李海兵

摘 要：盾构下穿越已建隧道既存在着隧道结构所附加的内力压力也存在着沉降的情况，能够直接决定已建隧道的运营是否正常。本文对新隧道开挖对已建隧道的干扰效应进行研究，以模拟地铁盾构下穿越工程作为案例，采用三维建模对新建隧道的开挖进行模型构建，对已建隧道结构的内力和沉降变化进行计算。分析结果可得，新隧道的施工会造成已建隧道的不均匀下沉，为避免超出规范的标准，应当对已建隧道进行加固处理。已有隧道的最终沉降值会随着盾构的推力、新建隧道覆土的厚度以及两线距离所影响，在开挖的过程中加大盾构的推力极容易引起已有隧道变形。

關键词：盾构下穿越;隧道沉降;影响研究

中图分类号：U455.43 文献标识码：A

0 引言

我国的城市建设正在与国际接轨，城市轨道交通的建设逐渐完善，地铁线路的覆盖率加大，施工对周边环境的影响被各参建方所重视。随着地铁入线网加密的不断完善，新建线路的规划受到了极大的制约，盾构在复杂的施工环境中会对已有的结构造成较大的影响，无法确保已有隧道的功能性和安全性，严重者甚至会造成更大的安全事故和经济损失。近几年我国在盾构法施工方面就如何控制隧道开挖过程中降低对已有线路的稳定性影响问题进行了深入研究，采用解析Peck公式对盾构施工对周围地下环境土体的位移进行解析和计算。

1 工程概况

地铁B线某区间的隧道施工中，上下行隧道在SDK18+041处发生穿越。地铁A线为已建隧道，每日客流量超过百万人次，本次模拟工程隧道施工需要穿越运营期间的地铁A线。新建的上下行隧道与地铁A线的隧道间距较小，结构的净距不超过1.5 m;两条隧道需要进行先后出洞的施工，上行线的出洞穿越施工实践在下行线隧道完成后的2个月之后。上行线的盾构挖掘对土体有二次影响;下行线的盾构出洞推进15 m后与已建隧道相交，进而下穿。开挖面的稳定性因工作面压力的推进确定未通过而具有较大的难度。下行线可以正常推进后再进行上行线推进，隧道下行线距离进站洞口距离不超过20 m;地铁A线隧道所在的土层土质构成主要为淤泥质粘土层，本次工程隧道的土层结构主要为灰色粘土层。这两种土层性能都属于高压缩的类型，地基不具备较高的承载能力，沉降可能性较大，需要的稳定时间较长。

2 数值模拟

因隧道开挖对周围环境的影响具备了三维特征，不建议采用二维有限元法来进行三维空间效应模拟。通过三维模拟对盾构隧道的开挖进行模拟能够更好地考虑到土体的模型构建、开挖面的支护压力以及盾构的推力等，比二维模拟更加全面和更加精准。因此采用三维有限元分析软件对地铁B线盾构隧道下穿越地铁A线运营隧道的施工进行模拟，并对地铁A线的沉降变形规律进行分析。

2.1 计算模型及边界条件

计算模型中的假定设置：

（1）假设地表面的各个土层都呈现均匀的水平层分布;（2）计算过程中需要考虑的衬砌管片之间的横向连接和各个管片环之间的纵向连接能够对衬砌结构刚度起到整体折减的作用;（3）盾构的每一次推进的步长设置为5 m

～6 m;（4）对盾壳自身与土体之间存在的挤压和剪切作用不予考虑;（5）对施工中产生影响范围内的土体力学参数是否发生改变不予考虑。土体的材料按照理想的弹塑性介质来设置，选取8个结点的实体单元进行模拟。由于管片的材料刚度比较大，因此选取弹性壳体进行单元模拟。为提升计算的效率，对模型的单元网格划分方面进行了一定的简化，将远离隧道的土体单元设定为较大，两个隧道的交汇处单元划分设置较密，计算的模型长宽高分别为：56.5 m、56.5 m、38.75 m（D：5.2 m，H：12.0 m）采用齐次边界条件进行分析，除了上表面是自有面以外，其他的4个侧面以及底部都采用施加法向。

2.2 计算工况设计

为了能够对盾构动态掘进的过程进行更加细致的模拟，整个B线的开挖施工共分为24个工况推进。上下线的开挖各分为20个工况，再分别各自进行10次进尺的开挖。其中：工况1主要对初始地的应力场进行模拟;工况2为A线的全场开挖模拟和对其初始地应力场进行模拟，得到B线未进行开挖前的土体以及A线的原始应力场数据;工况3-14为下行线的开挖进尺、衬砌拼装、盾尾同步注浆以及模拟开挖面压力。其中盾构的切口分别方向坐标为-5 m、-11 m、-16.5 m、-21.5 m、-26.5 m、-31.5 m、-36.5 m、-36.5 m、-41.5 m、-47.5 m、-56.5 m;工况14-24为上行线的进尺开挖施工，工况与上述相同。

2.3 分析模拟结果

虽然盾构在2进尺时开挖12 m推进时仍然处于原状状态，但能够感受到隔离桩的屏蔽，B线隧道的方向位移被隔离桩所限制，方向变形的影响范围减小，变形值降低，周围的土体竖向位移控制在1.01 mm～6.04 mm左右。由此可以得出，出洞区的围护桩的距离与加固程度对上下行线推进的存在着良好的影响作用。在3进尺进行推进的16.5 m后，盾构穿越开挖对隔离桩区的前方土体立刻产生了影响。工程现阶段已经达到了A线的下行线边缘，能够明显看出A线下行线下方的土体产生了1.1 mm～5.1 mm的隆起变形。因土仓压力造成影响，切口在到达前就出现逐渐的隆起变形，当盾构投进到3进尺16.5 m时就达到了隆起变形最大值。

3 信息化监测

施工效果通过监测最为直观地反映出来，监测工作方面采用信息化能够更为精准地实时反映施工数据，能够在盾构穿越过程中对周围已建隧道的干扰程度进行深入分析，以此为基础对现有的盾构施工方案相关参数进行修改和优化，确保已经运营隧道的安全性。盾构穿越施工前，对地铁A线的隧道穿越影响进行分析，采用电子水平尺自动监测系统能够更加有效地对施工情况进行实时监控，及时回传数据，通过电缆连接将监测的数据回传到监控室内，工程师和施工人员能够对施工过程进行精确的实时监测。A线运行隧道内通过设置自动差异沉降监测点来对差异沉降进行实时跟踪监测，通常监测范围的设置在轴线两侧的各50 m左右，监测点的间距设置为2 m。上下行的隧道也需要安装静力水准测量传感器，即电子平尺。通过计算机辅助技术来对隧道的盾构下穿越施工过程进行实时监控。

4 计算结果与实测结果的对比

通过对比三维数值模拟仿真数据和实时监测的数据，能够对数值模拟数据的精准度进行验证。结合实时监测的数据来对模拟计算参数进行修正和完善，这样能够有效分析和预测出下一步开挖施工造成的隧道隆沉变形存在着哪些规律，更加便于施工过程中采取应对措施，预防和控制已建隧道出现变形情况。三维数值的模拟结果与盾构通过前的数值基本上吻合，但在盾构通过后出现较大的差异，计算沉降数值比实际监测的沉降数值更大。这种情况的出现是因为计算软件存在着局限性，无法对盾构推进时的盾壳摩擦阻力进行模拟，在进行A线最大隆起值的计算时没有处于盾构切口到达的时间点。

5 盾构施工控制及隧道保护

5.1 补强注浆

盾构在通过后需要在B线的施工期间进行惰性浆液的加注，对多次扰动的土体进行加固。在进行施工时，地铁A线处于运行的状态，土体中的多种成分也会导致土体稳定性下降，这些情况都会导致隧道的变形甚至是破坏。已建隧道的沉降会对隧道造成不可逆的不良影响，甚至还会导致安全事故的发生。因此需要在盾构通过后对这一区域进行加强注浆补压处理，采用快速有效的注浆方法让土体在最短时间内具有强度并且整合为一个整体，这样能够对地铁A线的隧道起到支撑的作用，有效控制长期沉降。具体做法为在B线隧道的内拱顶范围进行压注水泥水玻璃浆液，加固的深度应当不低于1.5 m。另外，为了预防B线隧道出现位移的情况，在基底和拱顶都需要同时注浆，对隧道的下半部分也应当进行反压注浆。

5.2 加固出洞口

盾构的出洞区存在应力释放情况，没办法确保足够的围压来进行同步注浆施工，土体很容易出现变形的情况。如果盾构出洞的时候出现涌沙和涌水的情况也会导致地面出现沉降并且存在土体流失的情况，极容易导致地铁A线隧道出现运行轨道位移和差异沉降等情况，严重时还会导致安全事故的发生。因此需要在出洞口进行加固，加固区的厚度不能低于3 m。对出洞和穿越施工中造成的影响进行综合考虑和分析后，对本次模拟工程的出洞口加固体厚度设置为6 m，采用满膛加固能够更加进一步确保穿越以及出洞的安全性。加固的土体无侧限抗压强度设置为0.5 MPa～0.8 MPa，渗透系数低于1×10-8 cm/s，桩的深度为26.5 m，出洞加固区与地墙之间的空隙采用高压旋喷桩进行加固处理。通过数值模拟能够得出采用围护加固和隔离的方法能够有效降低上下行线推进对A线的影响。在出洞加固体的外沿，即贴近地铁A线的方向采用1 450 mm的三轴深层搅拌桩进行隔断，强度在加固后28天能够达到1.2 MPa。穿越区的地面与地铁A线的两侧设置204根17.3 m的垂直注浆管，注浆管的水平线距离地铁A线隧道不低于1 m，在施工的过程中应当对数据进行实时监测，对注浆施工进行跟踪，随时进行修正和调整。

6 结束语

本次模拟施工中，采用了三维数值模拟进行模型构建，对穿越施工中的已建隧道沉降變形进行了规律的预测，有效地为施工方案的设计确定以及已建隧道的保护提供了具有理论依据的参考数据。对出洞口进行加固能够有效降低盾构穿越和出洞时对已建隧道造成进一步的沉降影响，盾构在通过已建隧道时可以采用及时注浆加固的方法来对已建隧道进行长期固结，有效控制沉降情况的发生。

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