不同交角疊交隧道盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律研究

周建軍，楊振興，郭 璐

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

不同交角疊交隧道盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律研究

周建軍1,2，楊振興1,2，郭 璐1,2

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

為了研究交疊隧道不同交角下后建隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表及既有隧道圍巖的影響，建立三維彈塑性有限元模型進(jìn)行非線(xiàn)性靜力應(yīng)力應(yīng)變分析。結(jié)果表明：地表沉降等值線(xiàn)形狀與疊交隧道平面投影類(lèi)似；隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂(仰拱)沉降逐漸變小，但變化量不大；交角為15°～45°時(shí)，既有隧道圍巖變形沿軸線(xiàn)的變化率增大。研究成果可為今后交疊隧道線(xiàn)路規(guī)劃和設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供參考，同時(shí)為優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，有效進(jìn)行施工過(guò)程控制，保證科學(xué)合理、安全優(yōu)質(zhì)地完成隧道施工提供借鑒。

地鐵；交疊隧道；隧道交角；盾構(gòu)法；地層變形

0 引言

伴隨著城市地鐵的廣泛應(yīng)用，城市軌道交通網(wǎng)趨于完善，地鐵隧道之間的距離越來(lái)越小，后建隧道經(jīng)常會(huì)以不同的角度下穿既有隧道。大量的研究計(jì)算表明，無(wú)論采用何種方法開(kāi)挖下部后建隧道，后建隧道的埋深設(shè)計(jì)、與已建隧道的設(shè)計(jì)夾角都會(huì)對(duì)既有隧道及圍巖產(chǎn)生不同影響[1-3]。

水平平行及垂直交疊隧道是地鐵建設(shè)中經(jīng)常遇到的設(shè)計(jì)形式，關(guān)于隧道圍巖變形、應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展規(guī)律等方面的研究成果較多，其施工工藝及處治措施已比較成熟。Liman E S等[4]通過(guò)二維和三維數(shù)值模擬，對(duì)近距離平行隧道施工期間的相互影響進(jìn)行了研究；王國(guó)波等[5]以武漢軌道交通2號(hào)線(xiàn)與4號(hào)線(xiàn)在洪—中區(qū)間4孔緊鄰交疊隧道為研究對(duì)象，將交疊隧道簡(jiǎn)化為平行重疊和垂直交叉隧道，分析了緊鄰多孔交疊隧道的三維地震響應(yīng)。

由于地質(zhì)條件的限制及地下空間的綜合開(kāi)發(fā)利用，在城市交通規(guī)劃中不可避免地會(huì)產(chǎn)生近距離斜交隧道。對(duì)于這種型式的隧道，后建隧道是在既有隧道完成之后修建的，后建隧道的施工必然會(huì)影響既有隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，引起既有隧道變形及地層變形。由于目前工程經(jīng)驗(yàn)較少，斜交隧道中后建隧道對(duì)既有隧道及圍巖的影響規(guī)律還未明確，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)后建隧道施工引起的地層變形規(guī)律、影響范圍以及對(duì)既有隧道的影響規(guī)律等，對(duì)設(shè)計(jì)和施工安全十分重要。孫鈞等[6]研究了上海市明珠線(xiàn)二期工程上、下行線(xiàn)近距離交疊區(qū)間隧道盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)地面及圍巖的位移影響，并提出地層加固措施；包德勇[7]對(duì)平面交角為54°的交疊隧道進(jìn)行了有限元分析，揭示了既有隧道結(jié)構(gòu)受力及位移隨后建隧道施工推進(jìn)的變化規(guī)律；勒曉光等[8]對(duì)重慶市渝中區(qū)朝天門(mén)大型互通式地下立交的平交(15°)和上下正交進(jìn)行了動(dòng)態(tài)施工力學(xué)研究。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于平面斜交隧道的研究，大部分都是針對(duì)某一特定工程，按照施工過(guò)程考慮后建隧道對(duì)既有隧道和地層的變形影響。

本文以某市地鐵上、下行線(xiàn)近距離交疊區(qū)間隧道盾構(gòu)施工地質(zhì)條件、隧道設(shè)計(jì)、施工參數(shù)為依據(jù)，按照“先上后下”的盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程，采用三維彈塑性有限元法Midas GTS程序軟件，對(duì)不同交角后建隧道引起的地層位移變化及既有隧道位移變化進(jìn)行研究，得出一些有益的結(jié)論，以期為今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析模型建立

1.1 計(jì)算模型及邊界條件

為了研究施工過(guò)程中的空間效應(yīng)，計(jì)算中采用三維有限元模型，分析采用Midas GTS有限元程序。根據(jù)隧道設(shè)計(jì)尺寸，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為6 m，襯砌管片厚0.3 m、寬1.5 m，盾構(gòu)每掘進(jìn)1.5 m拼裝一環(huán)管片，掘進(jìn)面距離拼裝管片6 m。圍巖采用4節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元模擬，管片采用二維板單元模擬，不考慮管片環(huán)間接頭和縱向接頭的相對(duì)位移。

為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型沿既有隧道縱向取75 m，橫向取66 m，既有隧道埋深為12 m，后建隧道下方取24 m計(jì)算范圍，既有隧道中心軸線(xiàn)與后建隧道中心軸線(xiàn)的垂直距離為11 m。既有隧道軸向平行于Y方向，后建隧道與既有隧道平面交角分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°。當(dāng)平面交角為30°時(shí)，隧道計(jì)算模型如圖1所示。

模型上邊界取為自由邊界，下邊界約束Z方向的位移，左右邊界約束X方向的位移，前后邊界約束Y方向邊界。

1.2 材料物理力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)隧道沿線(xiàn)的地質(zhì)勘察報(bào)告，研究范圍內(nèi)的隧道以土和軟巖為主，將隧道沿線(xiàn)各地層概化為3層(素填土、粉質(zhì)黏土和軟巖)，厚度分別為3，6，41 m，既有隧道及后建隧道下穿軟巖地層。

(a)

(b)

隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土單層內(nèi)襯，錯(cuò)縫拼裝，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，螺栓強(qiáng)度等級(jí)為4.6級(jí)。各層材料及管片物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

1.3 計(jì)算荷載及施工過(guò)程

計(jì)算荷載主要考慮地層的自重應(yīng)力場(chǎng)和混凝土襯砌的重力。對(duì)未擾動(dòng)地層進(jìn)行應(yīng)力初始化，位移清零。既有隧道和后建隧道均以每步1.5 m的速度掘進(jìn)及管片支護(hù)，管片距離掘進(jìn)面6 m。為避免邊界擾動(dòng)，對(duì)隧道端面進(jìn)行分步應(yīng)力釋放，荷載釋放率分別為30%，20%，20%，20%和10%。

1.4 屈服準(zhǔn)則及變形模式

土體和巖體均采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，如圖2所示。破壞包絡(luò)線(xiàn)函數(shù)定義為：

式中：Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σt為材料的抗拉強(qiáng)度。

圖2 摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 既有隧道開(kāi)挖

既有隧道(上隧道)開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂發(fā)生沉降最大，最大豎向位移為-2.30 mm，隧道正上方地表沉降-0.80 mm；隧道底上揚(yáng)，上揚(yáng)位移2.44 mm；隧道兩幫水平相對(duì)收斂位移為2.60 mm。既有隧道開(kāi)挖至43.5 m時(shí)，圍巖豎向位移量如圖3所示。

2.2 地表沉降規(guī)律

既有隧道開(kāi)挖導(dǎo)致地表沿隧道軸線(xiàn)方向發(fā)生沉降，最大沉降-0.80 mm，垂直于軸線(xiàn)的平面內(nèi)，地表沉降呈漏斗狀。

圖3 既有隧道開(kāi)挖圍巖豎向位移Fig.3 Vertical displacement of existing tunnel induced by excavation

與既有隧道呈一定交角的后建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，地表繼續(xù)產(chǎn)生沉降位移。隧道夾角不同，后建隧道導(dǎo)致的地表沉降走向也不同。當(dāng)隧道交角為30°，60°和90°時(shí)，隧道開(kāi)挖支護(hù)完畢后地表沉降位移如圖4所示。地表最大沉降位移為-1.76 mm，發(fā)生在2條隧道相交的正上方地表，為既有隧道開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降的2.20倍。因此，交疊隧道對(duì)地表的影響遠(yuǎn)大于單隧道對(duì)地表沉降影響之和，隨著隧道夾角變化，地表最大沉降量變化不大。

比較隧道交角為30°，60°和90°，后建隧道開(kāi)挖使得地表沉降槽方向軸發(fā)生一定角度的偏移。隨著隧道交角的變大，地表相同沉降值圍成的面積逐漸變小，形狀與交疊隧道平面投影類(lèi)似；當(dāng)隧道交角為90°時(shí)，地表沉降等值線(xiàn)呈橢圓狀，沉降槽主軸仍沿既有隧道軸向方向。由此可見(jiàn)，隧道埋深越大，對(duì)地表的沉降影響越小。

圖4不同交角隧道開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降分布云圖

Fig.4 Contour of ground surface settlement caused by excavation of overlapping tunnels with different intersection angles

提取隧道不同交角下，既有隧道開(kāi)挖支護(hù)及后建隧道開(kāi)挖支護(hù)導(dǎo)致的地表中心點(diǎn)沉降位移，如圖5所示?？梢钥闯觯核淼澜唤菑?°變化到90°，地表中心點(diǎn)沉降位移變化不大；當(dāng)交角為45°時(shí)，地表中心點(diǎn)沉降位移最大，為-1.8 mm。

2.3 既有隧道圍巖變形規(guī)律

后建隧道開(kāi)挖支護(hù)必定會(huì)對(duì)既有隧道拱頂、仰拱的豎向位移及兩幫的水平位移產(chǎn)生影響。

交疊隧道交角為60°時(shí)，隧道開(kāi)挖支護(hù)完畢后圍巖豎向位移分布如圖6所示。從圖6中可以看出：既有隧道拱頂最大沉降為-3.30 mm，沿軸線(xiàn)方向沉降逐漸減??；仰拱最小上揚(yáng)位移為0.5 mm，沿軸線(xiàn)方向上揚(yáng)逐漸變大。

圖5 地表中心點(diǎn)豎向位移隨交角變化規(guī)律Fig.5 Vertical displacement of center point of ground surface Vs intersection angle

圖6 交角為60°時(shí)隧道開(kāi)挖圍巖豎向位移Fig.6 Vertical displacement of surrounding rock under 60° intersection angle

不同隧道交角下，后建隧道開(kāi)挖支護(hù)導(dǎo)致既有隧道拱頂沉降沿隧道軸向方向的變化擬合曲線(xiàn)如圖7所示。從圖7中可以看出：既有隧道拱頂沉降沿隧道軸向呈漏斗狀分布，距離隧道交疊處越小，拱頂沉降越大，即后建隧道對(duì)既有隧道的影響越大。比較隧道不同交角下既有隧道的拱頂沉降，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂沉降逐漸變小，但變化量不大，最大為-1.02 mm，最小為-0.92 mm；隨著交角變大，既有隧道拱頂沉降沿軸線(xiàn)的變化率越大，交角為15°～60°時(shí)，變化率改變量最大。

圖7 既有隧道拱頂位移變化曲線(xiàn)

不同隧道交角下，后建隧道開(kāi)挖支護(hù)導(dǎo)致既有隧道仰拱沉降沿隧道軸向方向的變化擬合曲線(xiàn)如圖8所示。從圖8中可以看出，既有隧道仰拱沉降呈漏斗狀分布，距離隧道交疊處越小，仰拱沉降越大。比較隧道不同交角下既有隧道拱頂沉降，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂沉降逐漸變小，其變化量比對(duì)拱頂?shù)挠绊懽兓可源?，最大變化量?1.42 mm，最小變化量為-0.98 mm。隨著交角變大，既有隧道拱頂沉降沿軸線(xiàn)的變化率越大，交角為45°～90°時(shí)，變化率改變量最大。

圖8 既有隧道仰拱位移變化曲線(xiàn)

因此，在隧道線(xiàn)路規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)特別注意隧道交角為15°～45°的區(qū)間。

2.4 后建隧道圍巖變形規(guī)律

交疊隧道交角為60°時(shí)，隧道開(kāi)挖支護(hù)完畢后圍巖豎向位移分布云圖如圖9所示。后建隧道拱頂最小沉降-2.75 mm，沿軸線(xiàn)方向沉降逐漸增大，最大沉降-3.5 mm；仰拱最小上揚(yáng)位移3.7 mm，沿軸線(xiàn)方向隨著離隧道間的交疊點(diǎn)距離變大，上揚(yáng)逐漸減小。

圖9 交角為60°時(shí)隧道開(kāi)挖圍巖豎向位移Fig.9 Vertical displacement of surrounding rock of new tunnel with 60° intersection angle

后建隧道開(kāi)挖支護(hù)后拱頂沉降位移如圖10所示。從圖10中可以看出：后建隧道拱頂沉降受既有隧道影響明顯，交疊處拱頂沉降明顯小于沿軸線(xiàn)兩側(cè)拱頂沉降，拱頂最小沉降為-2.50 mm，最大沉降為-3.90 mm；隧道交角為15°～60°時(shí)，距離交疊處相同的后建隧道拱頂某點(diǎn)沉降量變化明顯。

圖10 后建隧道拱頂位移變化曲線(xiàn)

后建隧道開(kāi)挖支護(hù)后仰拱上揚(yáng)位移如圖11所示。從圖11中可以看出，后建隧道拱頂沉降受既有隧道影響不明顯，仰拱上揚(yáng)位移差為0.18 mm。

圖11 后建隧道仰拱位移變化曲線(xiàn)

比較后建隧道拱頂和仰拱的位移變化量，距離交疊處越遠(yuǎn)，既有隧道和交角對(duì)后建交疊處影響越小，而且對(duì)拱頂?shù)挠绊懕妊龉暗拇蟆?/p>

綜合上述分析可知，后建隧道開(kāi)挖支護(hù)對(duì)交疊圍巖豎向位移變化較大，距離交疊處越遠(yuǎn)，圍巖位移影響越小。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)后建隧道以不同交角下穿既有隧道的有限元計(jì)算，分析了后建隧道對(duì)地表沉降及既有隧道圍巖位移的影響，以及隧道交角變化對(duì)隧道圍巖的位移影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)交疊隧道開(kāi)挖對(duì)地表的沉降位移影響遠(yuǎn)大于單隧道對(duì)其影響之和，不同交角隧道地表最大沉降點(diǎn)為交疊處正上方。

2)隨著隧道交角的變大，地表相同沉降值圍成的面積逐漸變小，形狀與交疊隧道平面投影類(lèi)似。

3)同一隧道交角下，既有隧道拱頂(仰拱)沉降呈漏斗狀分布。不同隧道交角下，隨著交角變大，交疊處既有隧道拱頂(仰拱)沉降逐漸變小，但變化量不大；交角為15°～45°時(shí)，既有隧道圍巖變形沿軸線(xiàn)的變化率增大。因此，在工程線(xiàn)路規(guī)劃中，應(yīng)特別注意交角為15°～45°時(shí)隧道的設(shè)計(jì)與施工。

4)既有隧道的存在對(duì)后建隧道拱頂位移影響明顯，交疊處拱頂沉降明顯小于沿軸線(xiàn)兩側(cè)拱頂沉降，但對(duì)仰拱變形影響不大。

淺埋交疊隧道施工是目前隧道施工的重難點(diǎn)問(wèn)題之一，合理的隧道線(xiàn)路規(guī)劃和埋深設(shè)計(jì)對(duì)隧道安全施工至關(guān)重要。本文以某地鐵隧道為研究對(duì)象，其研究數(shù)據(jù)具有局限性，但結(jié)論具有普遍規(guī)律性，可為今后交疊隧道線(xiàn)路規(guī)劃和設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供參考。

針對(duì)淺埋交疊隧道施工研究課題，以本文作為研究基礎(chǔ)，需要考慮更多的影響因素，從而進(jìn)一步探討隧道之間的影響規(guī)律。同時(shí)，根據(jù)各隧道工程的異同，在普遍規(guī)律的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)行針對(duì)性研究，以提高工程施工的安全性。

[1]王清標(biāo)，蔣金泉，路林海，等.不同開(kāi)挖方式對(duì)近距離交疊隧道影響模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(10)：138-146.(WANG Qingbiao，JIANG Jinquan，LU Linhai,et al.Numerical simulation for influence law of different excavation methods on adjacent overlapping tunnels[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013，32(10): 138-146.(in Chinese))

[2]吳克新.青島地鐵交疊隧道施工力學(xué)響應(yīng)與地面建筑變形控制研究[D].泰安：山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，2010：42-59.(WU Kexin.Research on the mechanical response of overlapped tunnels and the deformation control of building in Qingdao Metro construction[D].Taian: School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology,2010: 42-59.(in Chinese))

[3]張海波，殷宗澤，朱駿高.近距離疊交隧道盾構(gòu)施工對(duì)老隧道影響的數(shù)值模擬[J]，巖土力學(xué)，2005，26(2)：116-120.(ZHANG Haibo，YIN Zongze，ZHU Jungao.Numerical simulation of influence of new tunnel on short distance overlapped old tunnel during shield tunneling[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(2): 116-120.(in Chinese))

[4]Liman E S,Duddeck H，Ahrens H.Two-dimensional and three-dimensional analysis of close spaced double-tube tunnels [J].Tunnelling and Underground Space Technology,1993,8(1): 13-18.

[5]王國(guó)波，陳梁，徐海清，等.緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究[J].巖土力學(xué)，2012，33(8)：248-255.(WANG Guobo,CHEN Liang,XU Haiqing,et al.Study of seismic capability of adjacent overlapping multi-tunnels[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8): 248-255.(in Chinese))

[6]孫鈞，劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30(4)：3-9.(SUN Jun，LIU Hongzhou.3-D numerical simulation of ground surface settlement under overlapped shield tunneling[J].Journal of Tongji University：Natural Sciences,2002,30(4): 3-9.(in Chinese))

[7]包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(1)：131-136，210.(BAO Deyong.Numerical simulation on effect of construction in closely overlapped tunnels[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(1): 131-136,210.(in Chinese))

[8]勒曉光，張憲鑫，李勇，等.大型地下立交動(dòng)態(tài)施工過(guò)程3D有限元分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(2)：13-17.(LE Xiaoguang,ZHANG Xianxin,LI Yong,et al.3D finite element research on dynamic construction mechanics for a large-sized underground interchange[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009,5(2): 13-17.(in Chinese))

StudyonStrataDeformationCharacteristicsofDynamicConstructionofOverlappingShieldTunnelswithDifferentIntersectionAngles

ZHOU Jianjun1,2,YANG Zhenxing1,2,GUO Lu1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

A 3D elastic-plastic finite element model is established and nonlinear static stress and strain analysis is made so as to analyze the influence of the construction of the overlapping tunnel on the ground surface and surrounding rocks of the existing tunnel under different intersection angles.Conclusions drawn are as follows: The shape of the contour of the ground surface settlement is similar to the projection of the overlapping tunnel; As the intersection angle increases,the crown (invert)settlement of the existing tunnel at the overlapping point reduces gradually,however the change value is small; When the intersection angle ranges from 15° to 45°,the change rate of the deformation of the surrounding rock of the existing tunnel along the tunnel axis increases.The research results not only can provide reference for the plan and design of similar overlapping tunnels in the future,but also can provide reference for the optimizing of the shield boring parameters so as to achieve scientific,rational,safe and high-quality tunneling.

Metro; overlapping tunnel; intersection angle; shield method; strata deformation

2014-07-10;

2014-09-16

863計(jì)劃課題(2012AA041802，2012AA041803)；國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)(2011DFB71550)；洛陽(yáng)市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)資金項(xiàng)目(1301065A)；隧研合2013-10

周建軍(1969—)，男，湖南株洲人，2006年畢業(yè)于法國(guó)里爾科技大學(xué)，土木工程專(zhuān)業(yè)，博士，教授，主要從事巖石力學(xué)地下工程技術(shù)方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.003

U 455

A

1672-741X(2014)11-1031-05