盾構(gòu)隧道雙線斜跨既有隧道施工變形影響研究

胡斌

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，在城市地鐵網(wǎng)的建設(shè)中出現(xiàn)了越來越多的新建隧道近接既有線施工的情況。近接施工時(shí)，由于時(shí)間先后關(guān)系、空間位置關(guān)系及施工方法的不同會(huì)導(dǎo)致一系列力學(xué)行為的變化，因此，如何保證既有線的安全運(yùn)營以及新建隧道的安全施工具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

近接隧道施工的擾動(dòng)影響研究，主要有仿真模擬法、解析法以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)三種，且以數(shù)值模擬法為主。文獻(xiàn)[1-3]研究了盾構(gòu)隧道近接施工對(duì)既有隧道應(yīng)力和襯砌變形的影響。江華等[4]采用有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法對(duì)深圳地鐵盾構(gòu)隧道近接上跨既有線引起的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了研究。楊宇恒等[5]通過有限元法分析了先下后上施工對(duì)既有隧道及周邊環(huán)境的擾動(dòng)影響。劉樹佳等[6]針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道多線疊加復(fù)雜工況，建立三維有限元下穿施工模型，研究了不同凈距、不同土壓力、不同注漿量下新建隧道對(duì)既有線管片變形的影響。萬飛等[7]依據(jù)深圳擬建新彩隧道近接上跨兩條隧道疊置的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模型分析，對(duì)比分析了采用明挖法和暗挖法新建隧道時(shí)對(duì)既有線變形及內(nèi)力的影響變化規(guī)律。盧岱岳等[8]研究了盾構(gòu)隧道近接施工對(duì)既有隧道縱向變形的影響。方曉慧[9]對(duì)隧道在交叉、并行、交疊3種不同相對(duì)位置關(guān)系時(shí)既有隧道的變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行模擬分析，得到了相應(yīng)的變化規(guī)律。

上述已有研究集中于不同施工方法、不同施工力學(xué)參數(shù)、不同近接上跨工況下新建隧道對(duì)既有線的影響研究，暫未從盾構(gòu)隧道左右線施工順序角度考慮新建隧道對(duì)近接上跨既有線的影響。優(yōu)化左右線施工順序以減小對(duì)既有線隧道影響，具有成本低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此研究盾構(gòu)隧道左右線施工順序?qū)由峡缂扔芯€的影響具有重要意義。

本文結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)某地新建的地鐵6號(hào)線近接上跨既有的地鐵4號(hào)線而形成的四線疊交特殊工況，建立三維有限差分模型，對(duì)新建隧道左右線不同施工次序下既有隧道的水平及豎向位移變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，可為今后類似多線疊交工程施工提供參考。

1 工程概況

新建地鐵6號(hào)線近接上跨地鐵4號(hào)線隧道區(qū)間，新建區(qū)間隧道大致由西北向東西走向，全長1550m。新建隧道采用盾構(gòu)工法施作，盾構(gòu)隧道外徑6.1m，管片厚0.3m，同步注漿層厚0.2m。新建地鐵6號(hào)線左、右線覆土厚度分別為8.48m和7.36m，6號(hào)線與4號(hào)線空間交叉角度為26°，6號(hào)線與4號(hào)線疊線位置凈距6.021m，6號(hào)線水平軸間距10.6m，4號(hào) 線 水平軸間距12m，新建隧道與既有線的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建6號(hào)線與既有4號(hào)線相對(duì)位置關(guān)系剖面圖

擬建6號(hào)線隧道主要穿越砂質(zhì)粉土層，既有4號(hào)線主要穿越淤泥質(zhì)粉土層，隧道區(qū)間地層主要為素填土層、砂質(zhì)粉土層、淤泥質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉砂層和圓礫層，地下水位線標(biāo)高6.13m，模型地層情況如圖2所示。

圖2 隧道所處地層示意圖

2 有限差分模型的建立

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)實(shí)際施工工況進(jìn)行研究，相較于有限元計(jì)算方法，有限差分法具有易收斂、離散誤差小及計(jì)算成本低等優(yōu)勢(shì)[10]。

圖3 為模型的平面透視圖，該圖表征了新建隧道與既有隧道在空間位置上的交叉關(guān)系。圖4為三維模型的尺寸示意圖，模型尺寸長×寬×高為100m×120m×60m，模型網(wǎng)格單元均為實(shí)體單元，利用MIDASGTSNX建立三維數(shù)值模型，然后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行三維流固耦合仿真分析。

圖3 模型平面透視圖

圖4 模型三維圖

2.2 邊界條件及模型參數(shù)

數(shù)值計(jì)算時(shí)，需對(duì)模型設(shè)置相應(yīng)的位移邊界條件，在模型橫向左右兩側(cè)分別施加水平x向的位移約束，模型縱向前后側(cè)分別施加水平y(tǒng)向的位移約束，模型底部固定z向位移約束。

流固耦合計(jì)算中，掌子面流體邊界設(shè)置為透水邊界，管片結(jié)構(gòu)設(shè)置為不透水邊界，本文計(jì)算所涉及的地層參數(shù)及水力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 相應(yīng)材料參數(shù)表

3 施工模擬及結(jié)果分析

3.1 施工模擬過程

新建6號(hào)線隧道管片幅寬1.2m，計(jì)算模型縱向長120m，模擬100環(huán)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)施工過程，管片滯后開挖面兩環(huán)拼裝，管片拼裝在盾殼內(nèi)進(jìn)行，同步注漿滯后管片拼裝一環(huán)進(jìn)行，每一步平衡計(jì)算同時(shí)進(jìn)行壁后注漿和盾尾管片拼裝。本文通過先左線后右線（先左后右）、先右線后左線（先右后左）兩種施工方案對(duì)新建6號(hào)線隧道進(jìn)行掘進(jìn)施工模擬，對(duì)比分析新建隧道左右線不同施工順序下既有線隧道的位移響應(yīng)。

3.2 監(jiān)測(cè)位置的確定

新建隧道通過既有隧道正上方后，在上跨交叉節(jié)點(diǎn)正上方附近變形最大[12]，故本文選取四線疊交中間位置處為監(jiān)測(cè)截面（截面A-A），監(jiān)測(cè)斷面A-A定義為四線疊交處，對(duì)應(yīng)管片第52環(huán)、開挖步第26步的位置，監(jiān)測(cè)不同施工順序下既有線拱頂、拱底、拱腰位置處的位移時(shí)程變化，監(jiān)測(cè)斷面如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面位置示意圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 既有隧道變形影響分析

圖6 、圖7所示為新建隧道先左后右、先右后左兩種施工順序下既有隧道監(jiān)測(cè)斷面拱頂、拱腰、拱底位置處的位移時(shí)程曲線。圖中“6號(hào)線左右線分界線”表示左線隧道、右線隧道不同施工順序下的分界線，如圖例中的先左后右時(shí)程曲線，在“6號(hào)線左右線分界線”左側(cè)表示6號(hào)線左線施工，至“6號(hào)線左右線分界線”位置處表示左線施工完畢，右側(cè)表示6號(hào)線右線施工，橫坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)左線、右線施工的開挖環(huán)數(shù)，縱坐標(biāo)表示施工至相應(yīng)管片環(huán)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處對(duì)應(yīng)的位移變形。

由圖6、圖7可知，先左后右施工方案中：（1）新建隧道左線掘進(jìn)通過四線疊交處至新建隧道右線掘進(jìn)到達(dá)四線疊交處區(qū)段內(nèi)，4號(hào)線左線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為655.22%、920.04%，為盾構(gòu)施工強(qiáng)影響區(qū)，施工強(qiáng)影響范圍占總施工過程的48%，4號(hào)線左線拱腰位置水平位移時(shí)程變化較為平穩(wěn)，受施工影響較??；（2）新建隧道右線掘進(jìn)通過四線疊交處至施工結(jié)束，4號(hào)線右線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為174.46%、191.45%，為盾構(gòu)施工強(qiáng)影響區(qū)，施工強(qiáng)影響范圍占總施工過程的30%，4號(hào)線右線拱腰位置水平位移時(shí)程變化較為平穩(wěn)，受施工影響較小。

圖7 4號(hào)線右線位移時(shí)程曲線圖

先右后左施工方案中：（1）新建隧道右線掘進(jìn)通過四線疊交處至新建隧道左線掘進(jìn)到達(dá)四線疊交處區(qū)段內(nèi)，4號(hào)線右線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為524.09%、744.87%，其為盾構(gòu)施工強(qiáng)影響區(qū)，強(qiáng)影響范圍占總施工過程的48%，既有隧道右線拱腰受開挖過程影響較大，左、右拱腰最大位移絕對(duì)值分別為先左后右施工方案的2.03倍、8.12倍；（2）新建隧道左線掘進(jìn)通過四線疊交處后至施工結(jié)束，4號(hào)線左線拱頂、拱底位置處豎向位移變化較大，變化幅度分別為217.94%、223.92%，其為盾構(gòu)施工強(qiáng)影響區(qū)，施工強(qiáng)影響范圍占總施工過程的30%，既有隧道左線拱腰受開挖過程影響較大，左、右拱腰最大水平位移絕對(duì)值分別為先左后右施工方案的3.99倍和3.53倍。

3.3.2 地表變形分析

圖8 為先左后右、先右后左兩種工況下施工后地表的豎向位移云圖。由該圖可知，沿新建隧道縱向地表隆起值逐漸減小，且后開挖的隧道線上方地表較先開挖的隧道線上方地表隆起變形更小，先左后右施工完后，始發(fā)段地表最大隆起變形為13.84mm，最大沉降變形為-12.80mm，先右后左施工完后，始發(fā)段最大隆起變形為14.24mm，最大沉降變形為-18.10mm。從位移云圖可知，新建隧道對(duì)其沿線地表豎向位移影響較大，對(duì)遠(yuǎn)離隧道軸線的地表影響較小。

圖8 地表豎向位移云圖/m

從既有線拱頂、拱底、拱腰及地表所受位移影響可知，先左后右施工方案較先右后左施工方案施工影響更小。從橫斷面方向看，如圖8所示，距既有線遠(yuǎn)側(cè)隧道線先施工，近既有線隧道線后施工，既有線所受整體影響更小。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)盾構(gòu)隧道不同施工順序下上跨近接既有線的位移影響進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）既有隧道左線、右線左、右拱腰最大水平位移絕對(duì)值先右后左施工方案分別為先左后右施工方案的3.99倍、3.53倍、2.03倍和8.12倍；

（2）針對(duì)雙層四線疊交隧道施工問題，從橫斷面方向看，距既有線遠(yuǎn)側(cè)隧道線先施工，近既有線隧道線后施工，既有線所受整體影響更小。