盾構(gòu)隧道下穿明挖區(qū)間隧道三維數(shù)值模擬分析

李鳳嶺，張 波，曹力橋，黃 赫

隨著城市地鐵建設(shè)發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)越來越密，區(qū)間盾構(gòu)隧道不可避免地臨近既有隧道施工。一般而言，根據(jù)區(qū)間盾構(gòu)隧道與既有隧道的相對(duì)位置不同，可分為下穿、上穿及側(cè)穿3類。

1969年P(guān)eck提出的針對(duì)地下開挖所產(chǎn)生的地表沉降經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式最為常用，其反映了在盾構(gòu)橫斷面上的地層沉降[1]，該公式成為理論計(jì)算盾構(gòu)施工引起地層變形的重要理論計(jì)算公式。關(guān)于國(guó)外盾構(gòu)下穿已建隧道研究方面，文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了一系列隧道掘進(jìn)對(duì)上方既有管線影響的離芯機(jī)試驗(yàn)，研究了土體損失、土體應(yīng)變與上部管線彎矩的關(guān)系，為我國(guó)關(guān)于盾構(gòu)下穿隧道的研究提供了有益補(bǔ)充。近年來國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已就地鐵盾構(gòu)隧道下穿已建隧道采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及實(shí)測(cè)分析等方法進(jìn)行了研究，其中數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)分析是最常用的手段。文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值方法分析了不同埋深下既有隧道下方土壓力分布規(guī)律，并提出近距離下穿既有隧道的施工參數(shù)分區(qū)，并給出各區(qū)長(zhǎng)度和施工參數(shù)建議值的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4]采用模型試驗(yàn)和有限元手段，引入橫向和縱向等效剛度折減系數(shù)，對(duì)盾構(gòu)正交下穿施工所引起的既有隧道縱向變位、縱向附加軸力和彎矩、橫向變形、橫向附加軸力和彎矩進(jìn)行深入研究；文獻(xiàn)[5]采用三維有限元數(shù)值方法分析了某盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵暗挖隧道的施工力學(xué)行為；文獻(xiàn)[6]對(duì)盾構(gòu)隧道施工過程進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值模擬，分析不同間距時(shí)新建隧道垂直下穿對(duì)既有地鐵隧道的影響；文獻(xiàn)[7]也基于數(shù)值分析對(duì)盾構(gòu)下穿已建隧道進(jìn)行了研究。在實(shí)測(cè)研究方面，文獻(xiàn)[8]基于盾構(gòu)下穿已建隧道施工期間已建隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探討了施工擾動(dòng)影響下已建隧道的隆起、沉降曲線波峰位置的偏移、二次穿越的疊加效應(yīng)、穿越施工的影響范圍等；文獻(xiàn)[9]通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)近距離斜向下穿運(yùn)營(yíng)隧道的水平位移進(jìn)行定量分析，并討論運(yùn)營(yíng)隧道對(duì)盾構(gòu)3個(gè)施工階段的擾動(dòng)敏感性；文獻(xiàn)[10]通過對(duì)杭州地鐵4號(hào)線2次近距離下穿地鐵1號(hào)線施工過程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，探討盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道變形的影響規(guī)律。在模型試驗(yàn)研究上，文獻(xiàn)[11]采用離心模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)盾構(gòu)上穿越對(duì)周圍地層及既有隧道的影響進(jìn)行了研究。還有一些學(xué)者[12-15]人對(duì)盾構(gòu)近距離下穿已建隧道做了一系列研究，包括理論分析和數(shù)值模擬等內(nèi)容。目前，在盾構(gòu)下穿已建隧道方面，少有盾構(gòu)下穿明挖法區(qū)間隧道出現(xiàn)。

本文以某地鐵工程正線盾構(gòu)隧道下穿引出段線明挖區(qū)間隧道為工程背景，運(yùn)用有限元法動(dòng)態(tài)模擬盾構(gòu)開挖過程，分析盾構(gòu)周圍土體變形以及對(duì)上部明挖區(qū)間隧道的影響，并對(duì)不同施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 工程背景

1.1 工程概況

某地鐵項(xiàng)目正線區(qū)間盾構(gòu)隧道需下穿引出段線明挖區(qū)間隧道，區(qū)間盾構(gòu)隧道與引出段明挖區(qū)間隧道平面和剖面位置關(guān)系如圖1～2所示。引出段線區(qū)間隧道為凈跨5.05m的矩形框架結(jié)構(gòu)，正線區(qū)間隧道與出段線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最小凈距約3.77m。

圖1 盾構(gòu)隧道與明挖區(qū)間平面位置關(guān)系圖

圖2 盾構(gòu)隧道與明挖區(qū)間剖面位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越主要土層有：④ 1層粉質(zhì)粘土夾粉土、⑤ 1層粘質(zhì)質(zhì)粉土夾粉砂、⑤ 2層粉砂、⑥ 1層粉質(zhì)粘土、⑥ 2層粉質(zhì)粘土、ii3層粘土、⑥ 4層粉質(zhì)粘土。根據(jù)本次勘察揭示，本工點(diǎn)地下水按其埋藏條件可分為上層滯水、Ⅰ1層承壓水及Ⅰ2層承壓水：(1)上層滯水主要埋藏于淺部填土層中，埋深約為1.20～1.70m，水位標(biāo)高約為2.94～3.26m，平均水位標(biāo)高約3.15m；(2)第Ⅰ1層承壓水主要埋藏于④ 1粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤ 1、⑤ 2層粉土、粉砂中，其水頭埋深約為2.50～3.50m，水位標(biāo)高約為1.01～1.48m，平均水頭標(biāo)高約1.25m；(3)第Ⅰ2層承壓水主要埋藏于第四系上更新統(tǒng)沖湖積的⑧ 1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土中，水位年變化幅度很小。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算假定

計(jì)算假定如下：(1)正線右線盾構(gòu)隧道施工明挖區(qū)間隧道存在影響，計(jì)算模型只包含正線右線隧道，而不考慮正線左線隧道的存在；(2)初始地應(yīng)力在模型計(jì)算只考慮土體和既有結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響。忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體和既有結(jié)構(gòu)在自重作用下，土體達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)；(3)明挖區(qū)間、正線右線盾構(gòu)隧道與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則；(4)根據(jù)明挖區(qū)間與正線盾構(gòu)隧道的平面位置關(guān)系，本次計(jì)算縱向尺寸大于加固區(qū)范圍。

2.2 計(jì)算模型

采用有限元分軟件MIDAS GTS建立地層-結(jié)構(gòu)三維模型，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。模型范圍選取為：高度45m，寬度56m，長(zhǎng)度104m。模型約束條件為：底面限制其Y方向位移；側(cè)面(X=-52、52)，限制其X方向位移；平面(Z=0、56)，限制其Z方向位移；表面(Y=45)為地面，表示自由邊界；模型中出入線明挖區(qū)間隧道與正線盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型中入段線明挖區(qū)間隧道與正線盾構(gòu)位置關(guān)系

2.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模擬對(duì)象主要有土層、盾構(gòu)管片、明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體加固區(qū)，數(shù)值模擬采用的土體參數(shù)，具體參數(shù)由勘察報(bào)告提供。模型深度范圍內(nèi)共有9個(gè)土層(見表1)，計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)際建模需要共分為10個(gè)土層，分別是：1雜填土、3-3粘土、5-1粉質(zhì)粘土夾粉砂、3層加權(quán)平均組合、2層加權(quán)平均組合、6-4粉質(zhì)粘土、7-2粉質(zhì)粘土、8-2粉質(zhì)粘土、9-1粉質(zhì)粘土和9-2粉質(zhì)粘土。土層和結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)分別列于表1～2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

明挖區(qū)間加固采用地面深孔注漿方式，注漿終壓為0.5～1.2MPa，注漿速率取5～110L/h，施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定注漿參數(shù)。施工配料為無收縮WSS工法AC液注漿施工。漿液配比可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。計(jì)算模擬時(shí)，根據(jù)前人的研究成果，加固后土體參數(shù)是在原值基礎(chǔ)上提高30%左右，本文以此為標(biāo)準(zhǔn)，確定加固后土體計(jì)算參數(shù)。

2.4 計(jì)算工況

本此數(shù)值分析針對(duì)3種工況，分別為：(1)明挖區(qū)間底部不加固工況；(2)明挖區(qū)間底部加固工況；(3)明挖區(qū)間底部不加固+反向施工工況(工況1、2掘進(jìn)方向在平面和計(jì)算模型中的情況如圖4所示，工況3與前2工況相反)。

(a)平面圖上展示情況 (b)計(jì)算模型中展示情況圖4 不同工況下掘進(jìn)方向在平面圖和計(jì)算模型中展示

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 新建盾構(gòu)隧道變形

3種工況掘進(jìn)完成后新建盾構(gòu)隧道豎向變形云圖如圖5所示，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，新建隧道豎向變形均表現(xiàn)為頂部沉降與底部隆起變形，3個(gè)工況下盾構(gòu)隧道最大沉降變形依次約為7.749m、7.683m、7.818mm，底部隆起變形依次約為6.248m、6.376m、6.203mm。結(jié)果表明：(1)上部隧道底部加固能一定程度減小新建隧道頂部沉降，但會(huì)引起新建隧道底部隆起稍有增大的現(xiàn)象；(2)盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，上部隧道底部不加固、加固工況的頂部最大沉降、底部最大隆起位置一致；(3)3種工況下新建隧道沉降變形云圖特征基本一致，且沉降變形云圖與掘進(jìn)方向有關(guān)；(4)不同掘進(jìn)方向?qū)Χ軜?gòu)隧道變形影響很小。

(a) 明挖區(qū)間底部不加固工況 (b) 明挖區(qū)間底部加固工況 (c) 明挖區(qū)間底部不加固+反向施工工況圖5 新建隧道豎向變形

3.2 明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)變形

圖6為3種工況盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后明挖區(qū)間隧道豎向變形云圖，盾構(gòu)掘進(jìn)完成明挖區(qū)間隧道豎向變形均表現(xiàn)為沉降變形，且明挖區(qū)間隧道與正線隧道在平面上交點(diǎn)處的正線隧道沉降量最大(3個(gè)工況下正線隧道最大沉降變形依次約為1.751mm、1.574mm和1.817mm)。由圖6可知，3種工況下明挖區(qū)間隧道沉降變形存在一定的差異比較，工況2區(qū)間隧道沉降變形最小，其次是工況1，工況3下區(qū)間隧道沉降變形最大。結(jié)果表明：(1)上部隧道底部加固能控制其沉降變形；(2)盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，上部隧道底部不加固與加固工況的最大、最小沉降變形位置相同；(3)3種工況下上部隧道沉降變形云圖特征基本一致，且沉降變形云圖與掘進(jìn)方向有關(guān)；(4)盾構(gòu)掘進(jìn)方向?qū)ι喜克淼莱两底冃未嬖谟绊?，但差異較小，掘進(jìn)方向引起的差異主要是因?yàn)樯喜棵魍趨^(qū)間隧道為曲線型隧道?；诙軜?gòu)掘進(jìn)方向?qū)Χ軜?gòu)隧道變形的影響，從控制上部隧道沉降變形的角度考慮，盾構(gòu)施工可考慮由東南向西北方向進(jìn)行。

(a) 明挖區(qū)間底部不加固工況 (b) 明挖區(qū)間底部加固工況 (c) 明挖區(qū)間底部不加固+反向施工工況圖6 明挖區(qū)間隧道豎向變形

圖7 不同掘進(jìn)步上部隧道最大豎向變形

圖8 上部隧道最大沉降點(diǎn)處豎向變形隨施工步變化曲線

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，上部隧道產(chǎn)生沉降變形，且上部隧道變形隨著盾構(gòu)掘進(jìn)發(fā)生多次重分布。3種工況下不同掘進(jìn)步上部隧道最大沉降情況如圖7所示，上部隧道底部加固后，每個(gè)掘進(jìn)步下上部隧道沉降均小于其它2個(gè)工況，而對(duì)于不加固工況和不加固+反向施工工況，不加固+反向施工工況部分掘進(jìn)步上部隧道沉降變形小于不加固工況。圖8為3種工況下盾構(gòu)掘進(jìn)完成后上部隧道最大沉降點(diǎn)處變形隨施工步變化曲線，在盾構(gòu)掘進(jìn)至26m左右后，不加固與加固工況下最大沉降點(diǎn)處變形開始出現(xiàn)差異，而對(duì)于不加固與不加固+反向施工工況，差異出現(xiàn)在盾構(gòu)掘進(jìn)至36m左右。分析圖8中曲線反彎點(diǎn)可知，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)于最大沉降點(diǎn)處的影響范圍約為盾構(gòu)掘進(jìn)20～40m之間。

4 結(jié)論

本文以某地鐵工程正線盾構(gòu)隧道下穿引出段線明挖區(qū)間隧道為工程背景，運(yùn)用有限元法動(dòng)態(tài)模擬盾構(gòu)開挖過程，分析盾構(gòu)周圍土體變形以及對(duì)上部明挖區(qū)間隧道的影響，并對(duì)不同施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析。得出如下結(jié)論：

1)對(duì)上部隧道底部土體加固，能控制上部隧道沉降變形，但對(duì)新建隧道結(jié)構(gòu)和周邊土體變形影響不大。

2)上部隧道在平面上位曲線型隧道，盾構(gòu)掘進(jìn)方向?qū)ι喜克淼莱两底冃斡幸欢ǖ挠绊?，但?duì)自身管片及周圍土體變形影響不大。

3)采用注漿加固后，下部隧道上浮變形得到了較好地控制，最大可降低10%的上浮量，同時(shí)可根據(jù)具體控制標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的加固強(qiáng)度。

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