郭建宁,杨志浩,徐 晨,方 勇

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

盾构斜交下穿既有框架隧道数值模拟分析

郭建宁,杨志浩,徐 晨,方 勇

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

在城市地铁建设中,经常出现新建隧道下穿既有隧道的情况,为研究新建盾构隧道施工对既有公路框架隧道的影响,以宁波地铁1号线世纪大道站—海晏北路站区间隧道斜交下穿浅覆土市政公路框架隧道工程为依托,采用三维有限元数值分析方法,研究盾构隧道在下穿框架隧道3个阶段(盾构到达既有隧道正下方前、穿越既有隧道正下方及穿出既有隧道后)施工过程中盾构机顶进力、壁后注浆压力对于上部框架隧道沉降、侧移及扭转影响的规律,计算结果表明,在盾构到达既有隧道正下方前及穿出既有隧道后,沉降量和扭转幅度在一定范围内随顶进力和注浆压力的增大而增大；盾构下穿既有隧道正下方阶段,沉降量和扭转幅度在一定范围内随顶进力和注浆压力的增大而减小。施工过程中宜随着盾构与既有隧道位置关系的改变,及时调整各项施工技术参数,减小对上部隧道的影响,保证盾构顺利掘进。

地铁；盾构; 框架隧道; 沉降；扭转；顶进力；注浆压力

在城市地铁建设中，经常出现新建隧道下穿既有隧道的情况，新建盾构隧道的掘进不可避免地对既有隧道产生影响。若不能正确的控制盾构掘进施工过程中各种参数，将导致既有运营隧道产生较大不均匀沉降与变形，影响既有隧道的安全运营。

何川等[1]采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段，对地铁盾构隧道重叠下穿施工所引起的上方已建隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行了深入研究。张迪等[2]采用ANSYS大型有限元软件，对铁路框架桥下土体不加固与加固两种工况下，盾构下穿掘进中造成的铁路框架桥的沉降及应力变化进行了分析。汪洋等[3]针对盾构法新建正交下穿隧道，采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段，得到围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道正交下穿施工所引起的既有隧道的变形和附加内力分布变化规律。张海彦等[4]以某新建盾构隧道拟近距离垂直下穿苏州地铁1号线区间隧道为研究对象，采用有限元分析软件对盾构隧道施工过程进行三维弹塑性数值模拟，分析不同间距时新建隧道垂直下穿对既有地铁隧道的影响。张志强等[5]针对南京地铁区间盾构隧道“下穿”玄武湖公路隧道的超近接施工力学行为，进行了三维有限元数值模拟研究。李磊等[6]针对上海地铁新建11号线近距离穿越既有4号线，采用有限元数值模拟和现场监测相结合的方法，考虑既有隧道周围土压力的分布规律，研究了盾构下穿施工时土仓压力和注浆压力以及上穿施工时压重范围和压重量对既有隧道变形的影响。方勇[7]等采用三维有限元方法对正交下穿盾构隧道施工进行模拟，分析新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。胡新朋等[8]针对盾构施工穿越城市内河、下穿既有隧道以及湖底施工、下穿古城墙等工程实例进行分析研究，提出了针对类似情况的应对技术措施。仇文革[9]等对重叠及交错地铁区间隧道，按不同净距分为先上后下及先下后上施工，按平面应变问题模拟围岩、支护结构及开挖过程，对应力场、位移场进行了计算模拟分析。王刚[10]等提出综合利用专家调查、层次分析和模糊评判法对工程进行安全风险的初评和复评，在评估中采用数值模拟针对主要风险源进行量化分析，对潜在风险较大的影响因素根据计算结果，制定相应的安全风险应对措施加以控制。然而，目前相关研究中依然存在以下问题：(1)对于盾构隧道下穿公路框架隧道的研究较少；(2)研究多集中于隧道正交下穿对于上部隧道的影响，而实际中隧道正交下穿的情况较少；(3)对于下穿施工不同阶段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技术参数影响的研究相对较少。

本文针对新建盾构隧道斜交下穿公路框架隧道，以宁波地铁1号线世纪大道站—海晏北路站区间隧道下穿浅覆土市政公路框架隧道工程为依托，采用三维有限元数值分析方法，研究盾构下穿时，上方既有隧道的竖向位移、、水平位移、扭转与盾构所在的位置、盾构机顶进力及注浆压力的关系，找出下穿不同阶段各项施工技术参数变化对于上部隧道沉降及变形影响的规律，并给出相应的建议。

1 工程概况

世纪大道站—海晏北路站左线区间隧道起止里程为：K16+081.289～K16+902.174，全长820.885 m。区间隧道断面为单洞单线圆形隧道，本项目采用预制钢筋混凝土管片，管片外径6 200 mm，内径5 500 mm，宽度1 200 mm，厚度350 mm，混凝土强度等级为C50高强混凝土。上部江澄路隧道设计为双向四车道，截面为长方形，框架结构，采用C30混凝土，顶端上覆土埋深为4 m，两隧道竖向最小净间距为7.2 m。

拟建场地第四系地层发育，为海相富水软土地层，左线K16+380.000处区间地质剖面及新建隧道既有隧道竖向位置关系如图1所示，盾构穿越的地层主要为③1层粉砂地层、③2层粉质黏土夹粉砂地层。

图1 区间地质剖面及新建隧道既有隧道竖向位置关系(单位：m)

江澄路隧道的桩基础与世海左线区间隧道的位置关系如图2所示，盾构隧道与上部江澄路隧道斜交角度约为45°，盾构隧道左线位于江澄路隧道底对应环号：214～233环；江澄路隧道基坑采用“二级放坡”+“垂直开挖”，垂直开挖部分采用SMW工法桩(三轴水泥搅拌桩φ850@600 mm、内插H700×300×13×24型钢)进行支护，在覆土完成后已经拔除回收，基坑中间设置φ800 mm立柱钻孔灌注桩(未处理)，盾构隧道左线范围内共3根，盾构隧道左线位于桩底对应环号：224～226环。

2 计算模型及掘进模拟

2.1 模型建立

采用FLAC3D有限元软件对该工程建立有限元模型。根据地铁设计图纸及地质详勘资料，确定隧道位置关系、距离、地层，根据新建隧道与既有隧道的埋深、交叉区域大小及地层情况，确定模型尺寸：模型沿新建隧道轴向取52 m、竖向取50 m、宽度取48 m。所有边界条件均为位移边界条件，其中模型四周及底面采用垂直约束，上表面为自由边界。建立的有限元模型如图3所示。

图3 模型整体网格图

2.2 计算参数

根据图1所示区间地质剖面，并结合地质详勘报告，将土层概化为7层，计算中采用弹塑性方法得到初始地应力场，各地层基本物理力学参数见表1，钻孔灌注桩采用FLAC3D中pile桩结构单元模拟。

表1 土体基本物理力学参数

管片衬砌与注浆层材料参数如表2所示。

表2 管片及注浆层物理力学参数

2.3 盾构掘进过程模拟

对于盾构施工过程的动态模拟，可以采用改变材参的方法来完成[11]。管片衬砌、注浆层都是预设单元，盾构机推进时，将土层材参改变为盾构机材参，同时沿径向施加注浆压力，综合考虑刀盘面板、土舱压力作用等因素对掘削面的作用，在掘削面施加顶进力，同时在盾构机后方管片上施加顶进反力。盾尾脱出一段距离后，激活管片衬砌单元和注浆层层单元。

掘进模拟过程中选取7组顶进力为基本计算工况，每组计算工况内，保持顶进力不变，改变注浆压力数值，实际计算工况共计49组，详细计算工况如表3所示。

表3 详细计算工况

掘进模拟时，将掘进前的状态设为参考状态( 第0步)，第1步至第5步为下穿前掘进阶段，掘进距离设为3 m/步，在第5步到达上部隧道右侧墙边缘正下方；第6步至14步为下穿掘进阶段，掘进距离设为2 m/步，其中在第10步到达上部隧道正下方，第14步刚出隧道左侧墙边缘；第15步至第20 步为穿越后掘进阶段，设为3 m/步，选取第4、10、15步掘进完成(依次为距离上部隧道右侧墙3 m，位于上部隧道正下方，距离上部隧道左侧墙3 m)重点分析。

2.4 监控点的布置

为了较为全面的监测上部框架隧道的沉降，在上部隧道左侧墙、右侧墙、中隔墙底部与顶部分别布置19个监控点，沿新建盾构隧道轴线两侧各布置9个监控点，两相邻监控点之间距离相等，监控点距离盾构隧道轴线的最大距离为26.57 m，同时选取位于盾构隧道轴线正上方的既有隧道横截面ABCD分析上部隧道横截面变形情况，监控点的具体布置如图4所示。

图4 监控点布置

3 数值模拟结果分析

新建盾构隧道下穿施工对既有隧道影响最大的区域位于空间交叉区域附近[6]，同时为了减小边界效应的影响，选择监测第4、10、15步掘进完成时(依次为距离上部隧道右侧墙3 m，位于上部隧道正下方，距离上部隧道左侧墙3 m)上部既有隧道的不均匀沉降，将掘进过程分为3个阶段(盾构到达既有隧道正下方前、穿越既有隧道正下方及穿出既有隧道后)，分析施工过程中顶进力、注浆压力的变化对于既有隧道的影响。

数值模拟过程中设置了两个参数变量：注浆压力和盾构机顶进力，为了分析某一参数对于试验结果的影响，采取控制变量原则。分析顶进力对于既有隧道的影响时，选取注浆压力为0.3 MPa保持不变，顶进力为8 000 kN(0.233 9 MPa)、9 000 kN(0.263 2 MPa)、10 000 kN(0.292 4 MPa)、11 000 kN(0.321 6 MPa)、1 2000 kN(0.350 9 MPa)、1 3000 kN(0.380 1 MPa)、14 000 kN(0.409 4 MPa)的7组工况；分析注浆压力对于既有隧道的影响时，选取顶进力为12000 kN保持不变，注浆压力为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa的7组工况。进行数据分析时，选取的监控面为既有隧道位于盾构隧道轴线正上方的截面ABCD(如图4)。

3.1 盾构到达既有隧道正下方前上部隧道不均匀沉降与变形

既有隧道位于掘削面前方时，新建隧道引起的地层损失对既有隧道的影响较小，隧道的整体沉降与侧移也较小，图5为盾构掘进至距上部隧道右侧墙3 m时既有隧道横截面ABCD变形图，由图可得，既有隧道将产生不均匀沉降、不均匀侧移和扭转。图6为既有隧道不均匀沉降图，由图可以看出，右侧墙沉降大于左侧墙沉降，左右墙相对沉降说明既有隧道沿盾构掘进方向发生了扭转，究其原因，右侧墙距离掘削面较近，新建隧道引起的地层损失对其影响大于左侧墙。盾构隧道轴线两侧监控点沉降不对称，轴线右侧监控点沉降大于左侧监控点沉降，部分左侧墙甚至发生隆起，说明既有隧道沿自身轴线发生扭转。

图5 盾构掘进至距上部隧道右侧墙3 m时横截面变形(单位：mm)

图6 盾构掘进至距右侧墙3 m时既有隧道不均匀沉降

图7为不同顶进力工况下，上部既有框架隧道最大沉降量变化折线图，由图分析可得，随着掘削面顶进力的增大，既有隧道的沉降总体上呈增大的趋势，同时既有隧道的侧移量与扭转幅度也亦随之增加，顶进力每增加1 000 kN，沉降量约增加0.35 mm，顶进力为14 000 kN时，既有隧道沉降量最大为6.54 mm，左右墙最大沉降差为4.52 mm。

图7 盾构掘进至距右侧墙3 m时顶进力-最大沉降量关系

图8 盾构掘进至距右侧墙3 m时注浆压力-最大沉降量关系

图8为上部既有隧道最大沉降量随注浆压力变化折线图，由图可见，不同注浆压力工况下沉降量差距较小，注浆压力每增加0.05 MPa，沉降量增加约0.08 mm，说明盾构掘进至距右侧墙3 m时，注浆压力对于上部隧道的影响较小，随着注浆压力的增大，上部隧道不均匀沉降呈增大的趋势，但增加的幅度较小，上部隧道的侧移与扭转亦呈增大的趋势。

3.2 盾构下穿既有隧道正下方阶段上部隧道不均匀沉降与变形

图9为盾构掘进至上部隧道正下方时既有隧道横截面ABCD变形图，图10为盾构掘进至上部隧道正下方时既有隧道不均匀沉降图，由图分析可得，当盾构机掘进至既有隧道正下方时，既有隧道不均匀沉降、不均匀侧移均显著增大，且上部隧道沿盾构隧道轴线与既有隧道轴线两个方向的扭转幅度较盾构到达正下方前增大。

图9 盾构掘进至上部隧道正下方时横截面变形(单位：mm)

图10 盾构掘进至上部隧道正下方时既有隧道不均匀沉降

图11 盾构到达既有隧道正下方时顶进力-最大沉降量关系

图11为上部既有框架隧道最大沉降量随顶进力变化折线图，随着掘削面顶进力的增加，既有隧道的最大沉降量呈减小的趋势，究其原因，顶进力过小，无法平衡掘削面水土压力，致使沉降增大，增大顶进力使沉降逐渐减小。顶进力为8 000 kN时既有隧道最大沉降为17.87 mm，左右墙最大沉降差为8.92 mm。顶进力为14 000 kN时，沉降量相对较小，各监测点的最大沉降为15. 98 mm。

图12为上部既有隧道最大沉降量随注浆压力变化折线图，由图可见，随着注浆压力的增大，既有隧道最大沉降量呈先减小趋势，因为土体压力一定时，注浆压力越大，则注浆体的变形越小，提高注浆压力可有效减小既有隧道沉降。

图12 盾构位于既有隧道正下方时注浆压力-最大沉降量关系

3.3 盾构穿出既有隧道后上部隧道不均匀沉降与变形

当盾构穿出上部隧道一段距离后，既有隧道的总体沉降量进一步增加并逐渐趋于稳定，图13与图14为盾构穿出上部隧道后既有隧道横截面变形图与不均匀沉降图，由图分析可得，左侧墙与右侧墙沉降差明显减小，随着掘削面的远离，既有隧道的扭转效应逐渐消失，且出现了明显的沉降槽，上部框架隧道位于盾构隧道正上方的位置沉降最大，向两侧逐渐减小。

图13 盾构穿出上部隧道后既有隧道横截面变形(单位：mm)

图14 盾构穿出上部隧道后既有隧道不均匀沉降

图15为上部既有框架隧道最大沉降量随顶进力变化折线图，由图可见，既有隧道最大沉降量随掘削面顶进力的增加而增加，不同顶进力工况下沉降量差距较小，说明下穿过程中顶进力的影响相对较小，顶进力每增加1 000 kN，沉降量增加约0.25 mm，顶进力为14 000 kN时，既有隧道沉降量最大为20.88 mm，左右墙最大沉降差为1.95 mm。

图15 盾构穿出既有隧道后顶进力-最大沉降量关系

由图16分析可得，不同注浆压力工况下沉降量差距较小，说明盾构机穿出上部隧道后，注浆压力对于上部隧道的影响较小。在一定的范围内，上部隧道不均匀沉降随着注浆压力的增加呈减小的趋势，但当注浆压力超过一定的限度，过大的注浆压力反而会增加既有隧道的沉降。盾构穿出既有隧道后宜减小注浆压力。

图16 盾构穿出既有隧道后注浆压力-最大沉降量关系

4 结论及建议

通过三维有限元分析，对盾构掘进对上部框架隧道的影响进行研究，可得到如下结论与建议。

(1)盾构隧道斜交下穿施工时，既有隧道将会发生不均匀沉降，同时沿着盾构推进方向和自身轴线方向发生不均匀扭转。沉降和扭转的最大值发生在新建隧道的正上方。其中，最大沉降发生在盾构机通过既有隧道下方后，最大扭转发生于掘削面位于既有隧道正下方时。

(2)盾构到达既有隧道正下方之前，既有隧道整体沉降量较小，既有隧道沿盾构掘进方向与自身轴线发生扭转，此时顶进力的影响较大，不均匀沉降与扭转随顶进力增大而增大，注浆压力的影响则相对较小，不均匀沉降和扭转随注浆压力的增大而增大。

(3)盾构下穿既有隧道正下方阶段，既有隧道不均匀沉降与扭转幅度进一步增加，随着掘削面顶进力的增加，既有隧道的最大沉降量呈减小的趋势；注浆压力的影响相对较大，在一定的范围内，上部隧道不均匀沉降随着注浆压力的增加呈减小的趋势，但过大的注浆压力不利于减小沉降。

(4)当盾构穿出上部隧道一段距离后，既有隧道的总体沉降量进一步增加并逐渐趋于稳定，同时扭转效应逐渐消失，此时顶进力与注浆压力的影响均较小，沉降随顶进力增大而增大，一定范围内随注浆压力的增大而减小。

(5)盾构斜交下穿既有框架隧道，为防止上部隧道产生较大沉降及变形，需随着盾构与既有隧道位置关系的改变，及时调整各项施工技术参数，根据数值模拟结果分析，并结合实际施工中盾构掘进参数选取经验，给出建议如下：盾构未到达既有隧道正下方前，适宜的顶进力为10 000～11 000 kN，注浆压力宜选取0.2～0.3 MPa；盾构掘进至既有隧道正下方时，应适当增加顶进力与注浆压力，建议采用12 000～13 000 kN顶进力，0.3～0.35 MPa注浆压力。盾构穿出既有隧道后，顶进力与注浆压力应适当减小，建议选用的顶进力为11 000～12 000 kN，注浆压力值为0.25～0.3 MPa.

[1]何川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响[J].土木工程学报，2008(3):91-98.

[2]张迪，周庆九，卓旭阳，姚捷.大型盾构隧道穿越铁路框架桥的影响分析[J].现代隧道技术，2013(6):131-138.

[3]汪洋，何川，曾东洋，苏宗贤.盾构隧道正交下穿施工对既有隧道影响的模型试验与数值模拟[J].铁道学报，2010(2):79-85.

[4]张海彦，何平，秦东平，李璐.新建盾构隧道垂直下穿对既有隧道的影响[J].中国铁道科学，2013(2):66-70.

[5]张志强，何川.南京地铁区间盾构隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的关键技术研究[J].岩土力学，2005(11):20-25.

[6]李磊，张孟喜，吴惠明，王永佳. 近距离多线叠交盾构施工对既有隧道变形的影响研究[J]. 岩土工程学报，2014(6):1036-1043.

[7]方勇，何川. 盾构法修建正交下穿地铁隧道对上覆隧道的影响分析[J].铁道学报，2007(2):83-88.

[8]胡新朋，孙谋，王俊兰.盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术[J]. 现代隧道技术，2006(6):60-65.

[9]仇文革，张志强. 深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析[J]. 铁道标准设计，2000(S1):41-42.

[10]王刚，李俊松，张兴刚.地铁区间暗挖隧道下穿既有铁路站场安全风险管理研究[J].铁道标准设计，2014(9):93-98.

[11]方勇，何川. 平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析[J].岩土力学，2007(7):1402-1406.

Numerical Simulation of Oblique Subway Shield Tunneling Undercrossing Existing Frame Tunnel

GUO Jian-ning, YANG Zhi-hao, XU Chen, FANG Yong

(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

New shield tunnels are often undercrossing existing tunnels. To study the influence of new shield tunnel construction on existing frame tunnel with reference to Ningbo Metro Line 1 Century Avenue Station-Haiyan North Road Station tunnel undercrossing shallow municipal highway tunnel, this paper applies three-dimensional finite element numerical analysis to study the effects of jacking force, grouting pressure on the upper frame tunnel settlement, lateral displacement and torsion in three undercrossing stages (to reach the existing tunnel, to pass through the existing tunnel and to come out of the existing tunnel). The results show that: both before and after the shield piercing below the existing tunnel, the magnitude of settlement and the reverse within a certain range increases with the increase in jacking force and grouting pressure; when shield just piercing below the existing tunnel, the magnitude of settlement and reverse within a certain range decreases with the increase in jacking force and grouting pressure. Thus, it is recommended to timely adjust the technical parameters of shield with the change of shield positional relationship with the existing tunnel, and to reduce the impact on the upper tunnel for a smooth shield construction.

Subway; Shield; Frame tunnel; Settlement; Torsion; Jacking force; Grouting pressure

2014-11-08；

2014-12-12

国家自然科学基金(51278422)；国家科技支撑计划课题(2012BAG05B03)；四川省青年科技基金(2012JQ0021)；中央高校基本科研业务费专项资金( SWJTU11ZT33)

方 勇(1981—)，男，副教授，博士，主要从事隧道及地下工程方面的研究，E-mail：fy980220@swjtu.cn。

1004-2954(2015)08-0112-06

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.024