楊芝璐，張孟喜，肖曉春，吳惠明，包 蓁

(1.上海大學(xué)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(jīng)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(gòu)隧道工程已服務(wù)于各大城市建設(shè)，成為構(gòu)建地下交通網(wǎng)絡(luò)的首選方案。目前，針對大直徑盾構(gòu)隧道已經(jīng)有較多的研究成果，如依托京張高鐵清華園大直徑盾構(gòu)隧道工程，劉凱等[1]研究了盾構(gòu)隧道近距離上跨運營地鐵，隧道管片結(jié)構(gòu)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(gòu)隧道的影響范圍為隧道軸線兩側(cè)1.6D(D為隧道直徑)范圍內(nèi)。劉方等[3]則采用數(shù)值模擬方法，分析了大直徑隧道穿越既有地鐵車站3種預(yù)加固方案的加固效果。依托盾構(gòu)直徑15.43 m的上海沿江通道工程，張建安等[4]通過數(shù)值模擬分析，得出超大直徑盾構(gòu)施工會造成下方土體產(chǎn)生較大的回彈變形。張哲[5]通過對盾構(gòu)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(gòu)隧道工程雖已屢見不鮮，但超大直徑盾構(gòu)下穿既有隧道的工程尚屬罕見，可供參考的研究數(shù)據(jù)十分匱乏。然國內(nèi)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(chǎn)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(xiàn)隧道開挖會使既有隧道下方與之疊交范圍內(nèi)土體豎向應(yīng)力減小，從而導(dǎo)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(gòu)穿越不同，值得深入研究。

以上海市北橫通道盾構(gòu)下穿11號線雙線地鐵隧道為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同疊交角度下，超大直徑隧道盾構(gòu)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(gòu)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(nèi)江路，貫穿上海市中心城區(qū)北部區(qū)域，盾構(gòu)段全長6.4 km，盾構(gòu)外徑15.56 m，為軟土地區(qū)超大直徑泥水盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)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(jié)構(gòu)凈距7.2 m，北橫通道結(jié)構(gòu)頂高程為-31.71 m(此處北橫通道覆土相當(dāng)于28 m)，盾構(gòu)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(nèi)15 m級盾構(gòu)隧道首次穿越雙線地鐵隧道。

圖1 盾構(gòu)穿越示意

穿越段地層環(huán)境條件復(fù)雜，雙線地鐵隧道位于第⑤層土，主要為灰色粉質(zhì)黏土，為軟塑狀，靈敏度、壓縮性高，受擾動易發(fā)生沉降。盾構(gòu)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(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻致密，強度較高，有利于盾構(gòu)穩(wěn)定。各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)隧道襯砌采用預(yù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(gòu)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(nèi)徑為5.5 m，環(huán)寬1.2 m，管片厚度為0.35 m[11]。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗，由于隧道盾構(gòu)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(jié)沉降和次固結(jié)沉降，會對上覆既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成影響，且在盾構(gòu)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(nèi)的既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工及維護地鐵隧道的安全。

2.1 現(xiàn)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(cè)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(nèi)，由72支2.4 m長的電水平尺首尾相連，構(gòu)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(gòu)隧道軸線相交處在測點36附近，盾構(gòu)隧道左右邊界對應(yīng)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(gòu)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(gòu)至403環(huán)時，盾尾離開地鐵隧道正投影區(qū)，因此盾構(gòu)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(jié)果分析

隨著盾構(gòu)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(gòu)到達前的超前沉降、盾構(gòu)到達時的隆沉、盾構(gòu)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(gòu)較近的區(qū)域沉降變化尤為明顯。

根據(jù)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，得到上行線、下行線疊交范圍內(nèi)地鐵隧道測點SU31、SU36、SU41和XU31、XU36、XU41從盾構(gòu)機切口進入影響范圍至盾尾離開投影區(qū)這一盾構(gòu)推進過程中的歷時沉降曲線，如圖4所示?？梢钥闯觯軜?gòu)隧道中心線正上方所對應(yīng)的地鐵隧道的歷時沉降變化趨勢大致相同，在盾構(gòu)機未進入投影區(qū)時發(fā)生微小的超前沉降。隨著盾構(gòu)進入投影區(qū)，超大直徑盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的卸荷作用造成的周圍土體回彈變形比盾構(gòu)地層損失引起的土體變形更大，使得盾構(gòu)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(gòu)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(jié)沉降和次固結(jié)沉降，既有隧道開始緩慢下沉。由于盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)推進變化

為分析疊交范圍內(nèi)地鐵隧道兩側(cè)產(chǎn)生的差異沉降，在盾構(gòu)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(gòu)隧道上、下行線所對應(yīng)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(xiàn)了與上行線一致的XU41測點上浮更大的現(xiàn)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(xiàn)一側(cè)上浮一側(cè)下沉的現(xiàn)象。這是由于斜交角度的存在，隨著盾構(gòu)掘進，靠近盾構(gòu)一側(cè)的土體會產(chǎn)生更大的上浮位移，從而導(dǎo)致地鐵隧道產(chǎn)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(xiàn)的盾構(gòu)隧道與既有隧道疊交的工況多為斜交，而現(xiàn)有的數(shù)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(gòu)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(gòu)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(shù)值模擬分析。

3.1 三維有限元計算模型構(gòu)建

根據(jù)土體物理力學(xué)參數(shù)和實際工程的盾構(gòu)參數(shù)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(wǎng)格質(zhì)量，取盾構(gòu)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(shù)參照實際工程選用。其中，土體和等代層采用實體單元，盾構(gòu)機外殼和襯砌結(jié)構(gòu)均采用殼體單元。土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)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(cè)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(wǎng)格組及改變網(wǎng)格組材料屬性來模擬盾構(gòu)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(shè)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(nèi)摩擦角30°[15]。

3.2 與實測結(jié)果對比分析

從開挖完成后的計算結(jié)果云圖可以看出，既有地鐵隧道與盾構(gòu)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(cè)均發(fā)生微小上抬，兩側(cè)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(shù)據(jù)與盾構(gòu)通過4個月后的實測數(shù)據(jù)進行對比，如圖8所示。模擬所得的上行線沉降曲線與現(xiàn)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(nèi)(≤20 mm)[16]。但由于在實際施工過程中，盾構(gòu)推力和推進速度處于實時變化中，盾構(gòu)進入下行線投影區(qū)時注漿量也隨著現(xiàn)場對11號線的監(jiān)測反饋結(jié)果進行了一定的調(diào)整，而模型對盾構(gòu)區(qū)域復(fù)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(xiàn)場監(jiān)測所得的曲線存在一定差異。

圖8 數(shù)值模擬和現(xiàn)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(gòu)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(gòu)穿越計算工況

由于盾構(gòu)角度的不同，上行線和下行線隧道與盾構(gòu)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(gòu)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(jù)模型計算結(jié)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(xiàn)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(xiàn)在既有隧道與盾構(gòu)隧道疊交環(huán)內(nèi)。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(cè)，由于盾構(gòu)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(xiàn)了上浮，模擬結(jié)果的上浮范圍比現(xiàn)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(cè)的上浮呈現(xiàn)不對稱性，上行線兩側(cè)的上浮差異比下行線表現(xiàn)得更加明顯。隨著疊交角度的減小，既有隧道疊交范圍兩側(cè)的最大上浮量之差增大，且靠近盾構(gòu)掘進方向一側(cè)上浮較大，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致。因此，對于斜交下穿工況，可對靠近盾構(gòu)掘進方向一側(cè)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(gòu)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(chǎn)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(zhuǎn)[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(gòu)穿越后的既有隧道管片形狀一致。主要表現(xiàn)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(cè)的不均勻收斂造成的橫向直徑縮小。

《盾構(gòu)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(zhì)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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?，同一疊交角度下，上、下行線的收斂變形差異很小。隨著盾構(gòu)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(gòu)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(jié)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(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果分析，研究了不同疊交角度下，超大直徑隧道盾構(gòu)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(jié)論。

(1)超大直徑盾構(gòu)下穿會導(dǎo)致既有地鐵隧道在疊交范圍內(nèi)產(chǎn)生較大沉降，在疊交范圍兩側(cè)出現(xiàn)上浮，且既有隧道襯砌呈傾斜的“豎鴨蛋”形狀。

(2)盾構(gòu)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(cè)呈不對稱上浮，且靠近盾構(gòu)隧道掘進方向一側(cè)上浮較大。因此超大直徑盾構(gòu)呈小角度下穿既有隧道時，可在該側(cè)對既有隧道采取加固措施。