汪溯, 袁立凡, 馬壯

(1.沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110011;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與測(cè)繪工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110168;3.江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

在新建盾構(gòu)隧道近距離下穿既有隧道施工時(shí),隧道之間不同的凈距和空間位置關(guān)系,帶來(lái)的相互影響皆會(huì)不同[1],解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于,正確得到新建隧道下穿施工對(duì)既有隧道受力和變形等的變化規(guī)律及影響程度[2]。丁智等[3]、Huang等[4]和Yang等[5]通過(guò)理論解析和模型試驗(yàn)等方法取得了很多研究成果,但是仍不能較為真實(shí)反映施工開(kāi)挖的動(dòng)態(tài)過(guò)程。數(shù)值模擬則可以很好地彌補(bǔ)這一短板,Lin等[6]、孫雅珍等[7]和楊平等[8]都采用此法得到了許多建設(shè)性成果,主要聚焦在新建隧道開(kāi)挖對(duì)周邊的影響或周邊開(kāi)挖卸載(堆載)對(duì)既有隧道的影響,但通常沒(méi)有考慮土體的回彈、壓縮及非線性問(wèn)題,且對(duì)于研究穿跨越既有隧道過(guò)程中的動(dòng)態(tài)影響稍有欠缺?；诖?本文針對(duì)長(zhǎng)三角軟土地質(zhì)條件下的新建地鐵盾構(gòu)隧道,以上海軌道交通為工程背景,綜合考慮下穿跨越既有隧道的交叉問(wèn)題,通過(guò)ABAQUS有限元軟件,依據(jù)上海軟土地質(zhì)條件采用非線性土體本構(gòu)模型—修正劍橋彈塑性模型[9],針對(duì)新建隧道施工引起的土體擾動(dòng)所帶來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)改變導(dǎo)致既有隧道的受力情況、變形情況和地表特征發(fā)生變化,對(duì)動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程中的影響進(jìn)行研究,避免多種因素改變帶來(lái)的影響疊加而產(chǎn)生地表沉陷和襯砌結(jié)構(gòu)變形過(guò)大等危害,為工程設(shè)計(jì)和施工監(jiān)測(cè)提供參考。

1 工程背景

上海市軌道交通15號(hào)線土建工程下穿9號(hào)線地鐵近接工程(桂林路站),15號(hào)線新建隧道穿越9號(hào)線投影長(zhǎng)度24 m,上行線穿越段為524～544環(huán),距離9號(hào)線垂直距離最小為1.8 m,最大為2.2 m,上行線環(huán)寬為1.2 m,共計(jì)20環(huán)。

15號(hào)線上行線自西向東推進(jìn),覆土厚度為-17.696 m,隧道管片外徑為6.6 m,內(nèi)徑為5.9 m,管片厚度為0.35 m。運(yùn)營(yíng)9號(hào)線隧道管片外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.6 m,管片厚度為0.3 m。穿越段隧道平面為直線,交叉角度接近于正交90°。

區(qū)間隧道平面位置關(guān)系和區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系分別如圖1、2所示。

圖1 區(qū)間隧道平面位置關(guān)系Fig.1 Relation of planimetric position of section tunnel

圖2 區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系Fig.2 Relation of profile position of section tunnel

15號(hào)線所處土層主要為灰色黏土和灰色粉質(zhì)黏土層,9號(hào)線所處土層為灰色淤泥質(zhì)黏土層。

2 修正劍橋彈塑性本構(gòu)理論

針對(duì)軟弱土層的高壓縮特性,應(yīng)用修正劍橋非線性本構(gòu)模型(modified Cam-clay, MCC)結(jié)合多孔彈性模型來(lái)模擬土體的彈塑性。劍橋模型以臨界狀態(tài)土力學(xué)為基礎(chǔ)[10],用來(lái)模擬非黏結(jié)性材料。材料的屈服函數(shù)考慮了第三應(yīng)力不變量,使用屈服面相適應(yīng)的流動(dòng)規(guī)則,塑性體積應(yīng)變被視為硬化參數(shù);彈性部分參數(shù)與多孔彈性模型或線彈性結(jié)合使用;強(qiáng)化準(zhǔn)則定義為指數(shù)函數(shù)形式[11]。

圖3 主應(yīng)力空間的MCC模型屈服面和臨界狀態(tài)面Fig.3 MCC model yield surface and critical state surface in principal stress space

MCC模型作為典型的塑性本構(gòu)模型,能模擬剪縮,但不能模擬剪脹,其屈服面是一個(gè)橢圓曲線,主應(yīng)力空間的MCC模型屈服面和臨界狀態(tài)面如圖3所示。其方程[12]為

(1)

由于修正劍橋模型為典型的塑性模型,需要與多孔彈性模型結(jié)合使用,因此屈服面大小需要由初始硬化參數(shù)a0和塑性體積應(yīng)變來(lái)確定。

(2)

其中:e0為初始孔隙比;Jpl為塑性體積變化;λ為壓縮曲線斜率;κ為回彈曲線斜率。

3 盾構(gòu)下穿既有隧道的影響研究

3.1 盾構(gòu)下穿既有隧道智能監(jiān)測(cè)

以上海軌道交通為工程背景,對(duì)15號(hào)線下穿9號(hào)線桂林路站區(qū)間的整體動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè),通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,同時(shí)揭示新建隧道正交下穿既有隧道襯砌變形、隧道內(nèi)力等變化規(guī)律,并將實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,也驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

監(jiān)測(cè)采用電水平尺組成的“尺鏈”及相應(yīng)的CR系列數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器組成的豎向位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),指導(dǎo)并優(yōu)化施工過(guò)程。電水平尺鏈沿9號(hào)上行線軸線布置在地鐵軌道中間、拱底位置處,每一個(gè)9號(hào)線管片設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 盾構(gòu)下穿既有隧道數(shù)值模擬

3.2.1 三維有限元模型建立

根據(jù)已有研究成果及隧道力學(xué)中隧道的影響范圍[13],本文邊界取尺寸為60 m×45 m×50 m(長(zhǎng)度×寬度×高度),x、y、z軸分別表示新建隧道軸線、既有隧道軸線和土體自重方向。

新建盾構(gòu)隧道交叉下穿既有隧道示意圖及工況①時(shí)盾構(gòu)隧道土體三維有限元網(wǎng)格分別如圖4、5所示。模型約束設(shè)置為:前、后邊界和左、右邊界均為水平約束;底部邊界為固定端約束。土體和襯砌單元為C3D8R,盾構(gòu)機(jī)為殼單元S4R。除此之外,我們假定:①在開(kāi)挖前,前期沉降已趨于穩(wěn)定;②小變形假定;③除盾構(gòu)機(jī)入土外,其余每步開(kāi)挖均為一環(huán)襯砌1.5 m,襯砌材料為線彈性;④彈塑性假設(shè):圍巖土體為非線性材料,采用MCC Model。

圖4 新建盾構(gòu)隧道交叉下穿既有隧道示意圖Fig.4 Schematic diagram of new tunnel undercrossing existing tunnel

圖5 工況①時(shí)盾構(gòu)隧道土體三維有限元網(wǎng)格Fig.5 3D finite element mesh of shield tunnel soil under working condition I

3.2.2 材料參數(shù)

① 土體修正劍橋模型參數(shù)[14]見(jiàn)表1。

表1 土體修正劍橋模型參數(shù)Tab.1 Parameters of MCC model

② 巖土模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖土模型參數(shù)Tab.2 Parameters of geotechnical model

③ 襯砌參數(shù)

為了能夠真實(shí)地模擬管片接頭對(duì)襯砌強(qiáng)度的影響,對(duì)襯砌進(jìn)行剛度折減,本文折減為原始剛度的85%。盾尾注漿彈性模量根據(jù)齡期的增長(zhǎng)可分為3個(gè)階段:初始液態(tài)漿液階段、1 d固化階段和28 d固化階段,其彈性模量分別約為0.9、5.0、300.0 MPa,因本文中主要研究開(kāi)挖階段的影響,故著重考慮初始注漿段到1 d固化階段漿液彈性模量的變化,并在ABAQUS中采用子程序USDFLD定義1個(gè)場(chǎng)變量實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中注漿材料彈性模量時(shí)變性[15],襯砌材料、注漿及盾構(gòu)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 襯砌材料、注漿及盾構(gòu)機(jī)參數(shù)Tab.3 Lining materials, grouting and shield tunneling machine parameters

3.3 工況設(shè)置

根據(jù)實(shí)際工程情況,本文隧道外徑取值為6.0 m,襯砌厚度為0.35 m,淺埋深度設(shè)為4 m,深埋深度設(shè)為13 m。土層主要為黏土。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)艙內(nèi)支護(hù)掌子面開(kāi)挖土體的土壓力為0.10～0.25 MPa,取0.15 MPa。在推進(jìn)過(guò)程中盾尾需同步注漿,注漿壓力范圍為0.1～0.3 MPa[16],取0.25 MPa。不同工況下凈距設(shè)置見(jiàn)表4。

3.4 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬

ABAQUS模擬盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程,主要通過(guò)以下步驟:①進(jìn)行地應(yīng)力平衡,本文中地應(yīng)力平衡的量級(jí)為10-5;②首先模擬盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入,向掌子面施加支護(hù)力,然后逐步推進(jìn);③采用“生死單元法”,對(duì)開(kāi)挖土體進(jìn)行“殺死”來(lái)模擬土體開(kāi)挖,隨后“激活”盾構(gòu)機(jī)單元;④“激活”對(duì)應(yīng)位置的襯砌和同步注漿單元,“殺死”上一步中激活的盾構(gòu)機(jī)單元;⑤重復(fù)步驟③和④,直至開(kāi)挖完畢,盾構(gòu)機(jī)出土后移除注漿壓力模擬注漿體固結(jié)。

3.5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析

考慮到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所處的實(shí)際工程條件,在與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比中,數(shù)值模擬的相關(guān)數(shù)據(jù)均提取自工況①的數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取自9號(hào)線上行線推進(jìn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

由于盾構(gòu)穿越前在9號(hào)線影響區(qū)范圍以外第483～514環(huán)進(jìn)行試推進(jìn)階段,9號(hào)線監(jiān)測(cè)幾乎無(wú)沉降記錄,因此數(shù)據(jù)從15號(hào)線隧道推進(jìn)到第512環(huán)開(kāi)始提取。

既有隧道結(jié)構(gòu)沉降對(duì)比分析如圖6所示,通過(guò)9號(hào)線上行線測(cè)點(diǎn)位置處的推進(jìn)過(guò)程沉降曲線與數(shù)值模擬的推進(jìn)過(guò)程沉降曲線進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在整體趨勢(shì)方面呈現(xiàn)出較好的吻合,更好地證實(shí)了在結(jié)構(gòu)正下方穿越推進(jìn)時(shí)影響最大。

圖6 既有隧道結(jié)構(gòu)沉降對(duì)比分析Fig.6 Comparison and analysis of subsidence of existing tunnel structure

可以看出,無(wú)論是數(shù)值模擬還是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),當(dāng)處于盾構(gòu)下穿階段時(shí)既有隧道沉降趨勢(shì)最為明顯,最大沉降模擬值和實(shí)測(cè)值分別為-4.02、-4.11 mm,且在穿越結(jié)束后,既有隧道沉降值會(huì)略微減小,這是由于當(dāng)新建盾構(gòu)隧道下穿雙孔隧道時(shí),在下穿下行線時(shí),由于下行線的結(jié)構(gòu)對(duì)土體提供了一部分剛度加持。

4 多參數(shù)影響分析

4.1 淺埋條件下新建隧道下穿既有隧道施工影響分析

為了探究淺埋條件下新建盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工時(shí),兩隧道間凈距改變對(duì)既有隧道的影響,分析凈距分別為0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D時(shí)的位移與內(nèi)力情況。

4.1.1 地表沉降分析

工況①-⑤既有隧道地表沉降曲線如圖7所示。從圖可以看出,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在既有隧道正下方時(shí),沉降值最大。對(duì)于工況①-⑤,即新建隧道與既有隧道凈距為0.5D～3.0D時(shí),豎向位移的增大速率會(huì)減緩。其原因?yàn)?既有隧道屬于淺埋隧道,新建隧道施工開(kāi)挖使得地下土體承載力減弱,導(dǎo)致既有隧道在該處產(chǎn)生沉降。

當(dāng)凈距由0.5D增大到2.0D時(shí),最大沉降值相繼增大了0.52、0.46、0.23 mm?？梢哉J(rèn)為,土體本身也具有承載力,當(dāng)凈距增大到一定數(shù)值時(shí),軸線位置處沉降也會(huì)逐漸開(kāi)始放緩,不會(huì)隨著深度的增大而無(wú)限增大。

工況①-⑤新建隧道地表豎向沉降曲線如圖8所示。從圖可知,在新建隧道盾構(gòu)施工開(kāi)挖過(guò)程中,最小沉降值出現(xiàn)在既有隧道下方。由于既有隧道的存在對(duì)土體的剛度提供了一定加持作用,因此在既有隧道周?chē)鷥蓚?cè)5環(huán)管片長(zhǎng)度處,沉降趨勢(shì)表征出隨凈距增大而逐漸增大的趨勢(shì)。

圖7 工況①-⑤既有隧道地表豎向沉降曲線Fig.7 Vertical settlement curves of the existing tunnel surface of working conditions Ⅰ-Ⅴ

圖8 工況①-⑤新建隧道地表豎向沉降曲線Fig.8 Vertical settlement curves of the new tunnel surface of working conditions Ⅰ-Ⅴ

沿新建隧道開(kāi)挖方向,盾構(gòu)入口處沉降大于出口處,且盾構(gòu)入口處的沉降值,隨著凈距的增大而不斷減小。分析其原因,隨著盾構(gòu)器械的不斷掘進(jìn),入口處周?chē)馏w的擾動(dòng)大于出口處,導(dǎo)致入口處地表沉降大于出口處的,并且由于2條隧道凈距的增大,施工時(shí)對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)程度減小,造成的地表沉降也越小。

以工況②典型斷面為例,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程土體豎向位移云圖如圖9所示?？梢钥闯?新建隧道拱頂以上和拱底以下的土體區(qū)域豎向位移比較集中,其范圍隨著掘進(jìn)過(guò)程不斷擴(kuò)展,但盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中的影響區(qū)域是有限的。

(a) 開(kāi)挖6環(huán)

(b) 開(kāi)挖13環(huán)

(c) 開(kāi)挖22環(huán)

(d) 開(kāi)挖結(jié)束

4.1.2 管片位移分析

工況①-⑤時(shí)所取截面管片相對(duì)位移曲線如圖10所示。由圖可見(jiàn),整體的變形呈現(xiàn)出一種扁鴨蛋的形狀,即左、右兩側(cè)拱腰內(nèi)凹,下側(cè)外凸的形狀。新建盾構(gòu)隧道盾構(gòu)機(jī)入口一側(cè)的水平位移值略大于出口一側(cè);外凸變形發(fā)生在拱底處,位移最大處發(fā)生在拱底位置,最小處發(fā)生在拱頂位置。

在工況①-⑤中既有隧道管片拱底位置處相對(duì)位移值分別增大了53.26%、27.79%、9.36%和17.69%。工況①-⑤截面位置處管片相對(duì)位移與地表沉降變化規(guī)律一致,相對(duì)位移值的增大速率處于放緩的趨勢(shì)。

而在同一工況下,左側(cè)拱腰的相對(duì)位移略大于右側(cè)拱腰的相對(duì)位移,均與之前的結(jié)果相符,即拱底位移大于拱頂,盾構(gòu)進(jìn)側(cè)位移略大于出側(cè)的。

工況①-⑤沉降值均滿足《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446—2017)[17]中規(guī)定的隧道結(jié)構(gòu)沉降變形控制指標(biāo)。

圖10 工況①-⑤時(shí)所取截面管片相對(duì)位移曲線Fig.10 Relative displacement curves of slices in the section taken under working conditions I-V

4.1.3 管片內(nèi)力分析

工況①-⑤時(shí)既有隧道內(nèi)力變化曲線如圖11所示。由圖可知,在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中,襯砌會(huì)變?yōu)楸怿喌靶螤?。軸力變化情況呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,且軸力值大小隨著凈距D的增加而不斷減小。軸力值從kw-11階段開(kāi)始迅速增大,此時(shí)盾構(gòu)機(jī)掌子面處于既有隧道軸線下方;在kw-21-kw-26階段時(shí)出現(xiàn)軸力的最大值。待盾構(gòu)機(jī)駛出后,軸力值得以恢復(fù),但仍比未開(kāi)挖階段大。在kw-21階段,工況①-⑤的最大軸力值分別減小了5.13%、3.16%、5.39%、8.09%。

(a) 軸力曲線

(b) 彎矩曲線

彎矩的變化規(guī)律基本與軸力吻合,最大彎矩仍然發(fā)生在kw-21至kw-26階段。在kw-21階段,工況①-⑤既有隧道彎矩分別遞減了17.44%、11.99%、18.46%、29.61%。且既有隧道內(nèi)力的衰減趨勢(shì)隨著凈距的增大逐漸減小。

從圖11可知,隨著2條隧道凈距的增大,既有隧道附加內(nèi)力減小,當(dāng)掌子面距離前方既有隧道軸線2.0D左右時(shí),附加內(nèi)力開(kāi)始顯著增大。當(dāng)掌子面推進(jìn)到距離后方既有隧道軸線2.0D時(shí),既有隧道的附加內(nèi)力逐漸減小。分析其原因,隨著新建隧道的不斷開(kāi)挖,既有隧道受到盾構(gòu)掘進(jìn)正面推力和底部土體卸載的影響不斷增大,附加內(nèi)力隨之增大,而盾構(gòu)機(jī)逐漸駛出后,頂推力得以消散,附加內(nèi)力逐漸減小。但在kw-21-kw-26階段時(shí),由于2條隧道凈距的增大,頂推力所產(chǎn)生的影響小于底部土體卸載的影響,所以工況①、②的內(nèi)力呈現(xiàn)出減小趨勢(shì),而工況③-⑤呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。

4.2 深埋條件下新建隧道下穿既有隧道施工影響分析

為了探究深埋條件下新建盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工時(shí),2條隧道間凈距改變對(duì)既有隧道的影響,分析凈距分別為0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D時(shí)的位移與內(nèi)力情況。

4.2.1 地表沉降分析

工況⑥-⑩既有隧道地表豎向沉降曲線如圖12所示。從圖中可知,當(dāng)既有隧道屬于深埋隧道時(shí),下穿產(chǎn)生的豎向沉降會(huì)隨著凈距的增大而增大。其原因?yàn)?當(dāng)施工開(kāi)挖使得地下土體卸載,由于土體孔隙率較大,因此導(dǎo)致既有隧道在該處發(fā)生土體壓縮;隨著凈距的增大,土體自重也在不斷增大,進(jìn)而加劇土體沉降。

圖12 工況⑥-⑩既有隧道地表豎向沉降曲線Fig.12 Vertical settlement curves of the existing tunnel surface of working conditions VI-X

工況⑥-⑨,2條隧道軸線交叉位置處沉降,即最大沉降值處,分別增大了10.70%、5.30%、4.46%;當(dāng)工況⑦、⑨和⑩時(shí),沉降值相繼增大了9.99%和6.52%,表明雖然土體為軟土,但仍具有一定承載力,沉降增長(zhǎng)率并不會(huì)無(wú)限增大,也在逐漸減緩。

工況⑥-⑩新建隧道地表豎向沉降曲線如圖13所示。當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿深埋既有隧道時(shí),最小沉降值出現(xiàn)在既有隧道下方,且隨著凈距的增大緩慢增大,工況⑥-⑨分別增大了10.70%、5.30%、4.46%,增長(zhǎng)率逐漸減小。在掘進(jìn)過(guò)程中,入口部分沉降仍然比出口部分大,入口的沉降值隨著凈距的增加逐漸增大。分析認(rèn)為,由于新建隧道開(kāi)挖導(dǎo)致底部土體支撐作用消散,因此產(chǎn)生軟土層壓縮變形。

圖13 工況⑥-⑩新建隧道地表豎向沉降曲線Fig.13 Vertical settlement curves of the new tunnel surface of working conditions VI-X

4.2.2 管片位移分析

所取截面(y=30 m)的工況⑥-⑩時(shí)所取截面管片相對(duì)位移曲線如圖14所示,由圖可知襯砌管片仍為左、右內(nèi)凹,向下外凸的扁鴨蛋形狀。同樣印證了盾構(gòu)入口處位移大于出口處,但最大位移卻發(fā)生在拱底位置。

圖14 工況⑥-⑩時(shí)所取截面管片相對(duì)位移曲線Fig.14 Relative displacement curves of existing tunnel slices taken at the working conditions VI-X

從圖14中還可以看出,管片整體最大位移發(fā)生在拱底,最小位移發(fā)生在拱頂,且整體最大位移變化量隨凈距的增大而逐漸減小。而左側(cè)拱腰的位移值,在凈距為0.5D、1.0D、1.5D時(shí),比右側(cè)拱腰的位移值分別高出0.04、0.02、0.01 mm,呈現(xiàn)出隨著凈距的遞增,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)既有隧道兩側(cè)的影響逐漸減弱的特征。深埋工況⑥-⑩沉降值也同樣滿足規(guī)范[17]中的規(guī)定。

4.2.3 管片內(nèi)力分析

工況⑥-⑩時(shí)既有隧道內(nèi)力變化曲線如圖15所示。由圖可見(jiàn),內(nèi)力變化情況展現(xiàn)出先增后減的規(guī)律,在前期階段數(shù)值幾乎相差無(wú)幾,推斷在kw-6階段以前,盾構(gòu)開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程對(duì)既有隧道的內(nèi)力影響可以忽略不計(jì),而此時(shí)掌子面所處位置在既有隧道軸線前方2.0D,約12 m處。越過(guò)軸線位置處2.0D時(shí),內(nèi)力值開(kāi)始減小?？傮w的趨勢(shì)顯示出隨凈距增大影響逐漸減弱。

在kw-11階段,內(nèi)力值開(kāi)始迅速增大,且隨著凈距的增加而逐漸減小,在kw-21-kw-26階段時(shí)達(dá)到最大值。究其原因,主要為既有隧道底部土體卸載,軟弱土體受到擾動(dòng)產(chǎn)生附加內(nèi)力,隨著凈距的增大,土體受到的擾動(dòng)減弱,導(dǎo)致附加內(nèi)力值降低。

(a) 軸力曲線

(b) 彎矩曲線

5 結(jié)論

本文以上海地鐵15號(hào)線下穿運(yùn)營(yíng)9號(hào)線桂林站區(qū)間工程為研究對(duì)象,通過(guò)有限元模擬和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法,基于MCC模型來(lái)考慮土體非線性對(duì)不同埋深、不同凈距情況下,新建盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響規(guī)律,得出如下主要結(jié)論:

① 在軟土地質(zhì)里,由于土體壓縮性大,會(huì)在自重條件下產(chǎn)生土體壓縮,導(dǎo)致沉降值逐漸增大,因此既有隧道所處位置的地表豎向沉降不會(huì)隨相對(duì)距離的增大而逐漸減小,與在正常土層中的規(guī)律不同,應(yīng)在工程實(shí)際中重點(diǎn)考慮。此外,新建盾構(gòu)入、出口一側(cè)的變形差異,在淺埋隧道時(shí)更為明顯。

② 既有隧道的管片變形在數(shù)值上滿足規(guī)范要求,既有隧道的埋深不同時(shí)管片最大變形出現(xiàn)的位置一致,均出現(xiàn)在既有隧道拱底位置處,且隨著凈距的增大,管片變形的影響開(kāi)始趨弱。

③ 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中既有隧道的內(nèi)力值,當(dāng)既有隧道軸線位于盾構(gòu)掌子面前方約2.0D,盾構(gòu)機(jī)尚未到達(dá)既有隧道軸線下方時(shí),對(duì)內(nèi)力值的影響微乎其微。穿越過(guò)既有隧道軸線2.0D后,內(nèi)力影響開(kāi)始減弱,主要影響范圍為[-2.0D, 2.0D]。凈距增大會(huì)使既有隧道內(nèi)力值進(jìn)一步減小,意味著新建盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響逐漸減小。

④ 通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了數(shù)值模擬所得結(jié)論的正確性:掌子面距離既有隧道軸線距離大于2.0D時(shí),開(kāi)挖帶來(lái)的土體擾動(dòng)對(duì)既有隧道管片結(jié)構(gòu)的影響較為微弱;在推進(jìn)過(guò)程中既有隧道的結(jié)構(gòu)沉降方面,能夠較好驗(yàn)證數(shù)值模擬所得出的結(jié)論,即對(duì)管片結(jié)構(gòu)的顯著影響區(qū)間范圍為[-2.0D, 2.0D]。