新建盾构隧道斜交下穿既有营运隧道浅析

新建盾构隧道斜交下穿既有营运隧道浅析

摘要：近年来，由于地铁隧道施工诱发的地面沉降问题屡见不鲜，地铁隧道的盾构施工诱发的环境问题也日益严重。因此,为实现城市建设与既有线保护的协调发展，必须对地铁穿越影响范围内的一号线既有隧道采取相应的措施进行保护。

关键词：下穿；盾构隧道；既有隧道；沉降；隆起。

一、 研究范围

某城市是发展迅速的城市，地铁建设也随之而迅速发展，目前地铁A号线线已经建成通车，地铁B号线的建设也搬上日程，但地铁B号线在设计时斜下穿地铁A号线既有隧道，新建隧道与既有隧道最小净距仅约为3米。

1、 分析范围

以四条隧道平面图交叉菱形中心为中心的两侧临近100米范围内为研究对象，建立200m×200m模型进行研究。

地铁A号线隧道与B号线隧道的相对关系具体详见图1-1

图1-1(红色为B号线、绿色为A号线)

2、 分析特点

本次研究分析具有以下特点：

1）三个区间段隧道均有上倾角度，且倾斜角度不同，具有位置关系的复杂性，这对建立三维模型及划分网格造成极大难度；

2）隧道之间是非直角斜下穿，存在斜穿等在地铁建设中不常遇到的高难度情况，对施工技术有极大的要求；

3）在上述高难度的位置关系下，地铁A号线既有隧道与地铁B号线隧道之间最小净距也极小，最小间距甚至达到3米。

综合上述情况，对以上区段进行数值模拟显得尤为重要，地铁B号线隧道

所处的地层状况相对较好，因此，B号线隧道对既有隧道的影响大小及是否需要进行加固处理、采用何种加固措施等还需综合考虑。

二、 各区间隧道现状及设计参数

新建隧道在AK31+200附近下穿A号线，影响范围约1700平米，与A号线区间隧道最小净距约3.0米。下穿区域主要影响的地层为：上部为素填土及粗砂，中部为砾（砂、粉）质粘土及全风化花岗片麻岩层，下部为强风化花岗岩，两隧道间的土层为砾质粘土及全风化花岗片麻岩层。

模型计算所需参数包括：各种土层的粘聚力、内摩擦角、泊松比、容重、饱和容重、初始应力参数K0、抗拉强度值、既有线的初期支护弹性模量、泊松比及重量密度。

三、 计算方法及分析思路

1、 计算理论及方法

三维数值模拟拟采用韩国浦项集团成立的CAD/CAE研发机构开发的结构分析及技术软件MIDAS/GTS进行计算。本次数值分析采用摩尔-库仑模型模拟土层,采用线弹性模型模拟管片及衬砌,土层的破坏准则是张拉剪切组合的Mohr-Coulomb准则。

2、 盾构掘进引起土层变形机理分析

（1） 地表变形机理

地表变形，是由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或隆起。受其影响隧道附近地区的构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。本研究根据深圳地铁B号线盾构穿越地层的特点，按以下路径分析各因素、各个阶段地层变形的情况：

1) 土体损失

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因而比按照隧道断面积计算出的土量大得多，这样，使隧道与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填填，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。土的应力因此而发生变化，随之而形成：应变-变形-位移-地面沉降。

2) 固结沉降

由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主同结沉降和次固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。

（2） 地层隆沉的发展过程分析

盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。见表3-1。

盾构施工引起位移的原因与机理表3-1

沉降类型 主要原因 应力扰动 变形机理

初始沉降 土体受挤压而压密 孔隙水压力减少

有效应力增加 孔隙比减少，固结

盾构工作面前方变形 工作面处施压，过大隆起，过小沉降 孔隙水压力增加，总应力增加 土体压缩产生弹塑性变形

盾构通过时的沉降 施工扰动，盾构与土体间剪切错动，出渣 应力释放 弹塑性变形

盾尾空隙沉降 土体失去盾构支撑，管片背后注浆不及时 应力释放 弹塑性变形

固结沉降 土体后续时效变形 应力松弛 蠕变压缩

1）初期沉降

它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降的量较小，而且，不是所有的盾构施工工程都会发生的，所以一般不被人们觉察。据部分实测资料分析断定，初期沉降是由于固结沉降所引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。

2）开挖面沉降(或隆起)

它是指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式，由于各种推进参数(如盾构推进速度、最大推力等)的差异，使开挖面的土体应力状态也截然不同，这便形成了覆盖层的土压增加或应力释放。

3）尾部沉降

它是指盾构通过时产生的地面沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到三个力的作用：总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。

由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中就产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分的土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛的部分则带来了地面沉降。

4）盾尾空隙沉降

它发生在盾尾通过之后。引起沉降的原因是盾构尾部建筑空隙和隧道周围土层被扰动。在土力学上表现为土的应力释放，密实度下降。一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大2％。这里有两个原因：首先盾壳材料有一定的厚度；其次是由于施工需要，使盾壳内与衬砌间必须有一定的空隙。这些“建筑空隙”如不及时地充填，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。

5）长期延续沉陷

图3-1 即时沉降和长期延续沉降的比较直方图

它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。图3-1是即时沉降和长期延续沉降的比较直方图，它较好地证实了以上观点。粘土地基长期延续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。

（3） 地层隆沉的分布范围分析

地面沉降的分布模块是三维的(图3-2)。随着盾构推进，所设的观测点处的沉降量逐渐增加，沉降区域的宽度也日趋扩展。

图3-2 粘土地基变形模型示意图

仅仅考虑垂直位移，地面沉降在垂直隧道轴线的横断面上一般呈正态分布曲线。

在粘性土中，沉降的增量实质上是相等的，而且在竖直方向上扩展速度也是均匀的。但是，对于砂性土来说，沉降增量及扩展速度的最大值出现在隧道顶部，并且朝着地表方向突然减少。这种现象提示：粘土土层中，盾构周围的土层如同一块土体一样是逐渐变形的；而砂土土层中，盾构周围的土体却是局部而又断续地塌落。这种区别反映出各种性质的土体“成拱”能力，粘性土较砂性土成拱能力高，沉降槽范围较大，中心点沉降量相对较小。

（4） 盾构施工工艺对地表隆沉的影响

1）盾构掘进参数的选择的影响

它同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有着联系。其具体表现为：

①盾构严重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。

②在用一些自动化程度较高的盾构机具进行推进时，推进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力(土压平衡盾构等)、注浆压力和盾构总推力等参数的设定不合理。

③注浆量不足或注浆不及时，是引起地面沉降较主要的原因之一，直接影响“建筑空隙”的充填。

④在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对沉降的影响是不容忽视的。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然在其轨迹上留下一个如图3-3所示的面积，引起地面扰动。

⑤盾构后退。较长时间的盾构停止推进，千斤顶会因漏油而缩回，从而引起盾构后退，这样势必造成开挖面土体稳定失衡，土的内聚力减小。

图3-3 因盾构纠偏所造成的地层扰动示意图

2）盾构选型及注浆的影响

它与规划、设计和当地的地质情况等因素有直接关系。这类原因引起的沉降通常发生在整个盾构施工过程中，并延续到施工结束后的较长一段时间。它可具体分为以下几点：

①设计阶段的盾构选择，特别是盾构外径、盾尾空隙等尺寸的选定。这一切将直接影响“建筑空隙”的大小。

②由于注浆材料本身的体积收缩，使填充孔隙的材料在一段时间后出现萎

缩。

③盾壳移动对地层的摩擦和剪切，造成对临近土体的扰动。

④在土压力的作用下，隧道衬砌的变形会引起少量的地层损失。

（5） 交叉隧道问题

根据国内已有的研究，目前国内常见的为垂直交叉隧道，有关垂直交叉隧道的国内一些研究结论如下：

对于垂直交叉隧道问题，新隧道影响既有隧道范围一般从8米左右开始影响比较大。在现有隧道开挖过程中，既有隧道衬砌发生了竖向向上的隆起，这主要受盾构工作平面所施加的推进力有关，因此施工时需要严格控制盾构机的施工参数。

随着新建盾构隧道的盾构机向既有隧道推进，既有隧道的变形与盾构隧道推进方向一致。从水平和竖向位移两者来综合分析可以看出，既有右侧隧道受开挖所影响的范围在50 m左右，即在此范围内右侧既有隧道衬砌的水平位移和竖向位移均超过了1mm对交叉隧道的模拟仿真结果表明，不同推进力对于既有隧道的最大主拉应力有很大的影响。由于既有隧道衬砌由素混凝土组成，使得既有隧道衬砌在盾构大推进力作用下可能产生裂缝，有必要对于既有隧道衬砌进行预加固处理。

当盾构向前推进时，既有隧道衬砌最大竖向位移发生在新建盾构隧道开挖到既有隧道的正下方。最大水平位移为沿盾构机前进方向，发生在盾构工作平面超过左侧既有隧道轴线4.8 m处。最大主拉应力和最大主压应力发生在盾构机处在既有隧道的正下方。

随着新建隧道盾构机向既有隧道的推进，既有右侧隧道受开挖所影响的范围在50m左右。在盾构推进的同时应加强对既有隧道受影响范围的现场监测。

盾构推进力是影响既有隧道衬砌变形和受力状态的主要因素，应在施工过程中严格控制盾构机推进力参数，防止既有隧道衬砌开裂。

通过已有模拟计算表明，新建盾构隧道整体穿越过程中对运营隧道轨底倾斜影响不是很大。但是，在穿越既有地铁隧道运营期间，一定要慢，并且要连续通过。

通过对既有隧道的加固分析可知，加固后既有隧道衬砌变形幅度显著下降，且中部衬砌外侧最大主拉应力明显要小于加固前，整个隧道受盾构开挖影响的主拉应力范围也相对减小，这对施工时的控制变形会有一定指导作用。

在新建隧道逐步向老隧道推进中，推进力和稳定比是控制老隧道变形的主要

因素。此时，应逐渐减小推进力，调节稳定比，仔细对老隧道变形进行监测，控制好诸施工参数，以减小老隧道的变形。当新建隧道通过老隧道后，注浆压力则成为控制老隧道变形的主要因素，此时，注浆压力的控制是保证施工质量的重要手段。

四、 模型计算分析

1、建模情况

根据新建区间隧道地勘资料及隧道位置建立模型，模型高70m，模型大小200m×200m。地铁A号线与地铁B号线净距最小处A号线埋深为12.3m。地层参数取值如下表

地层参数表 表4-1

天然重度γ

（KN/m3） 弹性模量ES

（MPa） 泊松比μ 粘聚力C

（KPa） 内摩擦角φ （°） 层厚

（m）

素填土 1.8 - 15 10 4

粗砂 21 50 0.3 0.05 32 5.5

砾（砂）质粘土 19 20 0.3 25 20 8.5

全风化花岗岩 22 80 0.27 30 26 52

(模型图) (网格图)

图4-1 计算模型图

图4-2隧道俯视图

2、先开挖右线工况初步计算分析

（1）整体沉降云图及地表变形图

图4-3先开挖右线时左线竖向位移云图

图4-4 右线贯通后地表变形图

图4-5 两隧道全部贯通后地表变形图

（地表最大沉降值为9.7861e-003m，最大隆起值为1.44607e-003m）

既有线下方的沉降值比较见4-2表。

3、先开挖左线工况计算分析

（1）整体沉降云图及地表变形图

图4-6 先开挖左线时左线竖向位移云图

图4-7 左线贯通后地表变形图

图4-8 两隧道全部贯通后地表变形图

（地表最大沉降值为9.7861e-003m，最大隆起值为1.44607e-003m）

4、先开挖左线与先开挖右线工况分析比较

表4-2 开挖顺序对既有线隧道的隆沉值比较

隆沉值

工序 A号线右线隧道拱底最终隆起值

（mm） A号线右线隧道拱底最终沉降值

（mm） A号线左线隧道拱底最终隆起值

（mm） A号线左线隧道拱底最终沉降值

（mm）

先开挖B号线

右线隧道 3.09828 -1.57804 3.6961 -3.96211

先开挖B号线

左线隧道 3.10948 -0.72 3.65171 -3.57796

先开挖B号线右线隧道时，既有线A号线左线处于开挖面前方的拱底位置发生隆起，隆起大小为3.7mm，处于开挖面后方的拱底位置发生沉降，沉降大小约为4.0mm；既有线A号线右线处于开挖面前方的拱底位置隆起约3.1mm，处于开挖面后方的拱底沉降值为1.6mm。先开挖B号线左线隧道时，既有线A号线左线处于开挖面前方的拱底位置发生隆起，隆起大小为3.7mm，处于开挖面后方的拱底位置发生沉降，沉降大小约为3.6mm；既有线A号线右线处于开挖面前方的拱底位置隆起约3.1mm，处于开挖面后方的拱底沉降值为0.7mm。开挖顺序对拱底隆起基本没有影响，而拱底沉降有所减小，右线隧道拱底沉降减小约9.6%，左线隧道拱底沉降减小约53.4%。通过以上分析，认为先开挖B号线左线隧道对既有线的影响比较小。

经过对施工步骤分析发现：

⑴ 当盾构隧道掘进至既有隧道之前，会导致掌子面前方土体（包括既有隧道）隆起，而当盾构隧道掘进至既有线正下方时，会导致掌子面正上方土体（包括既有隧道）产生沉降，而沉降值与之前产生的隆起值相抵消一部分，导致掌子面正上方既有隧道部分有部分沉降，而离掌子面较远部分既有隧道前期隆起值大于盾构开挖至既有隧道正下方时在掌子面两侧远方产正的沉降值，因而会仍有隆起；

⑵由于地铁B号线盾构隧道掘进方向为斜向上，因此盾构掌子面前方成散射状隆起会波及后方已开挖部分土体，因此随着盾构掘进远离既有线时，受斜向上掘进隆起影响，既有线沉降会有略微的减小，而隆起值会略微增加。

五、 结论及建议

经上述数值模拟分析，结合地勘资料，得出如下结论、建议如下：

1、由于新建隧道多位于土质较好地层，因而新建隧道对地铁A号线（既有隧道）影响很小，最大约为4mm，可考虑在施工期间对既有隧道周围土体用注浆进行预加固措施，并保证地铁B号线在下穿既有隧道时快速平稳通过；

2、通过对新建隧道的分析，左右线开挖顺序对既有线的沉降影响比较大，对隆起则基本没有什么影响。通过对比认为先开挖B号线左线对既有线的影响比较小；

3、在上述区段中进行施工，斜穿地段只要保重盾构快速通过稳定出土即可。

新建隧道在施工过程中，采取了本次分析的建议，在穿越前对既有隧道进行了预注浆加固，并先掘进左线隧道后掘进右线隧道，最终施工过程中所监测到的最大沉降量约为3mm，符合本次分析的结论。