劉新軍，田俊峰，葉萬(wàn)軍，張磊霄，王 巖，馬寶芬

（1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；2. 西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；3. 長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市人口的增長(zhǎng)速度與現(xiàn)有的城市交通資源之間出現(xiàn)了嚴(yán)重不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，交通擁擠的詬病在各大城市逐漸顯現(xiàn)，且由于城市的發(fā)展，可供城市道路擴(kuò)建及新建的空間非常小[1-5]，因此越來(lái)越多的城市利用地下軌道交通緩解城市交通壓力。

隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，地鐵下穿既有建筑和既有地鐵的現(xiàn)象也越來(lái)越多[6-8]。盾構(gòu)隧道施工首先會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，地層位移場(chǎng)發(fā)生變化將對(duì)地表及地層中建構(gòu)筑物產(chǎn)生變形及附加內(nèi)力[9-12]。

本文以南京地鐵5 號(hào)線三山街站—朝天宮區(qū)隧道下穿既有地鐵1 號(hào)線為工程背景，運(yùn)用有限元軟件Midas-GTS NX 模擬盾構(gòu)施工過(guò)程，探究盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)地層及既有隧道變形的影響，隨后分析了不同隧道凈距、不同圍巖條件下盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道的影響，為該類(lèi)設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

南京市地鐵5 號(hào)線工程南起吉印大道站，北至方家營(yíng)站，是南京市城市軌道交通線網(wǎng)中東南至西北方向的最為重要的城區(qū)干線之一，線路全長(zhǎng)37.4km。5 號(hào)線三山街站—朝天宮站區(qū)間盾構(gòu)隧道出三山街站約K25+000 處需下穿既有地鐵1 號(hào)線，兩線中心線平面夾角接近90°，屬正交情況，兩線之間垂直凈距約為3.9m，最小距離為3.795m。

5 號(hào)線和 1 號(hào)線隧道直徑 6.2m，內(nèi)徑5.4m，管片厚度0.35m，每節(jié)管片長(zhǎng)1.2m，襯砌采用C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

新建5 號(hào)線區(qū)間隧道穿越的地層主要為②-3d2-3 粉砂層和③-4b2-3+d2 粉質(zhì)粘土夾團(tuán)塊狀粉細(xì)砂層，圍巖級(jí)別Ⅵ級(jí)，極易坍塌變形，巖土工程施工等級(jí)Ⅰ級(jí)。

2 相似模型試驗(yàn)

使用西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院的模型實(shí)驗(yàn)箱，對(duì)南京地鐵5 號(hào)線下穿1 號(hào)線盾構(gòu)隧道施工過(guò)程進(jìn)行模型試驗(yàn)。選擇依托工程具有代表性的雙線平行、雙線正交穿越的近接施工盾構(gòu)隧道作為模型試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)特征。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由物理模型、模擬盾構(gòu)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，滿(mǎn)足物理模擬試驗(yàn)的基本需求。

2.1 確定相似參數(shù)比

根據(jù)模型試驗(yàn)要求，結(jié)合實(shí)際情況，確定幾何相似比為C1=50，通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程需要。對(duì)于本項(xiàng)目所要求試驗(yàn)，以相似原理三大理論為指導(dǎo)原則，確定的常數(shù)相似比常數(shù)值大小列于下表1所示。

表1 相似比常數(shù)比

2.2 模型實(shí)驗(yàn)箱尺寸

模型箱使用鋼架焊制而成，剛度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。左右采用尺寸為2.5×1.0m 的鋼化玻璃，前后采用尺寸為2.5m×1.0m 的有機(jī)玻璃板為土體圍護(hù)擋板，在有機(jī)玻璃板預(yù)留5 號(hào)線隧道1530mm 孔洞。本次擬建工程在南京地區(qū)的地下水位較深，地下水對(duì)盾構(gòu)施工的開(kāi)挖影響很小，未考慮地下水的滲流作用。模型試驗(yàn)箱如圖1 所示。

圖1 軟流塑地層近距離下穿模型試驗(yàn)Fig.1 Model test of soft flowing plastic stratum

圖2 盾殼模型和襯砌模型Fig.2 Shield shell model and lining model

2.3 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)5 號(hào)線模擬盾構(gòu)下穿1 號(hào)線模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，為了直觀的表現(xiàn)不同盾構(gòu)施工階段既有隧道位移的變化規(guī)律，現(xiàn)將既有隧道左右兩線未加固和MJS 工法預(yù)加固措施下，拱頂?shù)? 個(gè)不同施工階段下豎向沉降變形曲線繪制如圖3-6 所示。

圖3 未加固1 號(hào)線左線監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Unreinforced left line monitoring curve of Line 1

圖4 預(yù)加固1 號(hào)線左線監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Pre-reinforced left line monitoring curve of Line 1

圖5 未加固1 號(hào)線右線監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Unreinforced left line monitoring curve of Line 1

根據(jù)圖3-6 模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，1 號(hào)線左線和右線整體豎向沉降差異不大，盾構(gòu)結(jié)束施工后，既有隧道拱頂豎向位移規(guī)律均呈現(xiàn)出“中間大，兩端小”的現(xiàn)象，呈現(xiàn)單一沉降槽“U 形”沉降的形狀，既有隧道最大豎向沉降監(jiān)測(cè)值位于5 號(hào)線兩條隧道之間。MJS工法預(yù)加固措施下模擬盾構(gòu)相比未加固措施可以顯著減小既有隧道位移沉降。

在未采取加固措施下進(jìn)行模擬盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程的監(jiān)測(cè)結(jié)果，既有隧道的拱頂1 號(hào)線左線和右線最大豎向位移分別為0.274mm、0.259mm，在采取MJS 工法預(yù)加固措施下既有隧道1 號(hào)線左線和右線的拱頂最大豎向位移分別為0.120mm、0.117mm，采用 MJS 工法相比較未加固措施可以減少既有隧道最大豎向位移約55%。

圖6 預(yù)加固1 號(hào)線右線監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Pre-reinforced right line monitoring curve of Line 1

3 有限元模型的建立

3.1 建立模型

采用有限元軟件Midas-GTS NX 對(duì)新建盾構(gòu)隧道下穿施工過(guò)程進(jìn)行有限元分析，研究地層及既有隧道變形的影響。綜合考慮開(kāi)挖影響范圍及邊界條件，模型尺寸選為96m×72m×50m（長(zhǎng)×寬×高），計(jì)算模型共48052 個(gè)節(jié)點(diǎn)，117515個(gè)單元，如圖7 所示，假設(shè)模型中圍巖、襯砌和注漿層均為各項(xiàng)同性體，分析模型采用Mohr-Coulomb 模型，圍巖和注漿層采用3D 實(shí)體單元，隧道襯砌和盾構(gòu)機(jī)采用2D 板單元。

模型邊界條件：對(duì)整體固定底部邊界，限制該模型垂直和水平位移，模型四周限制水平位移，地表面不采取約束，為自由邊界。

圖7 計(jì)算模型圖Fig.7 Calculation model diagram

3.2 材料參數(shù)

穿越段地層加權(quán)平均后各土層由上向下依次為①-1 雜填土，①-3 淤泥質(zhì)填土，②-2b3-4+c3 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土，②-3d3-4 粉砂，②-3d2-3 粉砂，③-4b2-3+d2 粉質(zhì)粘土夾團(tuán)塊狀粉細(xì)砂，③-4e 含卵礫石粉質(zhì)粘土（混中粗砂），K1g-2 泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。由表可以看出，研究區(qū)段土層液性指數(shù)范圍IL=0.27～1.18，根據(jù)規(guī)范[13]要求，隧道下穿段地層為軟流塑狀土體。

表2 土體參數(shù)

盾構(gòu)管片襯砌和注漿層按照彈性模型考慮，既有隧道管片襯砌按照整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，忽略螺栓實(shí)際連接，對(duì)管片進(jìn)行剛度折減，折減系數(shù)取0.8。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 盾構(gòu)機(jī)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的模擬

數(shù)值模擬軟件不能模擬真實(shí)的盾構(gòu)施工過(guò)程，只能簡(jiǎn)化，一般通過(guò)剛度遷移法[14]進(jìn)行盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬，將盾構(gòu)施工過(guò)程中涉及到的主要步驟進(jìn)行單元的設(shè)置，Midas-GTS NX通過(guò)對(duì)單元的激活和鈍化模擬土體開(kāi)挖、管片襯砌的拼裝、盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)以及支護(hù)壓力和注漿壓力的施加，通過(guò)改變材料的屬性模擬注漿過(guò)程。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地層變形結(jié)果

研究盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng)影響是研究其對(duì)地層中既有結(jié)構(gòu)物影響的基礎(chǔ)，為了更加直觀的分析盾構(gòu)施工對(duì)地層擾動(dòng)的影響程度，將分別研究不存在既有隧道和存在既有隧道的地層沉降規(guī)律，監(jiān)測(cè)斷面如圖8 所示。

圖8 橫向斷面布置圖Fig.8 Horizontal section layout

為了更加直觀的分析盾構(gòu)施工對(duì)地層沉降的影響規(guī)律，在Z 方向取埋深0m、4m、8m、11.8m、15.2m、18.3m 的斷面進(jìn)行地層沉降分析。以距離中心線位置為橫坐標(biāo)，Z 方向產(chǎn)生的沉降量為縱坐標(biāo)，分別繪制D1 斷面及D2 斷面左右線施工結(jié)束時(shí)的沉降分析圖。如圖9-12所示。

圖9 D1 斷面—新建隧道左線施工結(jié)束Fig.9 The sedimentation analysis at the end of the left line construction of D1 section-new tunnel

圖10 D1 斷面—新建隧道右線施工結(jié)束Fig.10 The sedimentation analysis at the end of the right line construction of D1 section-new tunnel

分析圖9、圖10 可知，當(dāng)D1 斷面左線施工結(jié)束后，不同埋深處地層的沉降曲線形狀大致相同，與盾構(gòu)中心線距離越遠(yuǎn)，沉降值越小，沉降規(guī)律基本符合Peck 曲線特征，曲線呈現(xiàn)“V”型，且峰值均位于盾構(gòu)左線隧道正上方。右線施工結(jié)束后，埋深0m、4m、8m 的沉降曲線均呈現(xiàn)仍然呈現(xiàn)“V”型，與左線施工結(jié)束相比，峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移到兩條新建隧道中線上；埋深11.8m 、15.2m、18.3m 的沉降曲線呈“W”型。在上部一定范圍內(nèi)，中間地層受盾構(gòu)施工的二次擾動(dòng)，比僅位于新建隧道正上方測(cè)點(diǎn)所受擾動(dòng)強(qiáng)度大。而距離新建隧道越近時(shí)，中間地層受擾動(dòng)程度遠(yuǎn)小于盾構(gòu)隧道正上方測(cè)點(diǎn)，正上方測(cè)點(diǎn)沉降速率比其快，因此地層埋深小的地層沉降去向呈“V”型，埋深大的地層沉降曲線呈“W”型。

圖11 D2 斷面—新建隧道左線施工結(jié)束Fig.11 The sedimentation analysis at the end of the left line construction of D2 section-new tunnel

圖12 D2 斷面—新建隧道右線施工結(jié)束Fig.12 The sedimentation analysis at the end of the right line construction of D2 section-new tunnel

D2 斷面盾構(gòu)施工導(dǎo)致的各埋深位置的沉降曲線規(guī)律與D1 斷面的曲線沉降規(guī)律基本相同。取埋深Z=15.2m 和Z=18.3m 沉降曲線分析，與D1 斷面相對(duì)應(yīng)埋深地層沉降變形基本相同，埋深Z=15.2m 和Z=18.3m 位置與盾構(gòu)機(jī)之間地層不存在任何建、構(gòu)筑物與地層加固措施，但其沉降值比D1 斷面的小，如表3 所列。說(shuō)明既有隧道的存在也會(huì)影響兩線之間地層變形。取既有隧道以上的各埋深處沉降曲線分析，較不存在既有隧道時(shí)的情況，各測(cè)點(diǎn)沉降值均存在不同程度的減小，但是其沉降對(duì)稱(chēng)面是相同的。

表4 D1 和D2 斷面地層位移值（mm）

4.2 既有隧道豎向變形

由盾構(gòu)隧道施工對(duì)地層產(chǎn)生影響規(guī)律可知，存在既有隧道時(shí)地層沉降出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，分析其產(chǎn)生的原因可能現(xiàn)有的隧道吸收了部分能量，將這部分能量轉(zhuǎn)化為既有隧道的附加變形。為分析假設(shè)的正確性，對(duì)隧道盾構(gòu)施工過(guò)程分為6 個(gè)階段進(jìn)行模擬，六個(gè)階段分別為：

① 5 號(hào)線左線開(kāi)挖至1 號(hào)線左線下方；② 5號(hào)線左線開(kāi)挖至1 號(hào)線右線下方；③ 5 號(hào)線左線開(kāi)挖完畢；④ 5 號(hào)線右線開(kāi)挖至1 號(hào)線左線下方；⑤ 5 號(hào)線右線開(kāi)挖至1 號(hào)線右線下方；⑥ 5 號(hào)線右線開(kāi)挖完畢。

分別分析盾構(gòu)六個(gè)施工階段左線拱頂及拱底及右線拱頂及拱底豎向階段的位移。以距離中心線位置為橫坐標(biāo)，拱頂或拱底產(chǎn)生的沉降值為縱坐標(biāo)，如圖13-16 所示。

圖13 左線拱頂豎向階段位移曲線Fig.13 Left-line vault vertical stage displacement curve

圖14 左線拱底豎向階段位移曲線Fig.14 Left-stage arch bottom vertical stage displacement curve

圖15 右線拱頂豎向階段位移曲線Fig.15 Right-line vault vertical stage displacement curve

圖16 右線拱底豎向階段位移曲線Fig.16 Right-stage arch bottom vertical stage displacement curve

分析圖13-16 可知，盾構(gòu)左線施工過(guò)程中，既有隧道的拱頂和拱底的豎向位移發(fā)展規(guī)律基本相同，隧道在階段變形時(shí)均為沉降位移，且最大沉降值發(fā)生在盾構(gòu)隧道中心線位置，變形曲線均為“V”型。唯一不同的是既有隧道右線的沉降出現(xiàn)了滯后效應(yīng)，這與盾構(gòu)機(jī)到達(dá)先后有關(guān)。開(kāi)挖結(jié)束后，1 號(hào)左線隧道拱頂最大沉降值為-6.75mm、拱底最大沉降值為-7.56mm；1 號(hào)右線隧道拱頂最大沉降值為-6.97mm、拱底沉降值為-7.77mm。

盾構(gòu)右線施工過(guò)程中，隨施工階段的推進(jìn)，拱底沉降峰值逐漸向右線中心線轉(zhuǎn)移，但最大沉降值并不完全處于盾構(gòu)正上方，而是位于兩新建隧道中線沉降值小于兩峰值點(diǎn)，最終拱底變形曲線呈“W”型；拱頂沉降峰值逐漸向兩新建隧道中線對(duì)稱(chēng)面上轉(zhuǎn)移，最終變形曲線呈“V”型。（該趨勢(shì)產(chǎn)生得原因在分析地層變形時(shí)已解釋?zhuān)颂幉辉儋樖?。?開(kāi)挖結(jié)束后，左線隧道拱頂最大沉降值變?yōu)?11.47mm、拱底最大沉降值變?yōu)?12.12mm；右線隧道拱頂最大沉降值變?yōu)?11.84mm、拱底最大沉降值變?yōu)?11.93mm。

4.3 既有隧道水平變形

當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時(shí)，既有隧道在三維空間內(nèi)的各個(gè)方向均會(huì)產(chǎn)生不均勻變形，甚至還會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的原因是既有隧道的豎向位移和水平位移不協(xié)調(diào)造成的，但其扭轉(zhuǎn)程度較小。本文以左線拱底為例分析隧道在Y 方向的水平位移。如圖17 所示。

圖17 左線拱底水平階段位移曲線Fig.17 Left-line arch bottom horizontal displacement curve

分析隧道左線拱底在Y 方向的水平位移，由圖可以看出，新建隧道左線施工過(guò)程中階段①結(jié)束時(shí)，水平位移整體偏向Y 軸負(fù)方向，且最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)隧道正上方，階段②結(jié)束時(shí)，相較于階段①位移偏向于Y 軸正方向，階段③過(guò)程中隧道繼續(xù)向Y 軸正方向偏移。新建隧道右線施工過(guò)程中階段④結(jié)束時(shí)，水平位移相較于階段③向Y 軸負(fù)方向偏移，且位移值較左線施工時(shí)大，階段⑤和階段⑥的水平位移變化規(guī)律同階段②和階段③，最終水平位移最大值為-1.36mm。水平位移相對(duì)豎向位移較小，在實(shí)際施工過(guò)程中不可以忽略，應(yīng)同時(shí)采取措施限制水平位移。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)物理模型試驗(yàn)和有限元模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 盾構(gòu)正交下穿施工時(shí)，距離盾構(gòu)機(jī)越遠(yuǎn)，位移值越??；在靠近盾構(gòu)機(jī)一定范圍內(nèi)，中間地層受擾動(dòng)程度小，地層變形曲線呈“W”型，在上部地層中中間地層受疊加擾動(dòng)影響較大，中線位置出現(xiàn)位移最大值，地層變形曲線呈“V”型；既有隧道的存在在一定程度上加固了地層，使得地層變形減小。

（2） 既有隧道受新建盾構(gòu)施工的影響較大，且距離盾構(gòu)掘進(jìn)面越近，既有隧道產(chǎn)生的位移值越大。

（3） 盾構(gòu)施工同時(shí)會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生水平位移，當(dāng)水平位移較大時(shí)，將使隧道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)分析，在軟流塑地層中施工時(shí)，隧道水平位移較豎向位移較小，但施工過(guò)程中不可以忽略。

修建盾構(gòu)正交隧道時(shí)，對(duì)既有隧道和地層產(chǎn)生的影響較大，為了將該影響控制在允許范圍之內(nèi)，建議對(duì)兩隧道相交區(qū)域地層進(jìn)行加固處理。