軟土盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵影響數(shù)值分析

丁智，吳云雙，張霄，陳凱

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軟土盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵影響數(shù)值分析

丁智1，吳云雙1，張霄1，陳凱2, 3

(1. 浙江大學(xué)城市學(xué)院 土木工程系，浙江 杭州，310015； 2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083； 3. ?浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州，311112)

為了研究新建盾構(gòu)隧道施工對既有地鐵的影響，采用數(shù)值分析方法，針對軟土地質(zhì)分別改變兩隧道凈距與角度進行計算，從而得到不同工況下既有地鐵變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律及近接分區(qū)范圍。研究結(jié)果表明：兩隧道凈距與角度不同，既有地鐵變形與襯砌內(nèi)力變化不同，上穿施工較下穿施工更加危險，斜穿施工引起既有地鐵變形和襯砌內(nèi)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)；得到軟土地區(qū)近接分區(qū)影響范圍，當(dāng)近接區(qū)段位于強影響區(qū)時需對既有地鐵進行加固，進一步將分區(qū)研究成果應(yīng)用于杭州地鐵4號線穿越1號線實際工程，實測數(shù)據(jù)表明分區(qū)研究成果較為合理。

盾構(gòu)隧道；隧道變形；襯砌內(nèi)力；近接分區(qū)

近年來，隨著軌道交通的不斷發(fā)展，不可避免得會出現(xiàn)新建盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵的情況。尤其在軟土地區(qū)，新建盾構(gòu)隧道施工將擾動周圍土層，進而危及既有地鐵的結(jié)構(gòu)安全[1?4]。如上海地鐵7號線近距離穿越1號線時經(jīng)注漿加固后1號線仍有超過5 mm的沉降。為了保證新建盾構(gòu)隧道施工的順利進行和既有地鐵的安全，有必要對盾構(gòu)穿越可能引發(fā)的既有地鐵變形及內(nèi)力變化開展精細化分析。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究[5?12]。丁傳松等[5]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)上穿和下穿時既有地鐵的變形特點進行了分析，證明了盾構(gòu)上穿會造成下部隧道隆起，且隆起變形呈拋物線，二次穿越中隧道變形具有疊合效應(yīng)。徐前衛(wèi)等[6]利用有限元方法進行數(shù)值計算，分析了盾構(gòu)推進而引起的土層擾動規(guī)律和既有地鐵變形影響；劉樹佳等[7]依托上海地鐵11號線上穿4號線工程，建立有限元模型研究在不同凈距、不同土倉壓力、不同注漿量下新建隧道上穿既有地鐵管片變形的影響，結(jié)果表明凈距影響最大，并進一步提出了多線疊交隧道施工系數(shù)的概念；方勇等[8?9]采用有限元軟件ANSYS研究修建平行隧道和下穿隧道時，分析了既有地鐵變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)平行施工對既有隧道產(chǎn)生“側(cè)向加載”效應(yīng)；廖少明等[10]利用數(shù)值計算，對不同穿越次序引起的既有地鐵變形及地層擾動影響進行比較分析；房名等[11]研究了施工參數(shù)和穿越角度對既有地鐵沉降的影響，得出了隧道變形以縱向沉降為主且為正態(tài)分布的結(jié)論。上述研究主要針對既有地鐵變形和土層擾動規(guī)律，未考慮不同工況下新建盾構(gòu)隧道開挖對既有地鐵襯砌內(nèi)力變化的影響，亦未考慮軟土地區(qū)盾構(gòu)施工對鄰近任意位置隧道的影響范圍，即無軟土地區(qū)近接分區(qū)影響的研究。為此，本文作者采用有限元模擬的方法，研究新建盾構(gòu)隧道近接施工對既有地鐵變形和襯砌內(nèi)力的影響，并提出軟土地區(qū)近接分區(qū)影響范圍。

1 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模型驗證

1.1 模型及參數(shù)建立

依托杭州地鐵1號線施工實例[13]，采用Plaxis有限元軟件對盾構(gòu)施工及參數(shù)選取進行模擬驗證。模型水平方向取60 m，豎直方向取40 m，地下水位線位于?4.0 m處。隧道外徑為6.2 m，埋深為19.0 m，襯砌厚度為0.35 m。

土體本構(gòu)模型采用硬化模型(HS模型)，因為HS模型能同時反應(yīng)土體壓縮與剪切變化，更符合軟土特性[14]。土體損失率為1.25%。地層剖面如圖1所示，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 地層剖面圖

表1 土體分層及物理力學(xué)參數(shù)

注：為重度；為黏聚力；為內(nèi)摩擦角；0為小應(yīng)變剪切模量；50為三軸試驗割線模量；oed為側(cè)限試驗切線模量；ur為卸載?重加載試驗?zāi)Ａ俊?/p>

襯砌管片采用板單元模擬，襯砌管片是由螺栓連接的整體結(jié)構(gòu)，剛度折減系數(shù)取0.8[15]。襯砌注漿壓力起始深度為19 m，初始壓力為170 kN/m2，遞增壓力為20 kN/m2。襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表2。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表2 襯砌物理力學(xué)參數(shù)

圖2 整體單元網(wǎng)格劃分圖

1.2 模型驗證

為了驗證盾構(gòu)掘進數(shù)值模型參數(shù)的可靠性，本文選取G2(K29+970)監(jiān)測點的地表沉降實測數(shù)據(jù)與該區(qū)段數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，監(jiān)測點分布如圖3所示，實測與數(shù)值模擬對比結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：本文模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，表明本文模型參數(shù)選取較為合理。

單位：mm

圖4 模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值對比

2 新建盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵數(shù)值模擬

2.1 模型建立

既有地鐵隧道與新建盾構(gòu)隧道相對位置如圖5所示，研究兩隧道中心連線與水平線夾角分別為90°，45°，0°，?45°，?90°時不同凈距的影響(文中以逆時針為正，順時針為負)。利用有限元軟件Plaxis進行計算，兩隧道外徑均為6.2 m，襯砌厚度均為0.35 m，土體的本構(gòu)模型仍為硬化模型(HS模型)。根據(jù)兩隧道相對位置關(guān)系的不同，共計算29種工況以探究軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道近接施工影響及分區(qū)范圍。土體物理力學(xué)參數(shù)與表1中淤泥質(zhì)黏土相同，襯砌參數(shù)見表2，計算工況見表3。

圖5 兩隧道位置分布示意圖

表3 計算工況

2.2 不同工況下既有地鐵變形研究

為對比新建盾構(gòu)隧道在不同位置處施工引起既有地鐵變形的規(guī)律，將各種工況下隧道變形示意圖繪制在同一圖中(隧道變形放大200倍)，如圖6所示。實線圓表示既有地鐵變形前形狀，虛線橢圓表示既有地鐵變形后形狀。

圖6 不同工況隧道變形圖

從圖6可以看出：既有地鐵最大位移和變形均在隧道凈距為0.25時達到。隨著兩隧道凈距的增大，既有地鐵變形逐漸減小。當(dāng)隧道凈距達到1.5時，隧道幾乎不發(fā)生形狀改變，僅僅在整體位移上有變化；由于兩隧道穿越角度的不同，隧道偏離原有位置方向有所差異。豎直方向上(夾角為90°與?90°)，在卸荷作用和土體損失共同作用下，垂直上穿(夾角為90°)施工將引起既有隧道上浮，而垂直下穿(夾角為?90°)施工將引起既有隧道下沉，既有隧道呈“豎鴨蛋”形狀。當(dāng)兩隧道凈距分別為0.25，0.5，1.0，1.5時，90°工況既有隧道最大變形量約為?90°工況的121.2%，116.4%，120.3%，119.4%?？芍怪鄙洗┕r較垂直下穿工況對既有隧道的影響更大。對于夾角為45°，?45°這2種工況，由于新建隧道開挖的影響，隧道在豎向均產(chǎn)生位移，并且自身產(chǎn)生橢圓狀相對變形以及一定程度的旋轉(zhuǎn)。在0°工況下，隨著新建盾構(gòu)隧道的掘進，既有隧道兩側(cè)拱腰偏離新建隧道，拱底略有下沉。就最大變形量而言，已建隧道最大變形量發(fā)生在靠近新建隧道的拱腰處，這與何川等[16]通過室內(nèi)模型試驗得到的研究結(jié)果較為類似。

2.3 不同工況下既有地鐵襯砌內(nèi)力分析

為探究不同工況下新建盾構(gòu)隧道近接施工對既有地鐵襯砌內(nèi)力的影響，采用極坐標圖繪制不同工況下襯砌內(nèi)力變化情況示意圖(彎矩按比例縮小140倍，軸力縮小220倍)，見圖7和圖8。為比較新建盾構(gòu)隧道施工前后既有隧道襯砌內(nèi)力的變化情況，在每張圖中均加入新建盾構(gòu)隧道開挖前既有地鐵隧道的襯砌內(nèi)力圖(圖中以單個隧道表示)。

從圖7和圖8可以看出：新建盾構(gòu)隧道在豎直方向開挖，由于卸荷作用，既有地鐵隧道的豎向壓力向兩側(cè)土體擴散而減小，從而使既有地鐵隧道彎矩相比新建盾構(gòu)隧道施工前有所減小。其中襯砌左右兩側(cè)彎矩顯著減小，上下頂點彎矩略有減小。

圖7 90°各工況襯砌內(nèi)力圖

圖8 ?90°各工況襯砌內(nèi)力圖

同樣由于卸荷作用，在90°工況中既有隧道襯砌軸力較新建盾構(gòu)隧道開挖前有所減小，其中拱頂與拱底軸力顯著減小，兩拱腰處變化不大，當(dāng)兩隧道凈距為0.25時，既有隧道襯砌軸力為新建盾構(gòu)隧道開挖前襯砌軸力的16.7%。由圖8(b)可得：在夾角為 ?90°工況下，隧道襯砌軸力變化與夾角為90°工況時的相反，襯砌軸力較新建盾構(gòu)隧道開挖前反而增大，這是由于隨著埋深的增加，土的自重應(yīng)力增大，并在較大的注漿壓力作用下抵消了卸荷作用。這與NGOC-ANH[17]的研究結(jié)論相符。

從圖9和圖10可以看出：對于盾構(gòu)隧道斜穿工況而言，由于新建盾構(gòu)隧道開挖引起的“卸荷”作用使既有隧道襯砌內(nèi)力減小，而同時引起的“偏壓”作用使既有隧道襯砌內(nèi)力增大，故當(dāng)新建隧道開挖完成后，既有隧道襯砌內(nèi)力變化較小。模擬結(jié)果表明：當(dāng)兩隧道凈距分別為0.25，0.5和1.0時，夾角為45°工況彎矩變化僅為夾角為90°工況的14.4%，12.2%和9.0%，夾角為45°工況軸力僅為夾角為90°工況的17.0%，20.4%和15.2%。但值得注意的是，在夾角為?45°工況中，襯砌彎矩變化十分明顯，這是由于新建盾構(gòu)隧道斜下穿開挖引起的卸荷作用遠大于偏壓作用，使既有隧道襯砌彎矩減小。但隨著兩隧道凈距的增大，新建盾構(gòu)隧道開挖引起的偏壓作用大于卸荷作用，既有隧道襯砌彎矩增大。隨著盾構(gòu)隧道凈距的繼續(xù)增大(達到1.0時)，新建隧道開挖對既有隧道影響逐漸減弱，既有隧道襯砌彎矩逐漸減小。同時，從圖9和圖10可以看出：斜穿施工使既有隧道襯砌彎矩與軸力出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，夾角為45°工況下襯砌彎矩發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)，夾角為?45°工況下，襯砌彎矩發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)。隨著隧道凈距的減小，襯砌彎矩的非對稱性更加顯著。后多次改變新建隧道斜穿角度，建立數(shù)值模型分析其結(jié)果，可以認為：新建隧道斜上穿(夾角為45°工況)施工使既有隧道內(nèi)力出現(xiàn)順時針偏轉(zhuǎn)，斜下穿(夾角為?45°工況)施工使既有隧道襯砌和軸力出現(xiàn)逆時針偏轉(zhuǎn)。

夾角為0°時各工況襯砌內(nèi)力如圖11所示。由圖11可見：平行盾構(gòu)隧道施工將引起既有隧道產(chǎn)生一定的附加彎矩和軸力，軸力附加量略大于彎矩附加量，當(dāng)兩隧道凈距分別為0.25，0.5，1.0和2.0時，軸力附加量約為彎矩的125.0%，121.3%，112.4%和107.6%。同時隨著凈距的增大，既有隧道附加內(nèi)力更加趨于平緩。

2.4 近接分區(qū)影響

由于硬化土本構(gòu)模型(HS模型)的特點，選用以下加載面方程對盾構(gòu)隧道近接分區(qū)進行劃分[14]：

圖9 45°各工況襯砌內(nèi)力圖

圖10 ?45°各工況襯砌內(nèi)力圖

圖11 0°各工況襯砌內(nèi)力圖

表4 各工況近接影響分區(qū)

由表4繪出軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道近距離穿越近接分區(qū)影響范圍如圖12所示，圖中間實線圓表示既有隧道輪廓，虛線圓表示新建盾構(gòu)隧道輪廓，既有隧道輪廓與實線之間為強影響區(qū)域，實線與虛線之間為弱影響區(qū)域，虛線之外表示無影響區(qū)域。由圖12可知：新建盾構(gòu)隧道上穿施工對既有隧道的影響最大，這與張曉清等[18]的研究成果較為一致。因此當(dāng)既有地鐵影響保護要求較高時，優(yōu)先采用下穿形式。

圖12 盾構(gòu)隧道近接分區(qū)圖

3 近接分區(qū)應(yīng)用

3.1 工程概況

由上述近接分區(qū)研究成果，在杭州地鐵4號線盾構(gòu)隧道下穿運營隧道1號線上實際案例進行近接分區(qū)劃分應(yīng)用。

杭州地鐵4號線從官河站修建，期間4號線下穿正在運營的1號線并到達終點站杭州火車東站。官~火區(qū)間與已運營的1號線在里程K21+092.343相交，兩隧道最小凈距2.12 m，4號線以23°下穿已建地鐵1號線，其中1號線埋深19 m，其主要穿越土層同表1。圖13所示為杭州地鐵4號線盾構(gòu)隧道下穿運營隧道1號線的平面示意圖。

圖13 杭州地鐵1號線與4號線平面示意圖

3.2 成果應(yīng)用

以兩隧道最小凈距2.12 m的最危險工況進行分析，應(yīng)用分區(qū)成果如圖14所示，表明該區(qū)段位于強影響區(qū)域內(nèi)。因而須對該區(qū)段既有隧道進行加固，選用20 mm鋼板及16b槽鋼進行管片的環(huán)、縱向加固，加固后隧道如圖15所示。經(jīng)鋼環(huán)加固后，實測數(shù)據(jù)表明既有地鐵受施工影響較小，正下方穿越時隧道結(jié)構(gòu)豎向沉降僅為1.67 mm，加固措施取得良好效果。同時，亦可以認為本文近接分區(qū)劃分較為合理。

圖14 最危險工況影響分區(qū)圖

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵時，兩隧道之間的相對位置對既有地鐵影響較大。隨著兩隧道凈距增大，變形逐漸減小；由于兩隧道穿越角度的不同，不同工況下既有地鐵偏移方向有所差異。在卸荷作用及地層損失共同作用下，新建盾構(gòu)隧道上穿對既有地鐵變形較下穿更大。夾角為90°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩減小，軸力減小。夾角為?90°工況下施工引起既有地鐵彎矩減小，軸力增大。

2) 夾角為45°工況下與夾角為?45°工況下施工對既有地鐵軸力影響較小，但夾角為?45°工況下施工對既有地鐵彎矩影響更大。新建隧道夾角為45°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)，夾角為?45°工況下施工引起既有地鐵襯砌彎矩發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)。平行施工引起軸力附加量略大于彎矩附加量。

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(編輯 趙俊)

Numerical analysis of influence of shield tunnel in soft soil passing over existing nearby subway

DING Zhi1, WU Yunshuang1, ZHANG Xiao1, CHEN Kai2,3

(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China; 2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China)

In order to study the influence of new shield tunnel’s construction on the existing subway, the changes of the two tunnels’ clearance distance and angle respectively in soft soil were calculated by the numerical analysis method, and then the variation of existing subway deformation, internal force of lining and the range of adjacent partition are gained. The results show that when two tunnels’ clearance distance and angle are different, the change of existing subway deformation and internal force of lining are also different; the overlapped construction is more dangerous than undercrossing construction; slanted-passing construction causes the deflection of the existing subway deformation and internal force of lining. And the influencing range of adjacent partition in the soft soil is given. When close-spaced subarea is located in the strongly influencing zone, it is necessary to reinforce the existing subway. And the research of adjacent partition is applied to the practical project of Hangzhou Subway Line 4 crossed Line 1. The measured data show that the research result is comparatively reasonable.

shield tunnel; deformation of tunnels; Tunnel lining internal force;adjacent partition

U459；TB115

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.020

1672?7207(2018)03?0663?09

2017?04?13；

2017?06?06

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LQ16E080008)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51508506)；浙江省重點研發(fā)計劃項目(2017C03020)；杭州市科技計劃項目(20160533B94，20172016A06) (Project(LQ16E080008) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province; Project(51508506) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017C03020) supported by the Key Research and Development of Zhejiang Province; Projects(20160533B94, 20172016A06) supported by Hangzhou Science and Technology Guiding of China)

丁智，博士，副教授，從事地鐵施工及運營對周邊環(huán)境影響的研究；E-mail: dingz@zucc.edu.cn