董建忠
（浙江省建投交通基础建设集团有限公司，浙江杭州310000）
摘要：盾构下穿既有隧道会引发既有隧道产生沉降，并进一步影响既有隧道的运营安全。以合肥市轨道交通2号线东延下穿既有2号线为工程背景，通过数值模拟研究新建双线隧道小角度下穿既有双线隧道对既有隧道竖向沉降的影响。研究结果表明：为确保既有隧道运营安全，最佳注浆压力为0.2～0.3MPa；最不利断面既有线的竖向位移最大值为－1.629ｍｍ，水平位移最大值为0.284ｍｍ，最大主应力的最大值为－0.228MPa，最小主应力的最大值为－2.002MPa；既有线穿越区间各位置实测值均远小于模拟值，除了第一次穿越外，全线既有隧道沉降呈现穿越处沉降大、非穿越段沉降小趋势，实测值均小于结构安全控制指标值，确保了施工的安全，同时可为相似工程提供参考。
随着地下轨道交通的不断发展，地铁线路逐渐增多，因地下空间有限，新建隧道不可避免的与既有隧道并行和下穿。由于新建隧道的施工会带来周围土体的扰动，进而影响上部既有隧道结构，造成既有隧道结构发生偏移，使得既有隧道结构的稳定性及运营的安全性受到威胁。
目前，许多专家学者对盾构隧道掘进过程模拟方法以及盾构下穿既有构筑物进行了研究。ＷＵ等［1］以佛山地铁2号线鹿岛湖—莲塘段左右线重叠路段为主要研究对象，利用有限元软件结合现场实测数据，模拟重叠路段的施工过程，有效预测重叠段施工引起的地面沉降，从而采取有针对性的控制措施，验证了地层加固措施的可靠性；ＺＨＥＮＧ等［2］以特定场地为基础建立了三维数值模型，研究土体—隧道和隧道—隧道的相互作用，分析和讨论了PBM推进各阶段的地表沉降情况，比较了上行隧道作为第二隧道和上行隧道作为单独隧道的两种情况；ＺＨＵ等［3］通过建立数值模型模拟了高架桥下桩基在整个施工隧道过程中的微分沉降。通过验证高架桥的各种承载能力，推导出评价依据；贾丁等［4］基于成都地铁１９号线的实际工程情况，从现场监测和数值模拟出发，研究了双线盾构隧道长距离下穿对既有隧道的影响；陶连金等［5］结合理论分析、数值模拟计算和现场实测数据反馈等多种研究手段，研究了新建盾构隧道施工过程中对已建盾构隧道纵向和横向变位、附加弯矩及轴力的影响分布变化规律；范晓真等［6］以杭州市环城北路地下通道为工程背景，对小净距上下重叠盾构隧道的施工扰动进行了研究；倪准林等［7］依托昆明地铁4号线小菜园—火车北站区间段盾构隧道工程，研究了富水圆砾地层上部后行盾构隧道施工对下部先行盾构隧道管片力学行为的影响规律；高刚刚［8］以杭州地铁五号线浙大紫金港站—三坝村站区间斜交下穿紫金港路隧道工程为依托，研究双线盾构斜交下穿时，上方既有隧道的竖向位移、扭转与盾构所在的位置及注浆压力的关系；王敏强等［9］对盾构推进隧道结构进行三维非线性有限元仿真，提出迁移法模拟盾构前行过程采用权刚度修正单元处理单元内存在两种材料的混合接触刚度，对某地下隧道工程的盾构推进过程进行了仿真计算，得到了推进过程的地表变形和土体扰动规律；李涛等［10］以北京地铁１２号线西坝河站至三元桥站区间盾构下穿既有隧道10号线为工程背景，将现场实测数据与Peck公式拟合，获得了该工程隧道区间双线隧道开挖引起的天然地层损失率和沉降槽宽度参数，并根据叠加原理建立了适用于本工程区间的双线盾构隧道开挖引起既有隧道沉降的预测公式，采用FLAC3D模拟工程实况，进一步分析了新建双孔隧道开挖对既有隧道的沉降影响规律。以上文献虽然对下穿既有隧道这一问题有了一定的研究，但是多集中于正交隧道对既有上部隧道的影响，对新建隧道小角度下穿既有隧道研究鲜少。本文以合肥市轨道交通2号线东延下穿既有2号线为工程背景，通过数值分析研究隧道斜交下穿对既有隧道的竖向沉降的影响，探讨保证既有线运营安全的最佳注浆压力范围，以及施工隧道开挖对既有隧道内力的影响。
１工程概况
三十埠站至护城路站区间起讫里程：sk40＋747.789～sk42＋589.173，全长1841.401ｍ（右线）；sk40＋734.398～sk42＋589.173，全长1851.197ｍ（左线）。施工隧道出三十埠站后长距离下穿既有2号线，下穿范围为右sk40＋747.790～右sk41＋336.000，共约588.21ｍ。施工右线于里程右sk41＋312.633下穿既有２号线左线，于里程右sk41＋182.62下穿既有２号线右线；施工左线于里程左sk41＋241.452下穿既有2号线左线。综合评定穿越处风险等级为Ⅰ级。各个线路的关系如图1所示。
新建隧道位于二级阶地部位，地形平缓，自然坡度3°～5°，地面高程一般为25～30ｍ，局部为人工堆填，地面高程可达32ｍ。地表水不发育，无河流、水塘分布，隧道主要穿越土层为人工填筑土、可塑状黏土、硬塑状黏土、硬塑状粉质黏土。
2典型断面选取及数值模型
2.1典型断面的选取
隧道下穿对既有隧道的影响较大，故选取施工隧道右线下穿既有2号线右线作为典型断面，如图２所示。盾构隧道外径为6.2ｍ，管片厚度为0.35ｍ，内径为5.5ｍ，埋深为20.0ｍ。
2.2数值模型
对典型断面建立FLAC3D数值模型，如图3所示。取左右边界为隧道外径的5倍，隧道底部取隧道外径的3倍，最后整个计算模型宽96.0ｍ、高44.2ｍ。数值计算模型共划分了62453个单元，99580个节点。
2.3本构模型及参数
数值模型分析中主要用到3种材料：土体、同步注浆和管片，计算中土体选取Mohr-Coulomb本构模型，同步注浆和管片选取线弹性模型。
各项材料的物理参数如表1所列。为了简化计算，现对材料作以下假设：
①场地的地表及各个土层为均匀、水平层状分布；
②在计算时只考虑土体的自重影响，不考虑地下水的影响，忽略岩土体的构造应力，使得土体在自重作用下达到平衡状态，之后在此基础上进行盾构开挖；
③采用刚度迁移方法来模拟盾构机的掘进过程，管片和土层在施工中无相对位移；
④假设注浆的浆液和硬化后的浆液可以完整地充满管片与底层之间的空隙，并且硬化后为一个均匀完整的圆形，注浆压力以垂直于圆周面向外的方向作用于周围土体和管片内壁上，如图4所示。
３合理注浆压力的确定
为保证既有隧道的运行安全，以施工隧道对既有隧道沉降±2ｍｍ为理想目标，寻找最佳注浆压力。注浆压力共设置为5种工况，设置情况如表２所列。区间右线开挖和左线开挖既有线的竖向沉降如图5所示。
由图5可知，当注浆压力为0MPa时，2号线既有隧道竖向位移较大，既有隧道的竖向沉降值在－3ｍｍ附近。当注浆压力处于0.1～0.2MPa时，对２号线既有隧道竖向位移有一定的影响，控制效果明显。当注浆压力处于0.3～0.4MPa时，对2号线既有隧道竖向位移有较大影响，且既有左线为隆起状态。综上，为控制既有隧道的竖向位移，注浆压力取0.2～0.3MPa较为合适。
实际施工中，施工单位采纳了本文建议的注浆压力范围，当区间右线开挖后，既有右线的竖向沉降监测值为－0.9ｍｍ，既有左线的竖向隆起监测值为0.3ｍｍ；当区间左线开挖后，既有右线的竖向沉降监测值为－0.4ｍｍ，既有左线的竖向隆起监测值为0.1ｍｍ。既有隧道的竖向沉降实测值满足了施工控制指标。
４典型断面区间隧道施工对既有线的影响
新建2号线下穿既有线采用先施工区间右线，后施工左线的修建模式，以区间右线施工下穿既有右线的过程进行了研究探讨。取注浆压力为0.2MPa，对下穿过程进行施工模拟，并对既有线变形及内力进行分析。
4.1对既有线竖向位移的影响
新建隧道开挖对既有线竖向位移的影响如图6所示。图6显示施工右线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大竖向位移分别为－1.263ｍｍ、0.555ｍｍ，既有右线、既有左线监测点模拟值分别为－1.247ｍｍ、0.502ｍｍ，既有右线、既有左线监测点实测值分别为－0.9ｍｍ、0.3ｍｍ；施工左线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大竖向位移分别为－1.629ｍｍ、－0.609ｍｍ，既有右线、既有左线监测点模拟值分别为－1.601ｍｍ、－0.303ｍｍ，既有右线、既有左线监测点实测值分别为－0.4ｍｍ、0.1ｍｍ。新建隧道施工右线开挖后，既有线模拟值与实测值误差较小；施工左线开挖后，既有线模拟值与监测值差别较大，其原因在于施工右线开挖后，为防止既有隧道进一步下沉，施工单位对施工右线隧道采取二次注浆等措施，使得既有线延缓下沉或者隆起。
4.2对既有线水平位移的影响
新建隧道开挖对既有线水平位移的影响如图７所示。施工右线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大水平位移分别为0.068ｍｍ、－0.114ｍｍ；施工左线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大水平位移分别为0.169ｍｍ、0.284ｍｍ，均小于预警值，满足施工规范要求。
4.3对既有线最大主应力的影响
新建隧道开挖对既有线最大主应力的影响如图８所示。施工右线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大主应力分别为－0.215MPa、－0.227MPa；施工左线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最大主应力分别为－0.215MPa、－0.228MPa。
4.4对既有线最小主应力的影响
新建隧道开挖对既有线最小主应力的影响如图9所示。施工右线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最小主应力分别为－1.890MPa、－1.993MPa；施工左线隧道开挖完成后，既有右线、既有左线最小主应力分别为－1.888MPa、－2.002MPa。
5典型断面隧道开挖对地表的影响
以区间右线和区间左线开挖完成后的地表竖向沉降为研究对象，以开挖左线中心点为横坐标原点，在模型上Ｘ方向从－12ｍ到42ｍ方向每隔3ｍ记录其竖向位移，隧道施工引起的地表沉降如图10所示。隧道右线开挖完成后，地表最大沉降值为－0.954ｍｍ，位于施工隧道右线中线的右侧；隧道左线开挖完成后，地表最大沉降值为－1.381ｍｍ，且地表沉降槽曲线呈现单峰状，峰值位于施工隧道右线中线的左侧。
6全线隧道施工对既有隧道竖向位移的影响
为了进一步研究施工隧道开挖对既有隧道的影响，对双线盾构穿越既有双向盾构隧道进行了全过程模拟，共划分35个剖面，如图11所示。既有左线经历了两次穿越，第一次主要穿越区间为851环～893环，第二次主要穿越区间为915环～957环；既有右线经历了一次穿越，主要穿越区间为947环～998环。
对双线盾构隧道穿越既有隧道全过程中既有隧道的竖向位移进行统计，并与数值模拟结果进行对比，如图12所示。既有左线第一次被穿越，既有左线穿越区间竖向沉降差异明显，最大沉降值为－0.8ｍｍ，最大隆起值为1.1ｍｍ，差值为1.9ｍｍ；既有左线第二次被穿越，既有左线穿越区间竖向沉降差异较小，最大沉降值为－0.2ｍｍ，最大隆起值为0.3ｍｍ，差值为0.5ｍｍ；既有右线被穿越，既有右线穿越区间沉降均匀，最大沉降值为－0.6ｍｍ，最小沉降值为－0.3ｍｍ，差值为0.3ｍｍ。
既有线穿越区间各位置监测值均远小于模拟值，监测值的变化趋势有时不同于数值模拟，甚至出现相反的趋势，其原因是在整个穿越过程中采用多次注浆，严格控制了掘进过程中对既有隧道竖向位移的影响，特别是右线开挖穿越既有右线时，有效避免了较大沉降的产生，在有效多次注浆的情况下，原有的沉降规律被打破，土体应力重分布，避免了较大竖向位移的产生，使得掘进过程得以顺利、安全的推进。
全线既有隧道沉降呈现穿越段沉降大、非穿越段沉降趋势小，即既有隧道穿越前和穿越后的竖向沉降值小，在穿越处竖向沉降值大，模拟值与监测值趋势相似，且监测值均满足施工控制指标，保证了施工安全，证明了本文方法的有效性。
７结论
（1）注浆压力控制在0.2～0.3MPa的范围内时，对既有隧道竖向沉降控制最为理想。
（2）典型断面既有右线的竖向位移最大值为－1.629ｍｍ，水平位移最大值为0.169ｍｍ，最大主应力的最大值为－0.215MPa，最小主应力的最大值为－1.890MPa；既有左线的竖向位移最大值为－0.609ｍｍ，水平位移最大值为0.284ｍｍ，最大主应力的最大值为－0.228MPa，最小主应力的最大值为－2.002MPa。
（3）在穿越段，既有隧道竖向沉降均小于模拟值，且既有左线第一次穿越段实测值的变化趋势与模拟值相反，其原因是此次穿越是本工程的第一次穿越，施工单位为了确保既有线的运营安全，采用了多次注浆的措施，造成了既有左线隆起。全线既有隧道模拟数值的变化趋势与实测值基本一致，均呈现既有隧道穿越前和穿越后的竖向沉降值小、在穿越处竖向沉降值大的趋势，实测值均小于结构安全控制指标值，确保了施工的安全。
转载文献来源：中国知网-甘肃科学学报
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