盾構雙線隧道下穿通信鐵塔近接影響分析

張社榮，馮曉成，于　茂，王　超

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072; 2.天津大學建筑工程學院，天津　300072)

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盾構雙線隧道下穿通信鐵塔近接影響分析

張社榮1，2，馮曉成1，2，于茂1，2，王超1，2

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072; 2.天津大學建筑工程學院，天津300072)

摘要：地鐵雙線隧道盾構下穿通信鐵塔，風險程度較高。研究盾構近接施工對鐵塔位移的影響，對于保證施工中鐵塔穩(wěn)定具有重要意義。以天津地鐵6號線盾構隧道下穿通信鐵塔為例，通過有限元數值分析軟件ABAQUS對盾構施工過程進行模擬。將地表沉降計算值與地表實測值進行對比，驗證盾構模擬的合理性。對地鐵雙線隧道不同位置處下穿通信鐵塔時鐵塔位移變化進行研究，得到各位置處鐵塔位移分布規(guī)律。同時分析鐵塔受影響較大區(qū)域，結果表明在左線隧道開挖過程中，距隧道中心2倍洞徑范圍內鐵塔受影響程度最大；右線隧道開挖過程中，左線隧道左側2倍洞徑至右線隧道右側2倍洞徑范圍內鐵塔受影響程度最大。

關鍵詞：盾構；雙線隧道；通信鐵塔；數值分析

1概述

隨著我國經濟的發(fā)展以及城市化進程的加劇，地鐵工程迅速發(fā)展，隧道盾構施工下穿既有構筑物的現象越來越多。地鐵隧道施工過程中會對周邊土體產生擾動，引起不同程度的地表變形問題，進而可能威脅臨近構筑物的安全。雙線平行隧道盾構施工中，受左、右線隧道的共同作用，地表變形較為復雜。地鐵雙線隧道盾構下穿通信鐵塔施工過程中受地表變形影響，鐵塔容易發(fā)生傾斜，嚴重時甚至發(fā)生傾覆[1]，直接關系到鐵路無線通信信號的穩(wěn)定以及周邊列車及行人的安全[2]。因此，針對雙線隧道盾構施工對地表及既有構筑物影響以及地下開挖對鐵塔變形影響等問題學者們展開了較多的研究。朱雙廳等[3]、曲強等[4]基于風險分析理論，依托現場實測，對隧道施工過程中各盾構參數進行調控，保證了下穿既有鐵路的安全性；張?zhí)烀鱗5]對盾構施工過程中周圍土體的影響進行了分析，提出了控制地層沉降的相應措施；張文正[6]以某地鐵雙線隧道盾構下穿北京西站為例，基于ANSYS軟件對上覆建筑物變形進行了分析，得出隨隧道開挖的進行既有構筑物沉降值不斷增大的結論；張社榮等[7]考慮滲流耦合條件，對軟土地區(qū)盾構隧道施工過程進行三維數值模擬，得出施工過程中距開挖面3～4倍洞徑范圍內土體變形較大的結論；姜曉婷等[8]、彭暢等[9]對隧道盾構掘進過程進行數值模擬，分析了隧道開挖對既有構筑物傾斜的影響；徐茂兵[10]以深圳地鐵隧道下穿鐵塔工程為背景，從施工技術、結構安全等方面對加固方案進行了對比，確定了地表樁基托換的加固方案；黃沛[11]依托桑浦山隧道出口段工程，以三臺階七步開挖法為隧道施工方式，對隧道下穿鐵塔工程進行數值模擬，得出在鐵塔正下方開挖的階段，鐵塔沉降與位移占總沉降與總位移的75%左右的結論；楊元洪[12]、張華林[13]依托李家沖隧道下穿輸電鐵塔工程，采用三臺階留核心土法模擬了隧道下穿鐵塔施工過程，分析了上覆鐵塔與隧道施工相互之間的影響及規(guī)律，研究了單洞施工條件下隧道下穿輸電鐵塔過程中鐵塔位置、隧道洞徑等對鐵塔變形的影響?？傮w來看，隧道盾構施工對地表及既有構筑物影響以及地下開挖對鐵塔變形影響等問題研究較多，但對地鐵雙線隧道盾構下穿通信鐵塔方面的研究較少，盾構下穿鐵塔過程中鐵塔位移變化規(guī)律有待進一步研究。

結合天津地鐵6號線雙圓隧道盾構下穿天津西站站場通信鐵塔的工程實例，研究地鐵雙線隧道在不同位置處下穿通信鐵塔時鐵塔位移規(guī)律，探究施工過程中鐵塔受影響程度較大區(qū)域，對于隧道下穿通信鐵塔工程設計、施工，保證施工中鐵塔穩(wěn)定具有重要參考意義。

2工程概況

天津地鐵6號線北竹林站—西站站盾構區(qū)間為平行雙線隧道，工程由北竹林站向西站站方向推進，依次下穿津滬高鐵、津秦高鐵、京津城際聯絡線等天津西站站場重要設施。津秦高鐵與城際聯絡線中部過渡段落，設有通信基站一處，基站內共設通信鐵塔、箱式變電站、通信基站機房三處構筑物。以通信鐵塔為對象進行研究，分析雙線隧道在不同位置處下穿鐵塔時對鐵塔的影響。天津地鐵6號線下穿天津西站站場示意如圖1所示。

圖1　天津地鐵6號線下穿天津西站站場示意

3盾構施工的模擬

3.1三維數值模型

如圖2所示，隧道內徑為5.5 m，隧道中心埋深為18.8 m，左、右線隧道相距17 m，選取沿盾構掘進方向160 m范圍內的土體作為盾構穿越影響分析的計算模型，且自隧道中心向兩側及下部各延伸40 m(至少6倍洞徑)，建立三維數值模型。隧道管片內半徑為2.75 m，管片厚度0.35 m，等效層厚度分別為(超挖、盾殼、操作間隙)1、5、1 cm。通信鐵塔為自立式角鋼塔，高度為25 m，根開為3.5 m，鐵塔基礎為圓柱形，埋深4.0 m。模型共劃分175 776個單元及157 705個節(jié)點。計算中實體單元采用C3D8P模擬，鐵塔及塔基采用B31模擬。塔基與周圍土體進行耦合，與鐵塔連接處共節(jié)點。

坐標系如圖2(a)所示，x軸與隧道軸線方向垂直，以沿隧道掘進方向向右為正；y軸沿隧道軸線方向，以盾構掘進方向為正；z向為豎直方向。模型四周為法向約束，底部施加全約束，上部表面為自由表面。計算中考慮土體滲流，地下水位線所在的面為自由邊界，其孔隙水壓力為零，四周以及底部邊界為不透水邊界。本工程穿越地段主要有粉質黏土、粉土、粉砂等，采用修正劍橋本構，其材料參數如表1所示。鐵塔及塔基截面屬性及材料參數見表2。

圖2　雙線隧道盾構下穿通信鐵塔有限元模型示意(單位：m)

材料層厚/m密度/(kg/m3)干密度/(kg/m3)泊松比λκM孔隙率滲透系數/(m/s)雜填土1.3191014310.30.070.0041.240.9471.1E-7粉質黏土13.3198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉土4.2198016780.30.040.0021.200.6461.1E-7粉質黏土7.2198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉土5.0198016780.30.040.0021.200.6461.1E-7粉砂4.8197014760.250.040.0021.200.8741.1E-6粉質黏土4.8198016430.30.060.0031.240.6831.1E-7粉砂16.0197014760.250.040.0021.200.8741.1E-6

表2　鐵塔及基礎截面屬性和材料參數

3.2盾構掘進過程的模擬方法

采用生死單元法分步移除和激活不同區(qū)域及材料的單元，實現盾構掘進過程的動態(tài)模擬。盾構中每次向前推進一環(huán)，盾首周圍相應土體單元變?yōu)槎軜媶卧统陂g隙單元。尾部盾構單元變?yōu)槎芪部障秵卧?，同時激活一環(huán)管片單元，而盾尾的間隙單元(包括：超挖間隙單元、盾尾空隙單元和操作間隙單元)則同步變?yōu)樽{單元(圖3)。

圖3　盾構模擬單元材料示意

在材料模擬方面，盾構開挖后的土體單元采用空模型；盾殼、管片襯砌采用線彈性本構，用實體單元模擬，其彈模分別取為210、34.5 GPa；間隙單元采用低模量的軟材料進行模擬，彈性模量取為10 kPa；為模擬盾構開挖過程中刀盤擾動及掌子面卸荷引起的土體位移，選取掌子面區(qū)域部分單元，按經驗取彈模為原彈模的1/2，進行卸荷模擬(圖3中卸荷單元區(qū)域)，卸荷區(qū)厚度與管片厚度相等，取為1.2 m。對于盾尾注漿材料，根據其凝固過程，分為液體注漿材料(彈模為1 MPa)和硬化注漿材料(彈模為40.0 MPa)進行模擬。

考慮到該區(qū)域為軟土區(qū)域，地下水埋深較淺，隧道開挖對工程影響較大，故采用流固耦合技術，在盾構施工中定義初始孔壓、初始孔隙比以及水面線位置進行滲流的模擬。計算時地下水線取地表以下1.5 m。數值模擬中灌漿壓力取為0.3 MPa，施加于管片外表面；土倉壓力取為0.3 MPa，作用在掌子面。

本文中雙線隧道開挖采用左線開挖完成后再進行右線開挖的施工工序。

圖4　左線隧道施工地表土體橫向沉降分布

4盾構隧道下穿通信鐵塔位移影響分析

4.1盾構掘進數值模擬驗證

根據實際工程地面沉降監(jiān)測成果，將左線先行隧道施工完成時地面橫向沉降實測值與相應位置處地面橫向沉降數值模擬值進行對比分析，結果如圖4所示。從圖中可以看出，模擬值與實測值變化規(guī)律基本一致，數值相差較小，相差百分比在3%～16%的范圍內，表明數值模擬計算具有一定的可靠性。

4.2雙線隧道正中間位置通信鐵塔位移變化規(guī)律分析

圖5　鐵塔位移隨分析步變化曲線

由圖5(a)(b)(c)可知，地鐵雙線隧道盾構下穿鐵塔時，鐵塔各腳點位移U1、U2、U3隨分析步變化規(guī)律基本一致。

(1)橫向水平位移：左線隧道開挖過程中，各塔腳點U1隨隧道開挖逐漸增大，左線隧道開挖完成時達到較大峰值，最大為-5.42 mm，表明塔基向左側偏移位移達到最大。隨右線隧道的開挖，各塔腳點向左偏移值不斷減小。隧道施工完成后，U1整體較小。

(2)縱向水平位移：左線、右線隧道開挖過程中，各塔腳點U2均隨隧道開挖呈先增大后減小的變化規(guī)律，相應的各塔基均向隧道開挖側發(fā)生偏移。在左、右線隧道開挖至鐵塔中心平面附近時，各塔基縱向位移均達到較大峰值，分別為-2.82、-2.46 mm。

(3)沉降位移：左右線隧道盾構下穿鐵塔時，各塔腳點U3均隨隧道開挖不斷增大。受塔腳點到開挖隧道距離的影響，在開挖過程中，距開挖隧道較近的塔腳點沉降變化較大。右線隧道施工完成后，各塔腳點沉降位移均達到最大，分別為15.66、15.46、15.58、15.48 mm，沉降差較小。

(4)傾斜率：隧道施工過程中，鐵塔傾斜率先隨左線隧道開挖逐漸增大，在左線隧道開挖完成時達到最大值；隨著右線隧道的開挖，鐵塔傾斜率逐漸減小，表明鐵塔向開挖側隧道發(fā)生偏移。受對稱性影響，右線隧道開挖完成時該位置處鐵塔傾斜率基本為零。

左、右線隧道開挖至鐵塔中心平面附近時，各塔基位移變化及鐵塔傾斜率變化均較大，表明此時鐵塔受隧道開挖影響最為顯著。開挖面距離鐵塔中心平面較遠，各塔基位移及鐵塔傾斜率變化基本為0，表明此處受隧道開挖影響較小。綜合分析表明，隧道盾構施工過程中鐵塔受影響程度與開挖面距鐵塔中心平面的距離呈一定的負相關關系。

4.3不同位置下穿通信鐵塔位移影響分析

為研究雙線隧道不同位置處下穿通信鐵塔時對鐵塔位移的影響，參考盾構隧道下穿建筑物影響范圍區(qū)域研究成果[7-9]，結合工程實際，采用三維數值仿真技術，對位置因素進行敏感性分析。擬定a～h共8個典型位置進行分析，各位置通信鐵塔與雙線隧道平面位置關系如圖6所示。圖6中隧道軸線箭頭指向盾構推進方向，1號、2號、3號、4號表示各塔腳點位置。橫坐標原點位于左線隧道軸線，以管片內徑D(5.5 m)為單位，2號塔腳點橫坐標表示鐵塔位置。a處鐵塔關于左線、右線隧道中心線對稱，c處鐵塔關于左線隧道軸線對稱。

以塔腳點沉降和鐵塔傾斜率為主要指標，分析各鐵塔位移變化特征。以2號塔腳點為典型點進行塔基沉降分析。左、右線隧道開挖完成時各位置處塔基沉降及鐵塔傾斜率分布如圖7所示。圖7(b)中M點為左、右線隧道開挖完成時鐵塔傾斜率分布曲線交點。根據通信鐵塔工程相關標準[14]，鐵塔傾斜率允許值為1/1 500，即0.000 67。

圖6　鐵塔典型位置平面布置

圖7　典型位置處塔基沉降位移及鐵塔傾斜率分布曲線

由圖7可知，左線隧道開挖完成時，各位置處塔基沉降整體呈凹槽分布，關于隧道軸線對稱。隨距開挖隧道軸線距離的增大，塔基沉降位移逐漸減小。在位置c處鐵塔沉降值最大，為12.77 mm。在距隧道軸線4D距離處，塔基沉降位移較小，為1.42 mm，占最大沉降位移的11.1%。右線隧道開挖完成時，塔基沉降仍呈凹槽分布，但各點處沉降值均有一定的增大。在當前條件下，兩隧道中間范圍內鐵塔腳點沉降最大。

左線隧道施工完成時，各位置處鐵塔傾斜率分布曲線關于左線隧道軸線對稱。在隧道左側，隨著距隧道軸線距離的增大，鐵塔傾斜率呈先增大后減小的規(guī)律，在距隧道中心線約1.5D處達到最大，為0.001 025。受對稱性影響，左線開挖完成時，位置c處鐵塔傾斜率較小，基本為0。右線隧道施工完成時，鐵塔傾斜率分布曲線關于左、右線隧道中心線對稱(橫坐標1.5D)。在典型點M左側，各位置處鐵塔傾斜值均有一定增大，繼續(xù)向開挖側發(fā)生傾斜。典型點M右側至左右線隧道中心線范圍內，受對稱性影響，鐵塔向右發(fā)生傾斜，其傾斜率均有所降低。位置a、b處傾斜率降低明顯，基本為0。當鐵塔位于左線隧道左側1D及右線隧道右側1D位置附近時，傾斜率達到最大，為0.001 287。

4.4鐵塔受影響程度較大區(qū)域分析

地鐵雙線隧道盾構下穿通信鐵塔，受鐵塔位置影響，不同位置處下穿對鐵塔影響程度不同。為分析隧道下穿鐵塔施工過程中鐵塔位移受影響程度較大區(qū)域，分別取左、右線隧道開挖過程中各位置處鐵塔沉降及傾斜率最大值進行分析(表3)。左、右線隧道開挖過程中，對于沉降值，各位置處鐵塔均分別在左、右線隧道施工完成時達到最大；對于傾斜率，位置a、b處在左線隧道開挖完成時達到最大；位置c處在左線隧道開挖至鐵塔中心平面附近時達到最大，主要發(fā)生縱向傾斜；位置d～h處鐵塔傾斜率分別在左、右線隧道施工完成時達到最大。

由表3可知，左線隧道施工完成后，在距隧道軸線0～1D的范圍內，鐵塔各處沉降值達到最大沉降值的70%以上。對于傾斜率，距左線隧道軸線距離1D～2D范圍內，鐵塔各處傾斜率較大，達到最大傾斜率的70%以上。綜合考慮鐵塔沉降及傾斜率，表明左線隧道開挖完成后，距隧道軸線距離2D范圍內鐵塔受影響程度最大。右線隧道施工完成后，塔基沉降位移值及鐵塔傾斜率均關于左、右線隧道中心線對稱。以中心線左側區(qū)間進行分析，對于沉降值，在-1D～1.5D范圍內，各處塔基沉降值達到最大沉降值的70%以上；對于傾斜率，在-2D～-1D范圍內，鐵塔各處傾斜率達到最大傾斜率的70%?？紤]對稱性，綜合分析表明，當前條件下，在左線隧道左側2D到右線隧道右側2D區(qū)間范圍內鐵塔受影響程度最大。

表3　各位置處鐵塔傾斜率及塔基沉降最大值

5結論

以天津地鐵6號線盾構下穿通信鐵塔工程為依托，在當前隧道埋深、洞徑、雙線隧道間距、土層特性等條件下，對施工過程進行數值模擬分析，主要得到以下結論。

(1)將左線隧道施工完成時地面橫向沉降實測值與相應計算值進行對比分析，二者變化規(guī)律基本一致，表明數值模擬具有一定的可靠性。

(2)雙線隧道盾構下穿鐵塔施工過程中，各塔腳點沉降位移均隨隧道開挖不斷增大。左、右線隧道開挖至鐵塔中心平面附近時，各塔基位移變化及鐵塔傾斜率變化均達到最大，隧道盾構施工過程中鐵塔受影響程度與開挖面距鐵塔中心平面的距離呈一定的負相關。

(3)左、右線隧道施工完成時，各位置處塔腳點沉降整體呈凹槽分布，但右線開挖完成時各點處沉降值較左線開挖完成時有一定增大。對于傾斜率，左線隧道開挖完成時，在隧道左側，隨著距隧道軸線距離的增大，鐵塔傾斜率呈先增大后減小的規(guī)律，在距隧道軸線約1.5倍洞徑處達到最大。右線隧道開挖完成時，在左線隧道左側1倍洞徑、右線隧道右側1倍洞徑位置附近鐵塔傾斜率達到最大。

(4)綜合考慮鐵塔沉降及傾斜率，左線隧道開挖過程中，距隧道軸線距離2倍洞徑范圍內鐵塔受影響程度最大；右線隧道開挖過程中，在左線隧道左側2倍洞徑到右線隧道右側2倍洞徑區(qū)間范圍內鐵塔受影響程度最大。盾構隧道在該區(qū)域下穿通信鐵塔時，施工風險較高，應重點關注。

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收稿日期：2015-10-04； 修回日期：2015-10-28

基金項目：國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金(51321065)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃青年項目(15JCQNJC08000)

作者簡介：張社榮(1960—)，男，教授，1982年畢業(yè)于天津大學，工學博士。

文章編號：1004-2954(2016)06-0100-06

中圖分類號：U451

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.021

Analysis of Approaching Influence of Shield Double-line Tunnel Passing under Communication tower

ZHANG She-rong1，2, FENG Xiao-cheng1，2, YU Mao1，2, WANG Chao1，2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：Double-line shield tunnel passing under communication tower poses big risk. The research of shield construction influence on displacement of tower is of great significance to guarantee the stability of the tower during construction. Based on the construction of Tianjin Line 6 double-line shield tunnels，traversing the communication tower，the finite element numerical analysis software ABAQUS is employed to simulate the shield construction process. The calculated values and measured values of ground settlement are compared and analyzed to verify the rationality of the shield simulation. Researches are conducted on the displacement change of the tower when the metro double-line shield tunnels are excavated below the communication tower at different positions，and displacement distribution pattern of the tower at each position is identified. At the same time，the area in which the tower is affected seriously is analyzed. The results show that in the process of tunneling on the left line，the tower is affected most within the range of 2 times of the tunnel diameter from the tunnel axis; in the process of tunneling on the right line，the tower is affected most within the range from 2 times of hole diameter of the left tunnel to the 2 times of hole diameter of the right tunnel，

Key words：shield; double-line tunnels; communication tower; numerical analysis