超大直徑盾構不同角度下穿對既有地鐵隧道的影響分析

楊芝璐，張孟喜，肖曉春，吳惠明，包 蓁

(1.上海大學土木工程系，上海 200444；2.上海隧道工程股份有限公司，上海 200062)

引言

近年來，隨著城市經濟的快速發(fā)展和人口的高度集中，地下空間的開發(fā)力度不斷增大，大直徑盾構隧道工程已服務于各大城市建設，成為構建地下交通網絡的首選方案。目前，針對大直徑盾構隧道已經有較多的研究成果，如依托京張高鐵清華園大直徑盾構隧道工程，劉凱等[1]研究了盾構隧道近距離上跨運營地鐵，隧道管片結構在施工及運營階段的變形受力規(guī)律。張斌[2]得出大直徑盾構隧道的影響范圍為隧道軸線兩側1.6D(D為隧道直徑)范圍內。劉方等[3]則采用數值模擬方法，分析了大直徑隧道穿越既有地鐵車站3種預加固方案的加固效果。依托盾構直徑15.43 m的上海沿江通道工程，張建安等[4]通過數值模擬分析，得出超大直徑盾構施工會造成下方土體產生較大的回彈變形。張哲[5]通過對盾構直徑12.51 m的武漢地鐵8號線下穿棚戶區(qū)研究，提出袖閥管注漿加固工藝對棚戶區(qū)具有良好的保護作用。

大直徑或超大直徑盾構隧道工程雖已屢見不鮮，但超大直徑盾構下穿既有隧道的工程尚屬罕見，可供參考的研究數據十分匱乏。然國內外已有較多地鐵隧道疊交穿越的工程案例，其研究成果表明新建隧道的開挖會使既有隧道產生較大變形[6-8]。Anonymous[9]通過對隧道開挖過程中的運營地鐵隧道進行實時監(jiān)測，發(fā)現隧道開挖會使既有隧道下方與之疊交范圍內土體豎向應力減小，從而導致地鐵隧道的豎向變形增加。直徑15 m級的超大直徑隧道卸荷量遠超過地鐵隧道，其施工對既有隧道的影響必然與小直徑盾構穿越不同，值得深入研究。

以上海市北橫通道盾構下穿11號線雙線地鐵隧道為工程背景，采用現場監(jiān)測與有限元數值模擬相結合的方法，研究不同疊交角度下，超大直徑隧道盾構對上覆雙線地鐵隧道變形的影響，以期為超大直徑隧道盾構穿越施工提供參考。

1 工程概況

上海北橫通道工程西起北虹路東至內江路，貫穿上海市中心城區(qū)北部區(qū)域，盾構段全長6.4 km，盾構外徑15.56 m，為軟土地區(qū)超大直徑泥水盾構隧道。盾構段自西向東掘進，穿越地鐵11號線隆德路至江蘇路站區(qū)間，先后穿越區(qū)間上、下行線，如圖1所示，北橫通道為藍色單線隧道，11號線為紅色雙線隧道。下穿處既有雙線隧道底高程-24.50 m，隧道結構凈距7.2 m，北橫通道結構頂高程為-31.71 m(此處北橫通道覆土相當于28 m)，盾構隧道與既有隧道軸線夾角為68°，最小凈距為7.06 m。本次穿越為國內15 m級盾構隧道首次穿越雙線地鐵隧道。

圖1 盾構穿越示意

穿越段地層環(huán)境條件復雜，雙線地鐵隧道位于第⑤層土，主要為灰色粉質黏土，為軟塑狀，靈敏度、壓縮性高，受擾動易發(fā)生沉降。盾構隧道區(qū)域處于第⑦層土，主要為草黃灰色粉細砂，夾雜少量灰色粉質黏土，土質較均勻致密，強度較高，有利于盾構穩(wěn)定。各土層物理力學參數詳見表1。

表1 土體物理力學參數

盾構隧道襯砌采用預制單層管片，混凝土強度等級為C60，彈性模量為36.5 GPa。襯砌外徑為15 m，內徑13.7 m，環(huán)寬2 m，管片厚度為0.65 m。每環(huán)襯砌由7塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成，如圖2所示。盾尾注漿由4臺注漿泵提供8點注漿，注漿采用干粉砂漿在現場拌和后的漿液，漿液28 d后的彈性模量為14.75 MPa。

圖2 盾構隧道襯砌(單位：m)

既有地鐵隧道的襯砌管片混凝土強度等級為C55，彈性模量為35.5 GPa[10]。襯砌外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，環(huán)寬1.2 m，管片厚度為0.35 m[11]。

2 現場監(jiān)測及結果分析

根據工程經驗，由于隧道盾構推進引起的地層損失及對周圍土體的擾動會使周圍土層發(fā)生固結沉降和次固結沉降，會對上覆既有地鐵隧道結構造成影響，且在盾構穿越時及完成后的階段最為明顯。因此，為保證工程的順利實施和運營地鐵隧道的安全穩(wěn)定，對正投影區(qū)及向外擴80 m范圍內的既有地鐵隧道結構進行安全監(jiān)測，并根據監(jiān)測數據指導施工及維護地鐵隧道的安全。

2.1 現場監(jiān)測測點布置

對地鐵11號線既有隧道采用電子水平尺自動化沉降監(jiān)測，以北橫通道與既有隧道投影區(qū)域為中心，向11號線隆德路站方向側延伸80 m，江蘇路站方向延伸80 m，共計172 m，上、下行線一致。以11號線江蘇路站方向作為第一個測點起算，沿上、下行線路縱向172.8 m范圍內，由72支2.4 m長的電水平尺首尾相連，構成總長172.8 m的監(jiān)測線。11號線上行線測點編號為SU0～SU72，下行線測點編號為XU0～XU72，如圖3所示。

圖3 地鐵隧道監(jiān)測測點布置

可以看出，地鐵隧道與盾構隧道軸線相交處在測點36附近，盾構隧道左右邊界對應測點31和測點41。11號線投影面積的范圍為386環(huán)～400環(huán)，北橫通道盾構掘進過程中，在掘進386環(huán)時刀盤進入11號線投影面正下方，盾構至403環(huán)時，盾尾離開地鐵隧道正投影區(qū)，因此盾構掘進對11號線的影響范圍為381環(huán)～403環(huán)，共23環(huán)，長度46 m。

2.2 歷時監(jiān)測結果分析

隨著盾構機的推進，土體沉降位移的歷時變化一般分為以下5個階段：盾構到達前的超前沉降、盾構到達時的隆沉、盾構通過時的沉降、盾尾通過后的隆沉和后續(xù)沉降[12]。地鐵隧道受土體位移場變化的影響也會發(fā)生類似的沉降變化，離盾構較近的區(qū)域沉降變化尤為明顯。

根據對現場監(jiān)測數據的整理，得到上行線、下行線疊交范圍內地鐵隧道測點SU31、SU36、SU41和XU31、XU36、XU41從盾構機切口進入影響范圍至盾尾離開投影區(qū)這一盾構推進過程中的歷時沉降曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，盾構隧道中心線正上方所對應的地鐵隧道的歷時沉降變化趨勢大致相同，在盾構機未進入投影區(qū)時發(fā)生微小的超前沉降。隨著盾構進入投影區(qū)，超大直徑盾構開挖產生的卸荷作用造成的周圍土體回彈變形比盾構地層損失引起的土體變形更大，使得盾構上方土層開始上浮，從而帶動既有地鐵隧道開始上浮。隨著盾構的推進，地鐵隧道持續(xù)上浮，最大上浮量達到近10 mm。盾尾離開投影區(qū)后，土體發(fā)生固結沉降和次固結沉降，既有隧道開始緩慢下沉。由于盾構隧道與地鐵隧道疊交角的存在，2組對稱測點SU31、SU41和XU31、XU41在盾構穿越過程中的隆沉均存在明顯差異，上行線測點SU41最大上浮量比測點SU31大，而下行線恰好相反。

圖4 既有隧道沉降隨盾構推進變化

為分析疊交范圍內地鐵隧道兩側產生的差異沉降，在盾構遠離投影區(qū)后，對地鐵隧道進行后續(xù)沉降監(jiān)測。選取盾構隧道上、下行線所對應的測點SU31、SU36、SU41和XU31、XU36、XU41，作出在盾尾離開后近4個月的歷時沉降曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯S著時間的推移，上行線呈持續(xù)下沉的趨勢，下行線在盾尾離開之后繼續(xù)上浮，出現了與上行線一致的XU41測點上浮更大的現象，最大上浮12.18 mm，然后開始持續(xù)下沉。測點SU31與SU41、XU31與XU41的沉降差異愈加明顯，下行線出現一側上浮一側下沉的現象。這是由于斜交角度的存在，隨著盾構掘進，靠近盾構一側的土體會產生更大的上浮位移，從而導致地鐵隧道產生隆沉差異。

圖5 既有隧道后續(xù)沉降曲線

3 有限元建模及驗證

隧道施工中出現的盾構隧道與既有隧道疊交的工況多為斜交，而現有的數值研究大都將其簡化為正交的情況來模擬計算。而斜交情況下，盾構隧道與既有隧道的疊交區(qū)域更大，卸荷更多[13-14]，引起既有隧道的位移和變形也明顯不同。為研究不同疊交角度對既有隧道的變形影響，采用Midas-GTS有限元軟件，先建立盾構隧道與既有地鐵隧道斜交角為68°的三維有限元模型，與實測情況進行對比驗證，再進行不同疊交角度下的數值模擬分析。

3.1 三維有限元計算模型構建

根據土體物理力學參數和實際工程的盾構參數建立尺寸為180 m×76 m×100 m的三維有限元計算模型，即沿既有地鐵隧道縱向取180 m，橫向取76 m，土層總厚度取100 m，如圖6所示。為保證網格質量，取盾構隧道中心線埋深39 m，直徑15 m，既有地鐵隧道中心線埋深為21 m，其余參數參照實際工程選用。其中，土體和等代層采用實體單元，盾構機外殼和襯砌結構均采用殼體單元。土體采用Drucker-Prager本構模型，襯砌結構采用彈性模型。

圖6 有限元模型(單位：m)

計算前，對模型施加邊界約束：底面施加Z向位移約束，水平向自由；四周側面施加水平法向位移約束，豎向位移自由。

計算時，通過激活和鈍化不同區(qū)域網格組及改變網格組材料屬性來模擬盾構開挖、管片拼裝和同步注漿等施工過程。為簡化計算，將既有地鐵隧道的環(huán)寬設置為2.4 m。既有隧道的注漿體單元屬性參照運營地鐵4號線將彈性模量取1.0 GPa，泊松比0.25，黏聚力30 kPa，內摩擦角30°[15]。

3.2 與實測結果對比分析

從開挖完成后的計算結果云圖可以看出，既有地鐵隧道與盾構隧道疊交部分均發(fā)生沉降，如圖7所示，既有隧道最大沉降為13.8 mm。而在疊交部分兩側均發(fā)生微小上抬，兩側的上浮量存在差異。

圖7 既有隧道沉降云圖

將開挖完成后的計算模型上行線沉降數據與盾構通過4個月后的實測數據進行對比，如圖8所示。模擬所得的上行線沉降曲線與現場監(jiān)測得到的沉降曲線大致吻合，且最大隆沉值都在合理范圍內(≤20 mm)[16]。但由于在實際施工過程中，盾構推力和推進速度處于實時變化中，盾構進入下行線投影區(qū)時注漿量也隨著現場對11號線的監(jiān)測反饋結果進行了一定的調整，而模型對盾構區(qū)域復雜的土體環(huán)境進行了簡化。因此，模擬所得的既有地鐵隧道的沉降曲線與現場監(jiān)測所得的曲線存在一定差異。

圖8 數值模擬和現場檢測隧道沉降曲線對比

4 不同相交角度模擬分析

通過改變盾構隧道與既有地鐵隧道的疊交角度，建立4種不同工況下的有限元三維模型，見表2。

表2 盾構穿越計算工況

由于盾構角度的不同，上行線和下行線隧道與盾構隧道中心線疊交環(huán)也隨之改變，如圖9所示。顯然，相交角度越小，盾構對既有地鐵隧道的影響范圍越大，引起既有隧道變形也會因相交角度的不同存在差異。

圖9 不同疊交角度隧道平面示意

4.1 沉降分析

根據模型計算結果，繪制不同疊交角度下地鐵隧道上、下行線的變形曲線，如圖10所示。與現場實測所得變形曲線對比之后可以看出，盡管實測的沉降值比模擬的要小得多，但既有隧道沉降最大值均出現在既有隧道與盾構隧道疊交環(huán)內。隨著疊交角度的減小，地鐵隧道下方卸荷范圍增大，最大沉降量也隨之增大。

圖10 不同相交角度地鐵隧道最終沉降曲線

在疊交范圍兩側，由于盾構開挖引起的土體的回彈變形比地層損失引起的變形更大，2條地鐵隧道均出現了上浮，模擬結果的上浮范圍比現場監(jiān)測的上浮范圍更大。與正交下穿工況不同，斜交工況下2條地鐵隧道疊交范圍兩側的上浮呈現不對稱性，上行線兩側的上浮差異比下行線表現得更加明顯。隨著疊交角度的減小，既有隧道疊交范圍兩側的最大上浮量之差增大，且靠近盾構掘進方向一側上浮較大，與現場監(jiān)測結果一致。因此，對于斜交下穿工況，可對靠近盾構掘進方向一側通過壓重等方法控制既有地鐵隧道的上浮。

4.2 收斂分析

隧道盾構引起地鐵隧道發(fā)生整體沉降變形的同時，還會引起每一環(huán)管片產生收斂變形。由于相交角度的存在，下穿施工過程中，既有地鐵隧道襯砌的彎矩和軸力發(fā)生偏轉[17]，因此不同疊交角度下地鐵隧道的收斂變形均呈傾斜的“豎鴨蛋”形，與王有成等[18]得出的盾構穿越后的既有隧道管片形狀一致。主要表現為拱頂沉降較小、底部沉降較大造成的縱向直徑增大以及左右兩側的不均勻收斂造成的橫向直徑縮小。

《盾構法隧道施工及驗收規(guī)范》[19]中用橢圓度來驗收圓形隧道管片的拼裝質量。因此，可采用橢圓度來定量分析每環(huán)管片的整體形變，比較不同相交角度下圓形地鐵隧道的收斂情況。設Dmax、Dmin分別為疊交環(huán)襯砌的最大直徑和最小直徑，則橢圓度的計算公式如下

(1)

式中，T為橢圓度，‰；D為隧道標準外徑。

通過對穿越后既有隧道管片的橢圓度計算，得到與新建隧道中心線疊交環(huán)的收斂變形最明顯，因此將不同疊交角度下，地鐵隧道疊交環(huán)的橢圓度進行對比分析，如圖11所示?？梢钥闯觯化B交角度下，上、下行線的收斂變形差異很小。隨著盾構隧道與既有隧道疊交角度的減小，疊交范圍增大，相交環(huán)橢圓度也隨之增大。因此，在小角度超大直徑盾構穿越工程中，可對既有隧道疊交范圍進行微擾動注漿加固[20-21]，以控制既有隧道的收斂變形。

圖11 疊交環(huán)橢圓度

5 結論

以上海市北橫通道下穿地鐵11號線雙線隧道工程為研究背景，通過對現場監(jiān)測和數值模擬結果分析，研究了不同疊交角度下，超大直徑隧道盾構下穿對既有地鐵雙線隧道的變形影響規(guī)律，得到以下主要結論。

(1)超大直徑盾構下穿會導致既有地鐵隧道在疊交范圍內產生較大沉降，在疊交范圍兩側出現上浮，且既有隧道襯砌呈傾斜的“豎鴨蛋”形狀。

(2)盾構隧道與既有隧道的疊交角度是影響既有隧道變形的重要因素。隨著疊交角度的減小，既有隧道最大沉降值、差異沉降值、襯砌收斂變形都顯著增大。

(3)斜交工況下，既有隧道在疊交范圍兩側呈不對稱上浮，且靠近盾構隧道掘進方向一側上浮較大。因此超大直徑盾構呈小角度下穿既有隧道時，可在該側對既有隧道采取加固措施。