新建電纜盾構(gòu)隧道近距離下穿 既有地鐵影響分析

董志偉 陳俊生 寶青峰

摘 要：以深圳北環(huán)電纜隧道南線下穿深圳既有地鐵 2 號線崗廈北站—華強北站區(qū)間工程為依托，通過有限元數(shù)值模擬分析新建電纜盾構(gòu)隧道近距離下穿地鐵線路時對既有地鐵的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，既有地鐵的豎向沉降隨著電纜隧道與既有地鐵交叉角度的增加而減小;電纜隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，最大沉降值發(fā)生在掘進(jìn)掌子面后方 15～20m;數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)趨勢接近。

關(guān)鍵詞：地鐵;電纜盾構(gòu)隧道;下穿既有地鐵;數(shù)值模擬

中圖分類號：U455

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和最大化利用城市空間，相繼出現(xiàn)新建隧道近距離下穿既有隧道的情況[1-2]。為了得到新建盾構(gòu)隧道下穿對既有隧道的影響規(guī)律，近年來，學(xué)者從理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測的方面進(jìn)行了大量有價值的研究。房明等（2016）[3]應(yīng)用隨機介質(zhì)理論，建立了隧道交叉施工關(guān)于沉降變形的計算模型;張曉清等（2015）[4]借用室內(nèi)模型試驗，采用排液法，比較了新建隧道與既有隧道的不同位置對地面沉降的影響;李磊等（2014）[5]以上海地鐵新建11號線近距離穿越既有4號線為背景，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，分析了盾構(gòu)下穿施工時的土倉壓力和注漿壓力對既有隧道變形的影響;袁大軍等（2018）[6]以深圳地鐵9號線雙線隧道下穿既有運營地鐵4號線為背景，對既有隧道變形、受力進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，分析了盾構(gòu)下穿引起既有隧道變形特征，并提出了既有隧道變形控制方法。

本文以深圳北環(huán)電纜隧道南線工程為背景，采用數(shù)值模擬分析方法研究交叉角度對既有地鐵的影響規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析新建電纜隧道對既有運營地鐵的影響特性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

深圳北環(huán)電纜隧道南線含1條主線，2條支線，南線盾構(gòu)區(qū)間總長3 844.778 m，線路起于筆架山公園力能加電站，向南下穿筍崗西路、中心公園、地鐵3號線、紅荔路、振華路、中心公園、地鐵2號線，沿彩田路向北至華富三路（終點）。

深圳北環(huán)新建電纜隧道在下穿深圳地鐵2號線時，電纜隧道與既有地鐵外邊線相交。相交的地鐵區(qū)域位于崗廈北站—華強北站區(qū)間，新建盾構(gòu)隧道與既有地鐵的凈距僅為3.9 m。電纜隧道先后穿越地鐵右線和左線，穿越區(qū)域的地層主要為全風(fēng)化花崗巖層和強風(fēng)化花崗巖層。場地內(nèi)主要位于礫質(zhì)黏性土中，新建電纜隧道工程穿越區(qū)域的地層主要為全風(fēng)化花崗巖層和強風(fēng)化花崗巖層，圍巖分類為Ⅴ類?？紤]到圍巖巖性較差，且新建電纜隧道與既有地鐵凈距過小，因此有必要開展隧道下穿既有地鐵的影響性分析。

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

電纜隧道下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)模型見圖1、圖2。為充分考慮盾構(gòu)開挖引起的邊界效應(yīng)[14-16]，模型邊界與主要結(jié)構(gòu)的距離應(yīng)達(dá)到3D以上（D為盾構(gòu)隧道直徑），本文取模型尺寸為：高41 m，長41 m，寬60 m。模型側(cè)向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。土層采用實體單元，地鐵及電纜隧道管片按均質(zhì)圓環(huán)單元考慮，不考慮管片環(huán)之間的縱向連接和管片分塊之間的橫向連接，但將管片的整體剛度進(jìn)行折減，參考相關(guān)研究[13， 17-19]，折減系數(shù)取0.65。

2.2 模型參數(shù)

參照《深圳市北環(huán)線電纜隧道工程巖土工程詳細(xì)勘察報告》和《深圳北環(huán)線電纜隧道地質(zhì)補充勘察報告》，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型;新建電纜隧道外徑4.6m，內(nèi)徑4.0 m，既有運營地鐵隧道內(nèi)徑6.0 m，兩者的管片厚度均為300 mm，管片材料為C50。為了和實際相符，在新建電纜隧道管片外圍考慮注漿層實體，厚度為140mm，本構(gòu)關(guān)系采用彈性模型。土層和隧道結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 交叉角度對既有地鐵影響性分析

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，對立體交叉隧道產(chǎn)生影響的因素主要有圍巖級別、交叉角度以及凈距[7-14]。深圳北環(huán)電纜隧道南線工程的埋深設(shè)計已經(jīng)確定，即已建深圳地鐵2號線與預(yù)建的北環(huán)電纜隧道南線盾構(gòu)隧道頂?shù)淖钚∠鄬艟嗉s3.9 m，且下穿既有地鐵的區(qū)段地質(zhì)起伏不大，故本文只分析下穿時的交叉角度對既有地鐵的影響，分別建立交叉角度為0°、45°和90°的數(shù)值模型（圖3），以期為該工程下穿既有深圳地鐵2號線及其他地鐵線合理角度的設(shè)置提供參考。

表3、圖4給出了不同交叉角度條件下既有地鐵隧道的豎向位移計算結(jié)果，從表3和圖4可知，在0～90°的范圍內(nèi)，隨著交叉角度的增加，既有地鐵結(jié)構(gòu)的豎向位移逐漸減小。當(dāng)電纜隧道與既有地鐵垂直時，對既有地鐵的影響最小，但是不同交叉角度條件下地鐵隧道的豎向位移均小于-4 mm。在實際工程中，考慮到新建電纜隧道工程起終點限制、線性選擇、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟效益，新建電纜隧道與既有地鐵的交叉角采用45°較為合適。

3.2 電纜隧道開挖引起既有地鐵隧道豎向位移分析

為研究新建電纜隧道開挖過程中對既有地鐵的影響（交叉角度為45°），分別對新建電纜隧道開挖至既有地鐵右線前方（階段1）、既有地鐵右線下方（階段2）、既有地鐵右線和左線中間（階段3）、既有地鐵隧道左線下方（階段4）、離開既有地鐵隧道（階段5）這5個階段進(jìn)行詳細(xì)的地鐵隧道沉降分析。各階段的豎向位移云圖如圖5所示。

如圖5所示，根據(jù)對新建電纜隧道盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)的數(shù)值模擬，得到既有地鐵隧道的豎向位移值，各個階段對應(yīng)的最大豎向位移值為-1.185、-2.193、-2.774、-2.843、-2.819 mm，且既有地鐵出現(xiàn)最大豎向位移值的位置主要分布在地鐵右線的拱底附近;當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至地鐵左線下方，在開挖面后方約15 m、地鐵右線的底部出現(xiàn)最大沉豎向位移-2.843 mm。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測點布置情況

采用自動化監(jiān)測的方式，分別對既有地鐵隧道左線和右線沉降進(jìn)行監(jiān)測，測點布置如圖6所示。監(jiān)測地鐵里程為左線的ZDK28+230.478—ZDK28+340.478區(qū)段和右線的YDK28+219.708—YDK28+329.708區(qū)段，分別從新建電纜隧道與既有地鐵中心線相交處向大里程方向和小里程方向各55 m的范圍內(nèi)。每條地鐵隧道布設(shè)9個斷面，左、右線監(jiān)測斷面命名為L1～L9和R1～R9。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖7為新建電纜隧道盾構(gòu)掘進(jìn)前10天深圳地鐵2號線的右線監(jiān)測斷面沉降時程曲線，由圖7可知，在整個盾構(gòu)下穿掘進(jìn)過程中，右線監(jiān)測斷面R1～R2和R8～R9幾乎沒有沉降或隆起，主要發(fā)生沉降的為R3～R7監(jiān)測斷面，其中R5監(jiān)測斷面正下方拱底位置附近累計沉降最大，約為4.1mm，經(jīng)注漿加固后，R5監(jiān)測斷面的沉降長期穩(wěn)定值在1.3 mm;右線最大累計沉降發(fā)生在盾構(gòu)正下穿之后1天，按照盾構(gòu)掘進(jìn)速度，最大沉降發(fā)生在盾構(gòu)穿過20m左右，即最大沉降值位于電纜隧道掌子面后方20m左右，之后沉降值趨于穩(wěn)定，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論及建議

（1）新建電纜隧道下穿時對既有地鐵隧道豎向位移的影響隨著交叉角度的增加逐漸減小，當(dāng)電纜隧道與既有地鐵隧道垂直時對既有地鐵的影響最小。

（2）新建電纜隧道近距離下穿既有地鐵施工必然會對既有地鐵隧道產(chǎn)生擾動，使得隧道發(fā)生變形，最大沉降值發(fā)生在掘進(jìn)掌子面后方15～20m。施工中為減少穿越擾動，降低隧道變形，可以通過控制盾構(gòu)土壓力、加強同步注漿和二次補漿及提前采取輔助措施對既有地鐵隧道進(jìn)行加固等措施，確保既有地鐵隧道安全。

（3）在新建電纜隧道下穿掘進(jìn)過程中，數(shù)值模擬既有地鐵隧道最大累積沉降約2.84 mm，現(xiàn)場監(jiān)測既有地鐵隧道最大累計沉降約為4.1 mm?？紤]施工和監(jiān)測誤差，該監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算值基本接近，表明數(shù)值模擬可行。

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收稿日期 2019-07-17

責(zé)任編輯 朱開明

Analysis on influence of new cable shield tunnel under passing the existing subway at short distance

Dong Zhiwei， Chen Junsheng， Bao Qingfeng

Abstract： Based on the project of the south line of Shenzhen north ring cable tunnel passing under section between Gangxia North Station and Huaqiang North Station of existing Shenzhen metro line 2， through the finite element numerical simulation this paper analyzes the influence pattern of new cable shield tunnel on the existing metro when under passing the metro line in a short distance. The research results show that the vertical settlement of the existing metro decreases with the increase of the crossing angle between the cable tunnel and the existing metro， the cable tunnel shield tunneling disturbs the existing metro structure and makes its structure deform， the maximum settlement value is 15 ～ 20 m behind the excavation work face， and the numerical analysis results are approaching to the field measured data.

Keywords： subway， cable shield tunnel， under passing existing subway， numerical simulation