李京承，余航飞

(1.中铁十六局集团 路桥工程有限公司， 北京 101500；2.长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)

随着我国城市化进程不断加快，不可避免的出现轨道交通线路穿越既有构筑物的情况，而且由于工程地质条件复杂多变，在地下空间利用率逐渐升高的情况下，穿越施工难度越来越大。杨成永等[1]建立管-土相互作用三维有限元模型，提出了管线沉降和弯矩随管土刚度系数变化的规律，并且给出了判定值。周泽林[2]基于镜像源汇法原理和楠圆形非等量径向土体移动模式，采用隧道与土体变形整体耦合的方法建立了盾构掘进对上方己建隧道影响的解析方法。董志伟等[3]以深圳北环电缆隧道南线下穿深圳既有地铁2号线为依托，根据有限元模拟结果以及实测数据，得出交叉角度的减小会增大既有隧道沉降，当处于垂直下穿时对既有线路影响最小。张晓清等[4]通过室内离心模拟实验对多线叠交隧道进行了研究，得出在先下后上穿越施工中在各阶土体沉降都较小，并且土体最终沉降量也较小。Qian等[5]依托北京地铁6号线穿越4号线工程，总结出既有结构与地表沉降曲线分别呈现出“W”与“U”型，并且在相同的监测断面，既有隧道与地表在水平方向的地层损失几乎相同。杜明芳等[6]以洛阳市轨道交通2号线区间盾构下穿焦柳铁路为工程背景，得出同时采用路基注浆以及洞内深孔注浆，可显著减少盾构下穿施工对既有铁路的影响。金大龙[7]依托深圳地铁三期工程，通过现场实测与数据分析，总结了双线和多线下穿既有隧道沉降分布规律，并且提出了多次穿越既有隧道的位移分配控制法。李志军等[8]通过利用MIDAS软件，模拟了隧道埋深对于盾构下穿机场跑道的沉降影响，得出当隧道埋深大于18 m时，盾构施工对地表影响较小。丁智等[9]采用数值分析的方法，针对软土地质分别改变两隧道净距与角度进行计算，得到了不同范围内既有线路变形以及衬砌内力变化规律。吴昊天等[10]结合深圳地铁7号线，通过数值模拟以及现场监测数据，研究了下穿施工对车站既有结构的影响程度和范围。梁建波[11]分析了新建隧道与既有隧道之间相互影响，并且对不同的施工参数对既有隧道沉降影响进行理论分析。

近年来，有关盾构下穿的理论研究以及案例[12-16]越来越完善，但是对于综合考虑开挖支护以及同步注浆的情况仍未有完善的体系。本文以广州南大干线电力隧道下穿广州地铁2号线作为依托，通过构建三维弹塑性有限元模型，以盾构正面支护力作为主要影响因素，并且考虑注浆压力的情况下，分析隧道-土-隧道三者之间的相互作用情况，得出既有线路以及土体在开挖过程中的变形特征。

1 工程概况

广州南大干线(1.1标段)位于番禺区大石街，路线全长1.909 km，电力隧道基本与南大干线道路第1-1路段范围匹配，线路起于东新高速东侧桥底3#工作井，至日立电梯厂前设置4#工作井，期间下穿既有地铁二号线会江站。

盾构区间为单线，盾构外径为4.2 m，内径为3.6 m，管片厚度为300 mm，宽为1 m，采用C50混凝土材料，并且隧道埋深约为18 m，与地铁2号线基本呈正交关系。既有地铁2号线埋深约为8 m，外径为6.1 m，内径5.5 m，管片厚度为300 mm，管片均采用C50混凝土，其相对平面位置关系如图1所示，其中隧道竖向净距约为6.8 m。根据《番禺区南大干线(东新高速至G105国道段)工程工程地质详细勘察报告》以及《广州市轨道交通二、八号线拆解工程会江站详细勘察阶段岩土工程勘察报告》(以下简称为“地勘资料”)，盾构穿越处地层物理力学参数见表1。

图1 南大干线与地铁2号线平面关系示意图

表1 土体的物理力学参数

2 有限元模型建立

土压平衡盾构施工是非常典型的三维过程，本身要考虑的因素有很多，如：本构模型的选取、掌子面支护力、附加应力、同步注浆压力、盾壳在掘进过程中与周围土体产生的摩擦力等。如果考虑所有的因素，模型会变得极为复杂，因此在实际建模的过程会在一定程度上做简化。

2.1 计算假定

(1)假定土体为各向同性的理想弹塑性体且各土层均匀分布服从Mohr-Coulomb屈服准则，本构模型选用“MC”模型。

(2)不考虑管片环之间纵向以及横向连接，对管片整体的刚度进行折减，其中刚度折减系数η=0.8。

(3)不考虑地下水位影响。

2.2 边界条件及参数设定

为了排除边界效应的影响，侧边界与新建隧道间距要达到3D(电力隧道外径)以上，因此选取模型尺寸为60 m×40 m×50 m(X×Y×Z)。对于模型边界条件的设置：模型沿X方向的侧边界施加U1方向水平位移约束；Z方向，上表面为自由面，底部施加三个方向的位移约束，即U1=U2=U3；Y方向前后面边界施加U2方向的水平位移约束。

参照地勘资料，土层模拟采用三维实体单元，网格类型采用8节点线性六面体单元(C3D8)，共分为7层，所需材料参数根据第1节中表1选取。新建隧道及地铁的管片、盾构机部分同样使用三维实体单元，网格类型也为C3D8单元，并按照等效均质圆环进行模拟。综合考虑盾尾空隙、注浆充填量等问题，将这些不以量化的变量因素转化为均质、等厚度的线弹性注浆等代层(见图2)代替,它的强度随着施工的进行逐渐增大。等代层的选取可以更能反映实际情况，并且达到简化计算的目的，等代层厚度可按照式(1)进行计算:

h=ξ·Δ

(1)

式中：Δ为盾尾空隙理论值，m(一般取开挖直径与衬砌外径差值的一半)；ξ为折减系数，其取值范围在0.7～1.5，对于较硬土层取下限，对于软弱土层取上限。根据盾构机实际情况及参数，取注浆等代层厚度h=70 mm。

对于盾构正面支护力的设定，根据以往的经验，正面支护力一般在数值上与静止土压力相等即Pf=P0，可由式(2)、式(3)进行计算：

P0=K0σcz

(2)

(3)

图2 模型网格图

2.3 模拟施工过程

电力隧道下穿地铁2号线模型见图2，在模拟开挖之前，先对土体以及隧道进行切割，方便进行网格划分。主要模拟施工步骤如下：

步骤1:装配既有隧道后，在分析步中设置静力通用分析，为土体以及既有隧道结构施加重力荷载、成层土的自重应力以及侧向系数，提交运算。

步骤2:导出因既有隧道结构的存在对土体产生的应力场，然后在预定义场中导入该应力场，重新实现地应力平衡。

步骤3:根据施工组织设计情况，设置每个分析步掘进长度为10环即10 m，利用“生死单元”功能“杀死”要移除的土体，然后激活管片以及注浆等代层。并对周围土体施加注浆压力，考虑浆体的时效性，该分析步激活的注浆层参数采用硬化前参数，参数详见表2。

步骤4:下一环土体移除前，对即将要移除土体释放75%的地应力，并且在下一步开挖掌子面上施加正向支护力。然后将上一环注浆层调整为硬化后参数。

重复步骤3—步骤4，直至土体移除完毕，并且注浆等代层完全硬化，计算结束。

表2 材料参数

2.4 工况设置

掌子面开挖稳定性受盾构正面支护力大小影响较大，如果设定的支护力过大会导致掌子面背后土体产生被动土压力，掌子面向掘进方向移动形成滑动面，周围土体沿滑动面发生挤压，造成地表隆起，对既有地铁线路管片产生不利影响；如果设定的支护力过小，掌子面会向盾构机内部移动，周围土体沿着滑动面下滑，造成地表沉降。如果出现连续的滑动面，会导致掌子面失稳，盾构机被埋，给施工带来极大隐患。对于注浆压力，如果注浆压力过小会导致浆液注入，管片脱离盾构机后发生沉降；如果注浆压力设计过大，会导致隧道上浮，土体发生隆起，管片错台开裂等影响。综合考虑以上因素的影响，本文设置以下两种工况，以获得合理的正面支护力以及注浆压力。

工况1通过给掌子面施加4个数值大小不同的支护力，分别设置Pf=0.2P0、0.6P0、1.0P0、1.5P0模拟计算既有线路受力情况以及地表沉降规律。根据计算结果，确定最优的支护力Pf*。

工况2在施加最优支护力Pf*的条件下，调整注浆压力的大小，分别设置注浆压力为Pg=0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa、1.6 MPa通过分析地表以及周围土体沉降规律，得出合理的注浆压力范围。

3 数值模拟结果及分析

新建隧道盾构施工过程中，会对土体产生扰动造成地层损失，并且引起土体的应力释放。为了尽可能避免对土体产生扰动，可以通过设置合理的掌子面支护力以及注浆压力来降低对周围土层产生的影响。根据施工方案，下穿过程中采用土压平衡式盾构，并且设置盾构正面支护力为1.0P0，注浆压力为0.2 MPa。

3.1 既有地铁2号线衬砌纵向位移曲线

图3为左右线纵向沉降曲线。从图中可以看出：2号线纵向最大沉降量约为7.1 mm，沉降最大的位置基本靠近对称轴处，而根据模拟结果显示水平位移最大值不足2 mm，因此可判定既有线路的变形主要以纵向变形为主，而且为不均匀沉降。

图3 既有隧道纵向沉降曲线

3.2 既有地铁2号线衬砌的应力分布

从3.1结论可知，既有隧道变形主要沿拱底纵向发生不均匀沉降，导致纵向曲率发生变化，而横向水平位移主要发生在拱腰处且数值较小可以忽略。因此，既有隧道衬砌应力变化主要考虑轴向应力，对径向应力以及环向应力的影响可以不考虑。图4为左右洞纵向对称面处的纵向应力云图，从图中可看出，随着盾构的推进，左线拱顶受到压应力，拱底受到拉应力，并且沿着盾构的推进，拉压应力数值不断增大至稳定，最大压应力约为-1.21 MPa，最大拉应力约为0.71 MPa，左右洞表现出类似的趋势(C50混凝土容许拉压应力分别为1.89 MPa和23.1 MPa，左右线衬砌因盾构开挖产生的内力均在容许范围内)。

图4 对称面处纵向受力云图(单位：Pa)

并且根据图5内力变化可推断出，管片在该断面处产生纵向弯矩，并且数值随着盾构施工的推进而增大，当盾构结束弯矩达到最大值。如果考虑蠕变影响，该应力值可能会继续增大并最终稳定。

3.3 盾构正面支护力的影响

新建隧道下穿既有线路造成地表沉降大小与掌子面支护力、注浆压力的大小密切相关，为了确定合理的掌子面支护力，分别对4种情况下的掌子面支护力进行盾构模拟，图6为4种不同的正面支护力下周围隧道土体横向沉降数据，在4种不同的支护力情况下，周围土体沉降均产生“U”型沉降槽，当掌子面支护力设置为Pf=1.5P0时，地表最大沉降值最小约为3 mm，但是在开挖过程中由于支护力设置过大，导致土体产生了被动土压力，造成土体隆起，隆起量约为1.5 mm。

图5 既有隧道纵向应力随盾构掘进变化图

图6 地表沉降量与不同支护力的关系

图7为既有地铁左右线纵向沉降数据，当支护力为P=1.5P0时，2号线左洞和右洞纵向沉降达到最小，沉降量几乎相同，约为5 mm，而当支护力为0.2P0时，左线以及右线沉降量均超过了10 mm，可能对既有隧道安全产生了极大影响。

综合考虑地表以及既有线路沉降规律可看出，随着支护力的增加，沉降量得到显著降低，因此盾构正面支护力应设置在1.0P0～1.5P0之间较为合理，在该范围内可以有效降低沉降量，但是若掌子面支护力超过1.5P0，地表隆起量可能会继续增加，对地表构筑物产生不利影响。

图7 既有线路沉降量与不同支护压力的关系

3.4 注浆压力的影响

盾构开挖过程中，地层损失主要是当盾尾管片拼装完成并脱出盾尾后，会与土体之间形成一个环形间隙，为了避免土体产生过大的沉降量，要及时进行背部回填与注浆。而在注浆过程中，注浆压力的设置与最终注浆效果有直接关系，如果压力过小会导致浆液不易注入，而过大会导致地表隆、管片上浮等情况，对盾构施工产生极为不利的影响。

为得到合理的注浆压力范围，根据3.3预先设置盾构支护力为P0。图8为不同注浆压力下的地表沉降数据。

图8 地表沉降量与注浆压力的关系

从图8中可看出，因此随着注浆压力的增加，沉降逐渐减低，变化较为明显；当注浆压力为0.2 MPa时，地表最大沉降发生在新建隧道正上方处，沉降量为6 mm。当注浆压力达到0.8 MPa时，沉降量减小为2 mm，但是在距中线左右10 m的位置，地表发生局部隆起，最大隆起量约为2.3 mm；当注浆压力继续增大至1.6 MPa时，地表主要表现为大部分隆起，并且最大隆起量达到3.5 mm。

4 结 论

(1)对于既有线路变形主要沿隧道纵向为主，纵向最大沉降量发生在新建隧道中线附近；随着支护力的增大，地表以及既有地铁线路纵向沉降均并表现出共同降低的趋势，而当支护力达到1.5P0时，地表会发生少量隆起，因此在土压平衡穿越既有线路过程中，可将支护力设置在1.0P0～1.5P0，在该范围内可确保既有线路以及地表构筑物的安全。

(2)地表最大沉降量基本发生在新建隧道正上方，沉降量随注浆压力的增加变化显著，注浆压力范围可设置在0.2 MPa～0.4 MPa；当注浆压力达到0.8 MPa时，地表发生局部隆起，若继续增大注浆压力至1.6 MPa，地表表现为大规模隆起，并且隆起量达到3.5 mm，若在实际施工中将对地表构筑结构安全产生不利影响。

(3) 本文在数值模拟计算中，未考虑既有线路受土体蠕变的影响，因此在以后的学习和研究中会更进一步对这方面的研究。