崔蓬勃，朱永全，陶祥令，靳 达，丁 謇

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；3.无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214131)

近年来盾构法因具有工艺先进、地层适应性强等优点，成为地铁隧道施工的主流方法。而在实际地铁施工中由于线路周围往往存在既有建(构)筑物，常出现小净距叠交情况。小净距叠交隧道施工影响较为复杂，目前国内外学者从理论分析及数值计算2方面对此问题进行了大量研究。文献[1]根据开挖引起的地层损失提出符合正态分布的地表横向沉降计算公式。文献[2-4]对Peck公式进行了深入研究。文献[5]针对新建隧道近距离下穿既有地铁进行了施工方案优化研究。文献[6]对上海地铁叠交盾构隧道施工过程进行了有限元分析，研究了隧道相对位置及间距对既有结构的影响。文献[7]采用FLAC 3D软件对地铁区间隧道下穿桥群施工进行了计算分析，提出了控制措施。文献[8]通过对叠交隧道的计算分析，发现最大地表沉降值与盾构机开挖面位置有关。

针对小净距盾构隧道穿越施工问题，国内外多针对正交形式开展研究，对斜交形式研究不多。本文以无锡地铁3号线出入段隧道斜交上穿地铁3号线长江路站—机场站区间隧道及既有电力隧道为工程背景，采用三维有限差分软件进行数值模拟，分析不同施工顺序对地表沉降及隧道结构竖向变形的影响。

1 工程概况

无锡地铁3号线出入段隧道起讫里程为CDK0+109.600—CDK1+202.444，于CDK0+462.700处上穿3号线长江路站—机场站区间(以下简称长机区间)右线隧道，隧道外径6.2 m，管片设计为厚0.35 m宽1.2 m 钢筋混凝土结构，叠交段埋深约21.0 m。在这一范围内同时下穿一既有高压电力隧道，叠交区域平面位置关系如图1所示。3号线出入段左、右线隧道与3号线长机区间右线隧道管片的垂直净距分别为1.68 m 和1.99 m。

图1 叠交区域平面位置关系

2 数值模拟

2.1 计算模型和计算参数

采用FLAC 3D 5.0有限差分软件建立计算模型，根据《隧道力学》[9]中关于边界效应的阐述，模型计算边界至隧道中线取3倍洞径以上。模型尺寸取90 m(x方向)×96 m(y方向)×43 m(z方向)，模型顶面为自由边界，其余5个面均施加法向约束。土体、管片、注浆层、盾构机壳均采用八节点实体单元模拟。计算模型及区间隧道与既有结构位置关系如图2所示。计算中土层采用摩尔-库仑本构模型，既有电力隧道结构、管片及盾壳采用弹性模型。根据地勘资料及现行规范[10-11]确定材料的物理力学指标，见表1。

图2 计算模型及隧道与既有结构位置关系

2.2 计算过程及工况

采用动态变刚度法实现盾构开挖过程，盾构机长7.2 m，每次推进1.2 m，管片拼装距开挖面6 m，同步注浆层在管片脱出后激活，向前推进直至贯通。首先施工上方电力隧道并作为既有结构。设计2种工况：工况1，先开挖下部长机区间隧道后开挖上部出入段隧道；工况2，先开挖上部出入段隧道后开挖下部长机区间隧道。

表1 土层及隧道结构物理力学性能指标

2.3 土仓压力设定

对于盾构开挖而言，土仓压力对地层稳定至关重要。其大小与隧道埋深密切相关。TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[10]中深、浅埋隧道分界的临界深度H计算公式为

H=(2.0-2.5)ha

(1)

式中：ha为隧道塌方体平均高度，取0.45×2S-1×ω，S为围岩级别，ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5)，B为隧道宽度，i为B每增减1 m 时围岩压力增减率，i取0.1。

计算得临界埋深为32.26～40.32 m，因此本工程属浅埋隧道。取土仓压力为静止土压力σx。在深度h处土体竖向自重应力σz与静止土压力σx计算公式为

σz=γh

(2)

σx=Kσz=Kγh

(3)

式中：γ为土体重度;K为侧向土压力系数，K=ν/(1-ν)，ν为土体的泊松比。

由式(2)、式(3)计算得长机区间隧道静止土压力为0.18 MPa，出入段隧道静止土压力为0.15 MPa。管片从盾尾脱出后，需对管片与土层的环状间隙进行同步注浆，以控制地层沉降。注浆压力取对应的静止土压力。

2.4 计算结果与分析

2.4.1 地表沉降

沿着x方向布置2个地表沉降监测断面，参见图2(a)。2种工况不同阶段的地表沉降曲线见图3。由图3(a)和图3(b)可知:由于监测断面1处先开挖，断面1处地表沉降比断面2处大，工况1施工过程中3个 阶段监测断面1处最大地表沉降分别为6.12，8.04，9.33 mm，且地表沉降槽中心随开挖的进行会发生移动，总体上随隧道中心线变化。由图3(c)和图3(d)可知：工况2地表沉降规律与工况1类似，3个 阶段监测断面1最大地表沉降分别为6.5，7.9，13.1 mm，最大地表沉降明显大于工况1，工况2最大地表沉降比工况1高出40%。

图3 2种工况不同阶段地表沉降曲线

图4 2种工况隧道结构竖向变形云图(单位：m)

2.4.2 隧道结构竖向变形

2种工况隧道结构竖向变形云图见图4。可知：工况2隧道结构竖向变形比工况1大。工况1隧道结构最大竖向变形为23.0 mm，出现在长机区间右线隧道拱顶处；工况2隧道结构最大竖向变形为33.8 mm，与工况1相比增大47%，出现在长机区间右线隧道拱顶和出入段右线隧道拱顶。2种工况下既有电力隧道变形量均不大，分别为6.8，9.9 mm。规范[12]中隧道结构最大竖向变形允许值为30 mm。工况2隧道结构最大竖向变形已超过允许值12%。

3 现场施工建议措施

根据上述2种工况地表沉降及隧道结构竖向变形计算结果，建议选取工况1作为小净距叠交隧道的合理施工顺序。另外在叠交段施工过程中，应严格控制盾构机掘进速度，并保持盾构土仓压力稳定，严格控制同步注浆量及注浆压力。为避免叠交段隧道结构变形超限，可在叠交段先期施工的长机区间右线隧道内部设置临时钢支撑，防止其出现较大的拱顶沉降，同时应做好监控量测工作，加密监测点并提高监测频率。

4 现场实测数据分析

根据本文建议，隧道采用先下部后上部的施工顺序，于2017年11月27日全部贯通。施工期间叠交段共设70个地表沉降监测点，隧道内共布设5个监测断面。叠交段最大地表沉降7.84 mm，既有电力隧道拱顶最大沉降6.17 mm，长机区间右线隧道拱顶最大沉降16.00 mm，地表沉降与隧道拱顶沉降实测值与工况1数值模拟结果较为吻合，但数值模拟结果偏大，具有一定安全储备。

5 结论

1)土仓压力对软土地层小净距叠交盾构隧道施工影响显著，土仓压力应严格控制。应根据铁路隧道设计规范确定临界埋深。本工程为浅埋隧道，土仓压力设定为静止土压力。

2)工况1地表最大沉降9.33 mm，隧道最大竖向变形23.0 mm;工况2地表最大沉降13.10 mm，隧道结构最大竖向变形33.8 mm。工况2地表沉降及隧道结构竖向变形较工况1分别提高40%和47%。工况2隧道结构最大竖向变形超过规范允许值12%。从控制地表沉降、隧道结构竖向变形来看，建议采用先下后上施工顺序。现场监测结果与模拟计算结果比较吻合。