片弹性模量的方式来模拟钢轨加固效果。可以看出：加固既有隧道管片可有效降低隧道底板变形，最大降低值约2 mm。加固前后，图11 （a）中与中风化白云岩层距离较近的既有边隧底板沉降最大值明显小于图11 （b）中与中风化白云岩层距离较远的既有边隧，前者底板沉降最大值约为10 mm，而后者则为14 mm左右。

综上可知，既有地铁管片加固对新建隧道正交近接下穿既有隧道的沉降变形作用产生了削弱效果，说明既有管片加固是减小盾构隧道下穿导致既有隧道变形沉降的有效加固措施。

3.4.2 注浆填充影响

以倾斜地层模型为对象，通过数值分析探究新建盾构隧道左右边隧采用完全充填与部分充填加固时既有隧道左右边隧底板的沉降分布，如图12所示。在模拟中，通过控制新建地铁盾构隧道开挖过程中的土体沉降与管片位移来表示新建地铁盾构隧道的开挖与注浆。

对比图11与图12可知，采用同步注浆能有效控制新建隧道正交近接下穿时既有隧道的底板沉降，可将既有隧道左、右边隧底板最大沉降值分别从9 mm、14 mm左右降低到3 mm、5 mm左右。可见，提高盾构隧道同步注浆充填率是控制既有隧道变形的关键步骤，同步注浆是项目施工控制既有管片变形的关键施工工序。

3.4.3 倾斜地层+新建盾构隧道同步注浆组合工况影响

采用倾斜地层+新建盾构隧道同步注浆的组合工况进行模拟，部分开挖过程的位移如图13所示。

从新建盾构隧道第14步开挖（图13（a））到第15步开挖（图13（b））的位移不难看出，当新建盾构隧道开挖进行到第15步时，既有隧道右边边隧可以明显看出与左边隧的土体沉降差异，而在第14步新建盾构隧道开挖时，既有隧道两条边隧土体沉降相同且基本为0。上述现象说明新建盾构隧道从第15步开挖（此时距离既有隧道右边隧14 m左右）开始影响上方既有隧道变形沉降变形。

从图13（c）第36步开挖至图13（d）开挖完成的位移变化可知，新建盾构隧道从第36步开挖直至开挖完成，既有隧道周围土体沉降变形变化幅度为0（即两张图中既有隧道左右隧周围土体颜色没有发生改变）。说明从第36步开挖之后（此时距离既有隧道左边隧9 m左右），新建盾构隧道近接下穿对既有隧道沉降变形影响作用有限，可不考虑后续盾构掘进对既有隧道变形沉降影响。

4 结 论

本文以武汉轨道交通7号线下穿既有2号线工程为背景，通过数值模拟分析了上软下硬地层中盾构近接下穿施工对既有地铁及周边土体的扰动变形规律，所得主要结论如下。

（1） 新建盾构隧道施工之前，需对既有地铁隧道管片的前期变形量进行分析，判定后续盾构近接施工中所能允许的扰动变形限值，以保证既有隧道安全稳定与后期列车运营安全。由数值模拟的结果可知，相比于隧道管片错台量，管片沉降变形对管片张开量影响更为敏感，因此，根据隧道管片张开量的变化趋势来确定既有隧道管片后续的沉降增量变形限值更加合理。

（2） 当新建盾构隧道与既有隧道之间的垂直距离较小时，既有隧道下方（相对于新建盾构隧道上方）土体在既有隧道轮廓范围之外区域出现沉降增大现象，实际工程项目中应重点关注该段区域内盾构穿越施工安全性。

（3） 倾斜上软下硬地层中，位于岩层埋深较浅一侧的土体及既有隧道的沉降值均明显小于岩层埋深较深一侧或均匀土层对应的工况，说明在评估盾构施工对周边地层及既有结构影响时，需要重视倾斜岩层埋深变化导致的差异性。

（4） 对既有地铁管片进行加固或对新建盾构隧道采用注浆填充，對上软下硬地层条件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降变形控制具有明显的改善效果，因此，这两项加固措施是该盾构隧道近接施工安全控制的关键。

参考文献：

［1］CAO R，PENG L，ZHAO Y.Control of strata deformation in subway interval tunnels crossing a high-speed rail shield tunnel at a short distance［J］.Arabian Journal for Science and Engineering，2021，46：5013-5022.

［2］YANG H，SHI H，JIANG X.et al.Study on influence of construction process of double-line shield tunnels on frame structure［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2021，39：1465-1484.

［3］朱敏.深厚软弱地层盾构隧道穿越既有铁路群变形分析和控制技术［J］.水利水电快报，2022，43（2）：21-27.

［4］甘晓露，俞建霖，龚晓南，等.新建双线隧道下穿对既有盾构隧道影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2020，39（增2）：3586-3594.

［5］陈向阳，张雯超，赵西亭，等.盾构下穿施工对既有盾构隧道结构的影响研究［J］.人民长江，2021，52（12）：126-132.

［6］石杰红，史聪灵，刘晶晶.双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究［J］.中国安全生产科学技术，2019，15（8）：113-117.

［7］何祥凡，申兴柱，王帆，等.盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析［J］.铁道标准设计，2017，61（2）：89-95.

［8］常通.盾构下穿地铁既有线的变形影响因素与控制技术研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2021.

［9］唐汐.地铁双区间下穿既有盾构隧道结构变形控制措施及效果分析［J］.建筑结构，2023，53（8）：148-153.

［10］王栋.盾构近距离上跨施工对既有隧道的变形影响——以厦门地铁6号线某区间上跨地铁2号线为例［J］.工程技术研究，2023，8（6）：13-16.

［11］曹亚奇，肖超，罗桂军，等.盾构施工近距离下穿既有地铁车站影响分析［J］.勘察科学技术，2022（5）：42-46.

［12］武科，张文，吴昊天，等.上软下硬地层地铁隧道下穿既有城市道路的变形规律及控制措施研究［J］.现代隧道技术，2017，54（6）：126-135.

［13］朱建才，王蔡祥，李新伟，等.盾构下穿对既有地铁隧道沉降变形的影响研究［J］.地基处理，2022，4（6）：520-529.

［14］贾宝新，高宗贤，惠鹏飞.上软下硬地层隧道盾构施工引起的地表沉降研究［J］.安全与环境学报，2021，21（3）：1083-1088.

［15］聂耐.上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制研究［D］.徐州：中国矿业大学，2019.

［16］何小辉，周纯择，王海波，等.上软下硬复合地层盾构隧道变形特征研究［J］.现代城市轨道交通，2019（2）：49-52.

［17］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.

［18］谢成然，王媛，任杰，等.TBM输水隧洞管片接缝密封垫防水性能试验研究［J］.河南科学，2021，39（4）：683-688.

（编辑：高小雲）

Research on disturbance deformation of shield tunneling beneath existing tunnels in soft-top and hard-bottom strata

WANG Mingming1，WANG Zhengqing1，ZHAI Langbao2，GUO Yunhua2，LU Lin 1，WANG Lu 1

（1.Sinohydro Engineering Bureau No.4 Co.，Ltd.，Xining 810007，China； 2.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Abstract： Aiming at the issue of segment deformation control in shield tunneling through existing subways within stratums that were soft on the top and hard on the bottom，taking the project of Wuhan Metro Line 7 tunneling under the existing Line 2 as the background，the three-dimensional numerical simulation methods and the discrete element software 3DEC to establish a model of the Line 2 segments was used.We carried out a 3D numerical analysis using FLAC3D software to investigate the distance between the new tunnel and the existing tunnel，the ground inclination and the effect of the grouted fill on the existing metro and surrounding strata.The analysis showed that the settlement of the existing tunnel was significantly affected by the stratum conditions and the distance between tunnels，especially when the newly constructed shield tunnel was close to the existing one.The reinforcement of the existing subway segments and grouting filling in the new tunnel significantly controled the settlement deformation when tunneling close under the existing subway in soft-top and hard-bottom conditions.The study emphasized the importance of accurately analyzing the pre-deformation of existing subway segments before the construction of new shield tunnels to ensure the safety of the existing tunnels，and the reinforcement and grouting filling measures were crucial for deformation control in similar projects.

Key words： top-soft and hard - bottom strata； shield tunneling through existing subways； numerical simulation； disturbance deformation

收稿日期：2023-10-08

基金項目：国家重点研发计划资助项目（2021YFC3100801）

作者简介：王明明，男，工程师，主要从事隧洞施工研究工作。E-mail：254977068@qq.com

通信作者：翟浪宝，男，硕士研究生，主要研究方向为隧洞施工研究方面。E-mail：1316296927@qq.com