张志成1，缪振畴1，朱龙2，李栋3
（1中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066；2西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；3郑州铁路建设管理有限公司，河北郑州450007）
摘要：运营地铁区间隧道轨道沉降控制严格，新隧道下穿施工可能会导致既有隧道发生沉降，而在复合地层中，这种沉降更为明显，因此，加固方案的选取对控制既有隧道沉降尤为关键。该文依托某盾构下穿隧道工程，采用数值模拟方法对复合地层盾构下穿施工导致的既有隧道变形规律及加固方案进行了研究。结果表明：1）新建盾构下穿施工后，既有盾构隧道纵向呈现出“W”型沉降曲线，新建隧道与既有隧道平面交叉点处沉降值最大；2）采取设计的加固措施后，随着加固措施的增强，既有盾构隧道沉降曲线形态由“W”型向“U”型渐变，最大沉降量减小；3）当加固新建隧道拱180°范围及径向2.7 m范围土层时，既有隧道沉降满足控制标准要求，在类似工程条件下，建议采用上述加固方案。
0引言
近年来，随着我国轨道交通建设的快速发展，全国各大城市开展了新一轮地铁建设。在城区修建地铁隧道面临下穿既有隧道施工的情况，当盾构在复合地层中下穿既有地铁线路时，可能会导致既有隧道发生沉降，当沉降不均匀时还会产生附加应力[1]。即盾构近距的下穿开挖会影响既有和新建的隧道结构的安全性，所以对既有隧道加固方案进行研究十分必要。
在盾构隧道下穿施工方面，学者们多采用理论计算、实测分析或数值模拟等不同的方法，从地表沉降，新旧隧道变形等方面进行分析论证。郭庆昊[2]等人结合盾构下穿北京地铁4号线研究了盾构法隧道下穿既有地铁车站影响，揭示了动态掘进过程中车站支护结构的受力及位移变化规律。方勇[1]等人采用三维有限元数值模拟方法研究了盾构正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影响，总结出新建隧道开挖过程中既有隧道管片的位移、形变与受力的变化规律。刘欢[3]等人采用理论分析与数值模拟计算相结合的方法，开展了对双线地铁隧道下穿既有隧道工程施工扰动评价方法的研究，提出了地表沉降、既有隧道变形两者与隧道水平净距的函数拟合关系。代长顺[4]等人基于济南地铁9号线工程，采用数值模拟计算的方法进行了盾构近距下穿铁路桥墩的加固措施研究，提出了钢管柱加固措施。胡勇[5]等分析广州地铁22号线盾构法施工现场情况与监测数据，总结了大盾构近距下穿运营地铁的洞内定向预注浆加固及掘进技术。马相峰[6]等人采用数值模拟与现场监测相结合的方法，开展了砂卵石地层双线盾构下穿铁路对路基变形影响研究，揭示了盾构下穿对路基的影响规律。汪洋[7]等人对盾构下穿施工导致的既有隧道变形和附加内力规律进行了总结。何川[8]等以盾构重叠下穿既有隧道工程为依托，引入横向和纵向的刚度折减系数，采用数值模拟和相似试验方法，提出了既有隧道最大隆起点和不均匀沉降的产生位置和时机。张晓清[9]等采用排液法分析了施工中因地层损失和开挖卸荷引起的地表沉降以及既有隧道纵向变形规律,并对部分试验结果进行了对比验证。房明[10]等以多线交叉隧道施工为工程背景，研究了交叉角度和施工参数对既有隧道施工的影响。陈亮[11]等对上海软土地层盾构上穿既有隧道的监测数据开展了分析，提出了盾构穿越后的15天内既有隧道达到最大变形值占最终变形的七成左右的观点。
综上所述，盾构下穿既有构筑物的过程中会对既有构筑物的内力和位移产生影响，大多学者的研究揭示了其作用影响规律，同时也对如何保证既有构筑物结构安全的措施进了研究，但是对复合地层下的双线盾构下穿施工研究较少，特别是对下穿既有地铁隧道的地层加固方案研究仍不充分，所以本文基于某市地铁30号线区间隧道工程，对复合地层双洞盾构隧道下穿既有双洞隧道的影响因素与加固方案开展研究。
1工程背景
依托工程区间左线全长669.6m；右线全长669.4m。该区间从益州大道站始发，在金融城北站接收。左右线区间均采用土压平衡盾构机施工，其中右线先行左线后行，左右线间距始终保持14.7m，盾构刀盘直径为6.3m，盾构管片外径为6m，内径5.4m，管片幅宽1.5m。隧道在里程YCK 22+708.300～+718.200处双线正下穿地铁1号线。新建隧道埋深18.5m，既有隧道埋深8.6m，新建隧道与既有隧道最小竖向净距为3.036m。新建隧道与既有隧道平面位置关系如图1所示。
盾构下穿段地层为密实卵石土和中等风化泥岩的复合地层，区间隧道与既有隧道剖面关系图如图2所示。
地铁1号线为明挖矩形钢筋混凝土结构隧道，其尺寸图如图3所示。
2下穿既有隧道加固工况设计
为保证盾构隧道下穿既有隧道过程的施工安全，应在盾构施工前，采取一定加固方案阻碍形变的传递，以保护既有隧道结构安全。根据加固对象可以将加固措施大体分为加固既有隧道、加固夹层土以及加固新建隧道三种，由于依托工程地铁线路已经运营，加固既有隧道不具有现场实施的可能性。因此本文主要研究加固夹层土和加固新建隧道两种加固方法，将未加固设定为工况一，共设计了四种加固工况，如表1所示。
3下穿既有隧道控制标准
30号线区间隧道下穿施工会导致1号既有隧道产生变形，为了确定既有隧道变形控制标准，本文对类似工程条件的既有隧道变形控制标准进行了调研统计，调研结果如表2所示。
CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[17]对既有隧道沉降的控制值为10mm，然而表2的调研结果显示，出于保险考虑，实际工程中对既有隧道位移控制标准较上述规范更为严格，大多采用5mm作为沉降控制标准。综合考虑依托工程地铁线路已运营的特点，确定沉降控制标准为5mm，隆起控制标准为5mm。
为评价既有隧道的安全性，本文采用TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[18]中混凝土结构的强度安全系数进行评定，安全系数控制值如表3所示。
4下穿既有隧道数值模拟
为了能够准确模拟盾构下穿施工过程，并且对不同加固工况进行分析，与表1对应，本文分别建立了5种工况的三维数值模型。
4.1数值模型及边界条件
采用ABAQUS程序建立三维数值模型，考虑到数值模型的边界效应，确定数值模型计算域范围为：70.5m×70.5m×43m。数值模型中，盾构机盾壳、管片、注浆层及地层采用实体单元模拟。地层部分采摩尔-库伦本构关系，除地层以外的部分均采用弹性本构关系。盾构管片与土体之间的注浆层采用温度场变量模拟注浆的硬化过程。建立好的整体三维数值模型如图4所示。
既有地铁1号线区间隧道为明挖矩形钢筋混凝土结构，埋深为8.6m。新建盾构隧道管片外径6.6m，管片厚度0.3m，每环幅宽1.5m，隧道埋深为18.5m，二者水平交角为90°，竖向净距为3.0m，两隧道位置关系和既有隧道尺寸如图5所示。地层加固模拟一共分为两种，一是夹层土加固，另外一个是新建隧道加固，两种加固方案模型如图6和7所示。
模型四周的平面约束其法向位移，底部约束竖向位移，顶部为自由面，如图8所示。
4.2构模型及材料参数
根据依托工程地勘报告并参考相关规范，确定数值模型中不同材料的计算参数，见表4。
4.3施工过程模拟及荷载设定
盾构隧道施工过程较为复杂，盾构施工过程模拟的精细化程度与既有隧道沉降计算精度直接相关。盾构施工模拟过程为：首先开挖土体，同步激活盾壳并施加土仓压力，保证围岩稳定，随后盾壳前移，激活后续管片并施加注浆压力，重复上述过程，即可实现盾构施工的循环掘进。
既有隧道列车荷载设定为8.3kPa[19]。土仓压力依据计算值设定为0.16MPa。当盾尾脱空后，施加0.3MPa的注浆压力。由于浆液的初始凝结时间为6h，据此可确定注浆压力维持4环长度范围。各施工阶段荷载分布形式，如图9所示。
5下穿既有隧道影响规律分析
首先对未加固工况的数值模型进行计算，得到盾构施工完成时既有隧道的竖向位移变形云图，如图10所示。
由图10可知，新建隧道下穿后，既有隧道产生了向下的沉降变形，其变形在多次穿越影响下相互叠加，既有隧道沉降曲线并非是两次单线隧道引起既有隧道变形的叠加，而是呈不对称的变形形态。从既有隧道变形规律上来看，隧道上部沉降小于下部，既有隧道产生最大沉降的位置位于新建隧道左线上方既有隧道中间偏前的位置，故在既有隧道底部选取一条侧线（图11），在图11中测点A为既有隧道底部测线与新建隧道右线中轴线的交点，测点B为既有隧道底部测线与新建隧道左线中轴线的交点。
为研究新建双线盾构施工对既有隧道变形的时空效应，有必要对盾构下穿施工过程中掌子面所处不同位置状态时既有隧道的变形规律进行分析，不同位置状态的设定见表5。
当新建盾构隧道盾构掌子面距离既有隧道测线不同位置时，测线处沉降计算结果如图12所示，测点A和测点B的变形值及其占比情况见表6。
由图12和表6可知：在双线盾构隧道下穿既有隧道施工过程中，当盾构刀盘经过既有隧道测线时，受土仓压力的影响较大，既有隧道变形较小；当盾构盾尾经过既有隧道测线时，盾尾脱空将造成地层损失，该阶段既有隧道沉降位移占比较大；当盾构远离既有隧道测线时，受硬化后注浆体的材料强度和既有隧道的重力的影响，既有隧道的沉降进一步增大并最终稳定。
由图12可以明显地看出，若不采取加固措施，当盾构左线盾尾经过既有隧道测线后，既有隧道的沉降将超过控制标准。该分析结果表明，盾构下穿既有隧道施工前，对既有隧道进行加固是必要的。为此需要对表1中的工况二～工况五条件下既有隧道变形开展进一步分析。
5.1各方案加固后既有隧道竖向位移
在不同加固条件下，盾构下穿既有隧道施工后各工况下既有隧道的结构位移计算结果如图13—图17所示。
分别提取不同加固方案条件下新建隧道下穿施工完成后既有隧道底部测线的变形曲线，如图18所示。由图18可知，从工况一至工况五，既有隧道沉降曲线由“W”形变为“U”形，且既有隧道结构沉降变形量逐渐减小。根据位移控制标准的要求，仅工况五满足沉降控制标准（5mm）。
为分析不同方案的加固效率，本文在刘彬[20]等提出的加固效率公式的基础上进行改进，即通过对比单位加固体积变形减少量来衡量加固效果。单位加固体积变形减少量计算公式为：
式中：ξ为单位加固体积变形减少量，V为单位加固体积，△d为未加固工况与加固工况既有隧道变形差值。
根据式（1）进行计算，各工况的单位加固体积沉降减少量详见表7。
从表7中可以看出，工况四的加固效率最高，工况二的加固效率最低，虽然工况五相较于工况四效率有所下降，但其能满足沉降控制标准，所以采用工况五的加固方案是必要的。
5.2既有管线结构安全分析
根据上节既有隧道结构的变形计算结果，分别提取“W”形和“U”形沉降变形曲线峰值处三个断面（图19中左断面、中断面和右断面）中的各个部分的安全系数进行分析。三环管片安全系数的分布如图20—图22所示。
从工况一各断面安全系数可以看出，各断面的安全系数较小值出现在图23中①、②、③、⑤、⑥和⑦的位置。上述位置的安全系数虽满足控制标准，但安全储备不高，因此需采取一定的加固措施确保结构安全。
分别采取工况二～工况五的方案加固后，上述三环管片衬砌最不利位置安全系数计算结果如图23—25所示。
分析图23—图25可知：
1）由于加固措施均施加于既有隧道下方，故既有隧道中墙和侧墙的底部以及下部底板的安全系数受加固措施的影响较大，而远离加固区的上部顶板则受加固措施的影响较小；
2）加固新建隧道对既有隧道沉降控制效果提升最为明显，但会在一定程度上降低既有隧道结构安全系数，降低后的安全系数依旧满足控制标准；
3）加固夹层土对既有隧道结构安全系数控制效果提升最为明显，但无法确保既有隧道沉降满足控制标准。
综合考虑上述因素，在盾构下穿既有隧道施工过程中，优先加固新建隧道，可减少对既有隧道的扰动，而在条件允许下最好同时对夹层土进行加固。
6结论
本文依托复合地层双线盾构下穿既有隧道工程，采用数值模拟方法对下穿施工过程中既有隧道变形规律及加固工况方案开展了研究，得出如下主要结论：
1）既有隧道沉降规律显示，当盾构刀盘经过既有隧道测线时，既有隧道沉降增量较小；当盾构盾尾经过既有隧道测线时，既有隧道沉降增量较大；当盾构远离既有隧道测线时，既有隧道沉降逐渐稳定；
2）采取设计的加固措施后，随着加固措施的增强，既有盾构隧道沉降曲线形态由“W”型向“U”型渐变，沉降最大值均位于既有隧道与新建隧道平面交叉点处，最大沉降量逐渐减小；
3）从加固效率的角度分析，工况四（对新建隧道拱180°范围及径向1.7m范围土层进行加固）略好于工况五；从既有隧道沉降量来看，仅工况五（对新建隧道拱180°范围及径向2.7m范围土层进行加固）满足沉降控制标准；
4）综合考虑既有隧道结构安全性、沉降最大值及影响范围，各个加固方案的加固效果由大到小排序依次为：工况五＞工况四＞工况三＞工况二，推荐采用工况五（加固新建隧道拱180°范围及径向2.7 m范围土层）的方案对既有隧道进行加固；
5）综合本文计算结果可以对相关工程提供加固方案的建议：加固新建隧道附近的土层可以有效地减少开挖对既有隧道造成的影响，并且在条件允许的情况下同时再加固既有隧道可以有更好的控制效果。
转载文献来源：中国知网-材料与科技
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