软土地层在建隧道上穿既有隧道模拟施工变形研究

摘要：简要叙述模拟隧道盾构工程概况、设置有限元模型、模拟软土地层防沉降掘进施工、模拟刀具检查与更换，以及计算隧道开挖引起的地层变形量等方面的模拟试验准备工作，开展了既有隧道竖向沉降量和既有隧道横断面沉降量的模拟试验。模拟试验结果表明：在软土地层在建隧道上穿既有隧道模拟掘进施工过程中，虽然既有隧道产生了少量沉降变形，但是随着上穿盾构机的掘进，既有隧道的沉降差异逐渐消除，既有隧道重新获得了稳定的工作环境。

关键词：软土地层；上穿隧道；模拟施工；变形研究

0 引言

在建隧道上穿既有隧道作为一种常见的施工方法，其可在不破坏地面建筑物的情况下，实现地下空间的交叉利用[1]，有利于充分利用土地资源。在建隧道上穿既有隧道进行施工，会对既有隧道产生诸多不利影响。首先，在建隧道施工过程中的挖掘和填筑作业，会改变地下土体的应力分布，从而导致土体变形。其次，在建隧道施工可能会引起地下水位的变化，进而影响土体孔隙水压力，加剧土体变形。此外施工过程中的振动和噪声，也可能对既有隧道的结构产生一定影响。

土质松软、含水量较高的软土地层，其土壤力学性质与岩石或硬土地层存在明显差异，具有承载力较低、沉降量较大、变形性较强的特点。因此，在软土地层进行在建隧道上穿既有隧道施工会引起地层变形，进而对既有隧道的稳定和安全产生不利影响。研究在建隧道上穿既有隧道施工过程中的影响机制，并进行模型试验和数值模拟，有利于更好地评估施工影响，采用相应的解决方案。

1 模拟工程概况

某在建隧道盾构工程总长为1200m，地下埋深为30m，隧道外径和内径分别为6.2m、5.5m，每环衬砌宽度为1.5m，管片采取错缝拼装方法。该工程共设有318个Ø1200mm和Ø1500mm的钻孔灌注桩，用于该工程的主要围护结构。盾构基坑在垂直方向上设置4道内支撑，每层钢结构并撑的间距为4.5m、单撑间距为3.2m。

该在建隧道主要处于淤泥质黏土、黏土、粉质黏土层中。其中，淤泥质黏土呈流塑状态，具高压缩性，是主要软弱土层。该在建隧道进行上穿既有隧道施工，容易造成土体破坏进而诱发既有隧道产生变形。

2 模拟试验准备

2.1 设置有限元模型

在建隧道沿着开挖方向和土层走向，判断地下水位变化的时间与程度。根据Yield criterion屈服准则设置有限元模型，地层厚度沿上穿开挖方向要始终保持不变且处于均匀状态[2]。将在建隧道与既有隧道之间的斜交角度设置为12°，并将其构成交叉状态。在不考虑土体排水情况下，对模型边界进行设定。模型深度为实际隧道埋深的3倍，模型长度为实际隧道直径的3倍。地层三维模型尺寸分别为90m、90m、45m。三维隧道模型如图1所示。

在三维隧道模型中，X方向中为模型长度，Y方向为掘进方向，Z方向为模型的深度。对模型网格进行划分时，土体单元为6节点综合立方体增强单元，模型单元共有84532个。模型周围的显著法向位移量需要根据测量得到[3]，在建隧道所用盾构机应设置较长掘进距离。在有限元建模过程中，模型中待开挖环数共设有320环，其中上行线共设有42环。

2.2 模拟软土地层防沉降掘进施工

2.2.1 设置隧道掘进区域土层力学参数

依据设置的盾构掘进区域土层报告，运用对比分析法对有限元数值进行模拟，获得模拟的土层力学参数[4]。对淤泥中提取4倍的压缩模量，对黏土中提取3.5倍压缩模量。获得在建隧道掘进区域土层模拟力学参数如表1所示。

2.2.2 软土地层掘进防沉降措施

上穿盾构机外壳为钢质材料，在上穿既有隧道施工中，使用C32混凝土制作的衬砌管片[5]。在建隧道掘进时，运用消除土体单元法对上穿盾构机的掘进面进行施工。模拟测试过程中，起初工况为应力平衡状态。通过激活上穿盾构机外壳，使得上穿盾构机能够快速进入地层。

在上穿盾构机掘进过程中，将第一块管片从机尾放出，将上穿盾构机外壳掘进到开挖1环中，获得激活机身的掘进压力。不断重复操作任务，直到隧道完全掘通。

运用多样性泡沬剂进行渣土改良。在掘进开始前，查看泡沫的发泡状态，等到泡沫分散后，用水对泡沫进行稀释，使得隧道拱顶保持相对稳定、盾构设备能平稳运行。在掘进过程中，向上穿盾构机土仓中添加膨润土，通过聚合物调整仓内渣土状态。

添加膨润土的过程中，需要以悬浮形式进行添加，这样有利于调节碴土的性能，减小刀盘刀具磨损。添加膨润土可在掘进面形成泥浆膜，起到一定的止水效果。上穿盾构机在软土地层中开挖，其掘进参数需要根据施工中的实际地质状况，按照地层强度进行设定[6]。

2.3 模拟刀具检查与更换

上穿盾构机掘进速度设置在0.3～0.8m/min之间，刀盘转速设置在0.7～0.92r/min之间，掘进扭矩设置在1500～3600kN·m之间，这样能够保持正面土压力相对稳定。

为了使得上穿盾构机安全进行施工，在开挖施工之前需要对刀具破损情况进行检查，判断刀盘上所有刀具螺丝是否松动或脱落；在掘进过程中如果刀具发生损坏或磨损，需及时开仓更换或修补；还需要按照施工标准不断开仓检查，减少刀具损坏导致的成本增加问题。

按照隧道覆土地层状态，在试验过程中将压气数据设定为0.16MPa。为了使得土仓气压保持在稳定状态中，入仓前要进行人工加压，并进行对应减压进行调节。

2.4 计算隧道开挖引起的地层变形量

2.4.1 土体变形量计算

在隧道开挖过程中，当土体变形量较小的时候需要通过计算获得应力关系。当土体变形较大时，土体将发生弹塑性屈服。当土体内在某点发生塑性变形时，理想弹塑性模型应力小于其屈服值。当土体应力达到屈服极限时，土体进入塑性状态[7]。土体变形量计算公式如下：

β=α-tanχ （1）

式（1）中：β为最大应力变形量，α为作用在平面内的压力值，χ为内摩擦角。通过对模型边界设置约束条件，在顶部施加14kPa的堆载。

2.4.2 模拟管片和注浆

使用FLAC结构单元进行模拟，对管片材料进行设置。模拟管片材料参数如表2所示。

在完成每一环管片拼装后，对管片与地层间的缝隙进行注浆填充，这样能够加固土体，减小地层沉降量。根据浆液的特征，在注浆过程中需要控制液体的状态，并控制弹性模量值。浆液需要添加注浆压力才能够使得浆液充满管片缝隙之中。当浆液经过一段时间硬化后，调整上穿盾构机在土仓内的压力值。等到隧道土体开挖后，加上0.5MPa的支护作用力。

2.4.3 隧道初支

隧道初支采用C25网喷混凝土，环向间距为0.4m。计算拱部土层参数并模拟超前小导管注浆加固，同时操纵上穿盾构机进行在建隧道掘进。

3 试验结果与分析

3.1 测试既有隧道竖向沉降量

在建隧道在软土地层掘进过程中，既有隧道会承受土体竖向位移作用力。为得到既有隧道的竖向位移量，在既有隧道的衬砌顶部设置5个检测点，测得在建隧道掘进过程中既有隧道5个检测点的累积沉降曲线。既有隧道衬砌顶部累积沉降曲线如图2所示。

由测试结果可知，在不同工况下，既有隧道在各测点的竖向位移均表现为沉降，并且获得较大沉降值。当在建隧道开挖面水平距离前方既有隧道轴线20m时，测点衬砌顶部沉降值均有较明显的变化。说明当开挖面水平距离为既有隧道轴线2倍直径时，既有隧道开始受到较明显的竖向位移。当开挖面远离既有隧道轴线时，既有隧道各测点沉降加速，并在盾尾脱离既有隧道轴线时，各个测点出现最大沉降值。随着与既有隧道轴线方向的距离不断增加，各测点沉降值也随之增加。

3.2 测试既有隧道横断面沉降量

在建隧道在软土地层掘进过程中，既有隧道衬砌横断面会承受土体作用力。为得到既有隧道的横断面位移量，在既有隧道的横断面设置5个检测点，测得在建隧道掘进过程中既有隧道横断面5个检测点的累积沉降曲线。既有隧道横断面累积沉降曲线如图3所示。从5个测点获取的既有隧道衬砌在横断面中左、右半圆的累积沉降值对比结果如图4所示。

由测试结果可知，越靠近既有隧道轴线测点的沉降值越大，最大值发生在测点5。随着上穿开挖面的不同，测点3处沉降发生最大差异。在测点4处横断面左半圆沉降值差异逐渐变小。因为当盾尾远离测点时，横断面各测点下方土体状态基本一致且不再被扰动。此时作为弹性材料的衬砌有充分的时间进行自我变形恢复，使其协调各测点的沉降差异。

综上所述，软土地层在建隧道上穿既有隧道模拟掘进施工时，在建隧道掘进面底部距离既有隧道顶部越近沉降量越大。随着上穿盾构机的掘进，既有隧道横断面出现整体沉降现象。随着上穿盾构机的继续掘进，既有隧道沉降差异逐渐消失、刚度逐渐增加、动态特性得到改善，既有隧道重新获得稳定的工作环境。

4 结束语

在软土地层在建隧道上穿既有隧道模拟掘进施工研究中，充分考虑和设置了应当发生的各种实际情况，使得该项研究成果更加真实可靠。该项研究为软土地层在建隧道上穿既有隧道施工提供了有益的借鉴，为促进隧道掘进施工安全、保障工程质量提供了重要依据。但是该项研究在施工设备精细化等方面还存一些不足，今后应当予以完善。

参考文献

[1] 刘喜东.宁波软土地层双线隧道上穿施工对既有隧道变形性状的影响[J].结构工程师，2023，39（1）：161-168.

[2] 吕高乐，易领兵，杜明芳，等.软土地层双侧深基坑施工对邻近地铁车站及上穿隧道变形影响的分析[J].地质力学学报，2018，24（5）：682-691.

[3] 邓碧，张俊伟，诸葛绪松，等.软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响[J].建筑科学与工程学报，2021，38（6）：170-176.

[4] 尹骥.软土深基坑开挖对隧道影响分析及设计参数讨论[J].地下空间与工程学报，2022，18（S1）：173-178+186.

[5] 韦宗科，陈健，陈斌，等.软土基坑开挖对临近既有隧道变形影响研究[J].人民长江，2022，53（6）：198-206.

[6] 周波.小曲线半径上穿隧道上穿既有隧道影响分析[J].中国设备工程，2022（5）：225-227.

[7] 程芳卉.箱涵顶进施工对下卧既有隧道变形影响分析[J].武汉理工大学学报，2022，44（2）：78-82.