盾構(gòu)下穿既有隧道對土體及結(jié)構(gòu)變形的影響

許 聯(lián),卜 成，邵蘇文，孫晉晶，王永杰，王志華

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212021；2.南京吉歐地下空間科技有限公司，江蘇 南京 211899； 3.南京工業(yè)大學(xué)城市地下空間研究中心，江蘇 南京 211816)

0 引言

近些年我國城市地鐵隧道進(jìn)入快速發(fā)展時期，地下交通系統(tǒng)愈加發(fā)達(dá)，同時也越來越復(fù)雜，盾構(gòu)施工下穿既有建筑物也愈發(fā)普遍。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于周圍土體的缺失引起盾構(gòu)臨近建筑物內(nèi)力的重分布，產(chǎn)生不均勻變形，對既有建筑物安全性產(chǎn)生威脅。因此，針對盾構(gòu)下穿既有隧道引起的結(jié)構(gòu)變形開展研究是一項非常有工程價值的課題。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者已有關(guān)于新建盾構(gòu)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)引起的變形研究。Peck[1]在不考慮土體排水的情況下，提出了盾構(gòu)開挖引發(fā)地面沉降的經(jīng)驗公式；Attewell[2]在Peck研究的基礎(chǔ)上，提出了計算橫斷面上沉降最大值的計算公式，隨后在Attewell橫向曲線的基礎(chǔ)上做了補充，提出了計算隧道縱向沉降曲線的公式[3]。何川等[4]采用室內(nèi)相似模型試驗，研究了地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工引起上方已建隧道的變形，得出頂推施工將引起已建隧道在掌子面前方產(chǎn)生較大附加內(nèi)力，為類似地鐵盾構(gòu)重疊施工提供了技術(shù)支持。張曉清等[5]考慮了隧道施工襯砌與土體兩種介質(zhì)下應(yīng)力變化情況，推導(dǎo)出新建隧道施工時既有隧道和擾動土體在時間域內(nèi)的應(yīng)力遷移解析式，為今后類似多線疊交隧道工程的設(shè)計和施工提供理論指導(dǎo)。魏綱等[6]采用能量變分法推導(dǎo)盾構(gòu)穿越施工引起的既有隧道縱向變形公式，計算了既有隧道的豎向位移、環(huán)間的錯臺量、轉(zhuǎn)角和剪切力，進(jìn)而判斷既有隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。甘曉露等[7]基于兩階段分析法建立了考慮新建盾構(gòu)隧道上浮影響的隧道下穿引發(fā)既有隧道縱向變形計算模型，得出了控制新建隧道上浮量或減小新建隧道直徑可有效減小由于上浮效應(yīng)造成的既有隧道隆起變形的結(jié)論。

近年來諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究復(fù)雜工況下盾構(gòu)施工對既有結(jié)構(gòu)的影響。廖少明等[8]考慮盾構(gòu)隧道疊交施工之間相互影響，應(yīng)用邊界單元法分析了相鄰隧道開挖過程中三種典型疊交位置引起既有隧道主體結(jié)構(gòu)的變形，對盾構(gòu)施工引起的地層位移場分布規(guī)律及相互影響進(jìn)行了分析。張志強等[9]利用三維有限元法分析盾構(gòu)推進(jìn)力與掘進(jìn)速率對既有隧道的影響，提出了在“卸荷”型地下建筑物下方修筑盾構(gòu)隧道時不宜采用“加大推進(jìn)力-快速通過”盾構(gòu)施工的模式，應(yīng)采用相反的施工模式。毛新穎等[10]結(jié)合實際工程，采用有限差分方法對地鐵盾構(gòu)下穿公路隧道全過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明既有建筑物的存在對土體有一定的約束作用，距公路隧道側(cè)墻越近，由盾構(gòu)施工引起的地表橫向沉降槽深度越小。

許多學(xué)者通過理論分析、工程經(jīng)驗以及數(shù)值模擬的方法開展了新建隧道施工引起的土體變形研究，但尚未討論盾構(gòu)到隧道底板距離對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。本文通過有限單元法對南京地鐵5號線區(qū)間隧道盾構(gòu)近距離下穿某公路隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究盾構(gòu)穿越公路隧道對土層及既有隧道的變形影響，并討論不同盾構(gòu)與既有隧道之間距離的影響規(guī)律，可為類似盾構(gòu)施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

本工程為南京地鐵5號線下關(guān)站—建寧路區(qū)間盾構(gòu)段，此段隧道起于下關(guān)站，止于建寧路站，左線起訖里程K34+671.472～K35+212.202，右線起訖里程K34+722～K35+212.202，左右線區(qū)間長度分別為771.657 m，744.508 m。本區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片環(huán)寬1.2 m，厚350 mm。區(qū)間出下關(guān)站后沿中山北路向西，以曲線R=350 m的曲線半徑呈“V”型，左線線路先以23.288‰下坡，然后以28.271‰上坡，右線先以24.213‰下坡，然后以29.500‰上坡，下穿惠民路高架橋(正在實施橋改隧道工程)及惠民路暗涵后向北拐向規(guī)劃中央大街，下穿鼓樓人民來訪接待中心樁基，側(cè)穿下關(guān)區(qū)人民政府，到達(dá)建寧路站。盾構(gòu)及既有公路隧道位置見圖1。

項目所在地區(qū)屬長江漫灘地貌，地面高程7.77 m～9.69 m，據(jù)鉆孔資料顯示，土層從上至下依次為①1雜填土，層厚1.30 m～6.20 m；①2素填土，層厚1.90 m～7.80 m；②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，厚度2.70 m～29.20 m；②3粉質(zhì)黏土夾粉砂，厚度12.30 m～30.00 m。各土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 盾構(gòu)下穿既有隧道三維有限元模擬

為分析盾構(gòu)施工對既有隧道的變形影響，建立南京地鐵5號線下關(guān)站—建寧路區(qū)間盾構(gòu)下穿既有隧道的三維有限元模型，如圖2所示。模型確定的范圍為盾構(gòu)走向(X向)120 m，即隧道兩側(cè)距離Y-Z平面的土體邊界39 m；隧道方向(Z向)100 m，盾構(gòu)區(qū)間中心線與X-Y平面的土體邊界距離為50 m；豎直方向(Y向)70 m，上表面邊界為地表，下表面邊界為盾構(gòu)底部以下約50 m。數(shù)值模型中土層自上而下依次為①1雜填土、①2素填土、②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、②3粉質(zhì)黏土夾粉砂，厚度分別為2.1 m,2.4 m,29.2 m,30.3 m，地鐵盾構(gòu)區(qū)間與節(jié)點隧道空間具體位置如圖3所示。

巖土體采用實體單元模擬，隧道管片及盾殼利用有限元軟件“析取”功能形成2D板單元。巖土體采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型，隧道及盾構(gòu)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，其中盾構(gòu)管片簡化為均質(zhì)材料，未考慮現(xiàn)場管片采用錯縫拼接及螺栓連接固定。為更真實地模擬管片的實際情況，模擬過程中對管片的剛度進(jìn)行了一定的系數(shù)折減。整個模型頂部設(shè)置自由邊界，左右兩側(cè)邊界設(shè)置Z向約束，前后兩側(cè)邊界設(shè)置X向約束，底部設(shè)置Y向約束。數(shù)值模型中各層土體參數(shù)如表2所示，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表3所示。

表2 模型土層參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程，以長度1.2 m的管片為施工單元，按4個施工單元作為一個施工階段的長度，即4.8 m為一個施工步。模型的盾構(gòu)掘進(jìn)距離為120 m，盾構(gòu)右線與盾構(gòu)左線先后掘進(jìn)120 m，右線盾構(gòu)先施工，左、右線各27個施工階段，共54個階段。初始階段選擇激活土體、公路隧道結(jié)構(gòu)、邊界條件，采取位移清零，模擬開挖前的工況。正式施工階段依次為：

1)進(jìn)行1階段開挖土體的鈍化，并激活1階段的盾構(gòu)外殼。

2)鈍化2階段開挖土體，激活2階段盾構(gòu)外殼，同時激活1階段盾構(gòu)管片。

3)鈍化3階段開挖土體，激活3階段盾構(gòu)外殼，同時激活2階段盾構(gòu)管片，對1階段盾構(gòu)外殼進(jìn)行鈍化，并施加屬性修改邊界，生成注漿單元，完成盾尾注漿。后序施工步驟以此類推，至第27階段，完成盾構(gòu)施工模擬。盾構(gòu)左線施工步驟與盾構(gòu)右線一致。模型施工階段具體如圖4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)下穿施工對地表沉降影響

為了分析地表沉降的動態(tài)分析，選取了兩個斷面進(jìn)行地表沉降監(jiān)測，如圖5所示。斷面1是與盾構(gòu)掘進(jìn)方向垂直的斷面，斷面2為左右線盾構(gòu)隧道之間的中軸線位置與地表平面交叉的斷面，平行盾構(gòu)掘進(jìn)方向。

通過提取模擬值，得到不同施工階段后地表沉降變化曲線圖，如圖6所示?？梢钥闯?，斷面1地表沉降曲線類似Peck沉降曲線，當(dāng)盾構(gòu)左線隧道施工完成后，地表沉降的數(shù)值及范圍較盾構(gòu)右線完成下穿后有一定程度的增加，沉降最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)右線的正上方，最大值為14.60 mm，且右線下穿完成后占最終沉降變形的70%，說明先行盾構(gòu)施工對地層擾動影響更大，實際施工中需加強對先行盾構(gòu)施工的檢測。斷面2的沉降曲線可以看出，盾構(gòu)左線施工完成后，地表沉降數(shù)值和范圍較右線完成下穿后有一定程度的增加，沉降較大區(qū)域發(fā)生在盾構(gòu)下穿既有隧道前，同樣印證了先行盾構(gòu)施工對地層沉降變化影響較大的結(jié)論。

為進(jìn)一步討論距公路隧道不同距離對地表沉降的影響，繼續(xù)選取3個垂直于盾構(gòu)掘進(jìn)方向的觀測斷面(平行于斷面1)，并與斷面1進(jìn)行對比分析，盾構(gòu)左線施工完成后地表沉降對比曲線如圖7所示。

由圖7可知，距隧道側(cè)墻不同距離的地表沉降存在差異。距離公路隧道側(cè)墻4 m,10 m,16 m,22 m的斷面最大地表沉降量依次為10.2 mm,13.4 mm,14.22 mm,14.60 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，越靠近公路隧道，地表沉降變形越小，因為施工過程中，公路隧道重量小于周邊土體自重，受地層擾動產(chǎn)生的沉降值小于土體沉降值，盾構(gòu)穿越公路隧道的過程中，公路隧道對周圍土體的變形約束不可忽視。

3.2 盾構(gòu)下穿施工對既有隧道變形的影響

地鐵盾構(gòu)下穿既有隧道不可避免對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。圖8為不同階段盾構(gòu)下穿施工引起既有公路隧道豎向位移云圖，第8個施工階段對應(yīng)工況為盾構(gòu)接近公路隧道，此時公路隧道最大豎向位移為0.17 mm；第16個施工階段對應(yīng)盾構(gòu)穿越公路隧道時，此時公路隧道最大豎向位移為1.07 mm；第27個施工階段為盾構(gòu)遠(yuǎn)離公路隧道，此時最大豎向位移為1.01 mm；第54個施工階段即盾構(gòu)施工結(jié)束時公路隧道最大豎向位移為0.77 mm。

通過提取模擬數(shù)據(jù)值，繪制盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道頂板與隧道底板豎向位移變化曲線，分別如圖9,圖10所示。盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，既有隧道整體呈現(xiàn)先壓縮后回彈并最終趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。整個盾構(gòu)施工完成后，隧道頂板豎向位移最大值0.48 mm，隧道底板豎向位移最大值為0.69 mm；整個施工過程沉降發(fā)生在盾構(gòu)下穿既有隧道時，此時隧道頂板達(dá)到最大豎向位移值0.79 mm，隧道底板達(dá)到最大沉降值0.97 mm。在下穿的第8～第16施工階段過程中，因盾構(gòu)掘進(jìn)施工，盾構(gòu)上方土體應(yīng)力釋放較大，土體發(fā)生沉降引起既有隧道發(fā)生較大變形。所以在盾構(gòu)下穿既有隧道的施工過程中，應(yīng)加強對既有隧道的監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生變形速率過快的情況時，需盡快采取注漿加固等措施，保證既有隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

既有隧道結(jié)構(gòu)的底板豎向位移變化量大于頂板中心軸線上的豎向位移變化量，究其原因是由于盾構(gòu)施工對上方不同深度土層的影響不同，距離盾構(gòu)頂部越近，土體受到的擾動程度越大，隧道底板受土體變形影響更大。

3.3 不同距離的盾構(gòu)施工對既有隧道變形的影響

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)施工穿越既有隧道土層及隧道結(jié)構(gòu)的變形特性，設(shè)置了盾構(gòu)拱頂?shù)剿淼赖装寰嚯x分別為2 m,5 m,8 m,11 m的四種工況進(jìn)行對比，以分析不同距離盾構(gòu)施工對既有隧道的變形影響。圖11為各工況下地表沉降的變化曲線。

由圖11可以看出，不同工況下的地表沉降曲線均符合Peck沉降曲線，但是隨著盾構(gòu)與既有隧道之間距離的增加，地表沉降的最大位移值在逐漸減少，說明土層距離盾構(gòu)越近，所受到的影響就越大，沉降值就越大。但是進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盾構(gòu)距離既有隧道超過5 m時，地面土層受到盾構(gòu)施工的影響相比5 m以內(nèi)的要小，所以在地質(zhì)條件允許的情況下，盾構(gòu)下穿既有建筑物時，設(shè)計初始階段可以適當(dāng)?shù)乩蠖軜?gòu)隧道與既有建筑物之間的垂直間距。

圖12,圖13分別為各工況下隧道頂板和隧道底板的豎向位移變化曲線?？梢钥闯觯軜?gòu)距離公路隧道5 m時，隧道頂、底板豎向位移最大，隧道頂板最大豎向位移為0.7 mm，底板為0.94 mm，當(dāng)盾構(gòu)距離既有隧道超過5 m時，隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移明顯減小，5 m范圍以內(nèi)時，盾構(gòu)施工對既有隧道的影響較大。分析原因為盾構(gòu)施工引起周圍土體缺失，隨著土體缺失的不斷積累，隧道整體發(fā)生沉降變形，當(dāng)盾構(gòu)上方覆土厚度增加時，隧道底板附近的土層所受到的變形影響變小，既有隧道產(chǎn)生的變形更小。

4 結(jié)論

為了研究盾構(gòu)隧道施工對土體以及既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，建立南京地鐵5號線下穿既有隧道有限元數(shù)值模型，模擬計算盾構(gòu)施工過程中地面沉降和結(jié)構(gòu)變形量，得到以下結(jié)論：

1)地表沉降最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)右線的正上方，最大值為5.12 mm，且右線下穿完成后占累計沉降變形的70%，說明先行盾構(gòu)施工對地層的擾動更大，在實際工程中應(yīng)加強先行盾構(gòu)施工過程中的監(jiān)測。

2)既有隧道上方土體沉降量比新建隧道上方土體沉降量要小，從側(cè)面說明既有隧道結(jié)構(gòu)的存在能改變地層位移場，有效約束土體位移場的變化，減小結(jié)構(gòu)上方土體的變形量。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，既有隧道整體呈現(xiàn)先沉降后回彈再漸進(jìn)穩(wěn)定的趨勢，豎向位移變化在控制范圍以內(nèi)；在施工期間尤其盾構(gòu)下穿既有隧道過程中，最容易出現(xiàn)變形速率快的情況，從而導(dǎo)致豎向位移量過大。

4)隨著盾構(gòu)與既有隧道之間距離的增加，地表沉降和既有隧道結(jié)構(gòu)變形量減少，當(dāng)盾構(gòu)距離既有隧道超過5 m范圍時，地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形明顯減小。