DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.020

软土盾构隧道近距离穿越既有地铁影响数值分析

丁智¹，吴云双¹，张霄¹，陈凯^{2, 3}

(1. 浙江大学城市学院 土木工程系，浙江 杭州，310015；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

3. 浙江交通职业技术学院，浙江 杭州，311112)

摘要：为了研究新建盾构隧道施工对既有地铁的影响，采用数值分析方法，针对软土地质分别改变两隧道净距与角度进行计算，从而得到不同工况下既有地铁变形和衬砌内力变化规律及近接分区范围。研究结果表明：两隧道净距与角度不同，既有地铁变形与衬砌内力变化不同，上穿施工较下穿施工更加危险，斜穿施工引起既有地铁变形和衬砌内力发生偏转；得到软土地区近接分区影响范围，当近接区段位于强影响区时需对既有地铁进行加固，进一步将分区研究成果应用于杭州地铁4号线穿越1号线实际工程，实测数据表明分区研究成果较为合理。

关键词：盾构隧道；隧道变形；衬砌内力；近接分区

中图分类号：U459；TB115        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)03-0663-09

Numerical analysis of influence of shield tunnel in soft soil passing over existing nearby subway

DING Zhi¹, WU Yunshuang¹, ZHANG Xiao¹, CHEN Kai^{2, 3}

(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China;

2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China)

Abstract: In order to study the influence of new shield tunnel’s construction on the existing subway, the changes of the two tunnels’ clearance distance and angle respectively in soft soil were calculated by the numerical analysis method, and then the variation of existing subway deformation, internal force of lining and the range of adjacent partition are gained. The results show that when two tunnels’ clearance distance and angle are different, the change of existing subway deformation and internal force of lining are also different; the overlapped construction is more dangerous than undercrossing construction; slanted-passing construction causes the deflection of the existing subway deformation and internal force of lining. And the influencing range of adjacent partition in the soft soil is given. When close-spaced subarea is located in the strongly influencing zone, it is necessary to reinforce the existing subway. And the research of adjacent partition is applied to the practical project of Hangzhou Subway Line 4 crossed Line 1. The measured data show that the research result is comparatively reasonable.

Key words: shield tunnel; deformation of tunnels; Tunnel lining internal force; adjacent partition

近年来，随着轨道交通的不断发展，不可避免得会出现新建盾构隧道近距离穿越既有地铁的情况。尤其在软土地区，新建盾构隧道施工将扰动周围土层，进而危及既有地铁的结构安全^[1-4]。如上海地铁7号线近距离穿越1号线时经注浆加固后1号线仍有超过5 mm的沉降。为了保证新建盾构隧道施工的顺利进行和既有地铁的安全，有必要对盾构穿越可能引发的既有地铁变形及内力变化开展精细化分析。针对上述问题，国内外学者展开了相关研究^[5-12]。丁传松等^[5]根据现场实测数据，对盾构上穿和下穿时既有地铁的变形特点进行了分析，证明了盾构上穿会造成下部隧道隆起，且隆起变形呈抛物线，二次穿越中隧道变形具有叠合效应。徐前卫等^[6]利用有限元方法进行数值计算，分析了盾构推进而引起的土层扰动规律和既有地铁变形影响；刘树佳等^[7]依托上海地铁11号线上穿4号线工程，建立有限元模型研究在不同净距、不同土仓压力、不同注浆量下新建隧道上穿既有地铁管片变形的影响，结果表明净距影响最大，并进一步提出了多线叠交隧道施工系数的概念；方勇等^[8-9]采用有限元软件ANSYS研究修建平行隧道和下穿隧道时，分析了既有地铁变形和衬砌内力变化规律，发现平行施工对既有隧道产生“侧向加载”效应；廖少明等^[10]利用数值计算，对不同穿越次序引起的既有地铁变形及地层扰动影响进行比较分析；房名等^[11]研究了施工参数和穿越角度对既有地铁沉降的影响，得出了隧道变形以纵向沉降为主且为正态分布的结论。上述研究主要针对既有地铁变形和土层扰动规律，未考虑不同工况下新建盾构隧道开挖对既有地铁衬砌内力变化的影响，亦未考虑软土地区盾构施工对邻近任意位置隧道的影响范围，即无软土地区近接分区影响的研究。为此，本文作者采用有限元模拟的方法，研究新建盾构隧道近接施工对既有地铁变形和衬砌内力的影响，并提出软土地区近接分区影响范围。

1  盾构隧道施工数值模型验证

1.1  模型及参数建立

依托杭州地铁1号线施工实例^[13]，采用Plaxis有限元软件对盾构施工及参数选取进行模拟验证。模型水平方向取60 m，竖直方向取40 m，地下水位线位于-4.0 m处。隧道外径为6.2 m，埋深为19.0 m，衬砌厚度为0.35 m。

土体本构模型采用硬化模型(HS模型)，因为HS模型能同时反应土体压缩与剪切变化，更符合软土特性^[14]。土体损失率为1.25%。地层剖面如图1所示，各土层物理力学参数见表1。

图1  地层剖面图

Fig. 1  Cross-section of soil

表1  土体分层及物理力学参数

Table 1  Soil strata and physical and mechanical properties

衬砌管片采用板单元模拟，衬砌管片是由螺栓连接的整体结构，刚度折减系数取0.8^[15]。衬砌注浆压力起始深度为19 m，初始压力为170 kN/m²，递增压力为20 kN/m²。衬砌物理力学参数见表2。模型网格划分如图2所示。

表2  衬砌物理力学参数

Table 2  Physics and mechanics parameters of lining

图2  整体单元网格划分图

Fig. 2  Finite element model of soil

1.2  模型验证

为了验证盾构掘进数值模型参数的可靠性，本文选取G2(K29+970)监测点的地表沉降实测数据与该区段数值模拟结果进行对比，监测点分布如图3所示，实测与数值模拟对比结果如图4所示。从图4可以看出：本文模型的计算结果与实测结果较为吻合，表明本文模型参数选取较为合理。

图3  监测点分布图

Fig. 3 Location of monitoring points

图4  模型计算结果与现场实测值对比

Fig. 4  Comparison of calculation results and measurement results

2  新建盾构隧道近距离穿越既有地铁数值模拟

2.1  模型建立

既有地铁隧道与新建盾构隧道相对位置如图5所示，研究两隧道中心连线与水平线夹角分别为90°，45°，0°，-45°，-90°时不同净距的影响(文中以逆时针为正，顺时针为负)。利用有限元软件Plaxis进行计算，两隧道外径均为6.2 m，衬砌厚度均为0.35 m，土体的本构模型仍为硬化模型(HS模型)。根据两隧道相对位置关系的不同，共计算29种工况以探究软土地区盾构隧道近接施工影响及分区范围。土体物理力学参数与表1中淤泥质黏土相同，衬砌参数见表2，计算工况见表3。

图5  两隧道位置分布示意图

Fig. 5  Distribution of two tunnels locations

表3  计算工况

Table 3  Calculation cases

2.2  不同工况下既有地铁变形研究

为对比新建盾构隧道在不同位置处施工引起既有地铁变形的规律，将各种工况下隧道变形示意图绘制在同一图中(隧道变形放大200倍)，如图6所示。实线圆表示既有地铁变形前形状，虚线椭圆表示既有地铁变形后形状。

图6  不同工况隧道变形图

Fig. 6  Deformation of tunnels on different cases

从图6可以看出：既有地铁最大位移和变形均在隧道净距为0.25D时达到。随着两隧道净距的增大，既有地铁变形逐渐减小。当隧道净距达到1.5D时，隧道几乎不发生形状改变，仅仅在整体位移上有变化；由于两隧道穿越角度的不同，隧道偏离原有位置方向有所差异。竖直方向上(夹角为90°与-90°)，在卸荷作用和土体损失共同作用下，垂直上穿(夹角为90°)施工将引起既有隧道上浮，而垂直下穿(夹角为-90°)施工将引起既有隧道下沉，既有隧道呈“竖鸭蛋”形状。当两隧道净距分别为0.25D，0.5D，1.0D，1.5D时，90°工况既有隧道最大变形量约为-90°工况的121.2%，116.4%，120.3%，119.4%。可知垂直上穿工况较垂直下穿工况对既有隧道的影响更大。对于夹角为45°，-45°这2种工况，由于新建隧道开挖的影响，隧道在竖向均产生位移，并且自身产生椭圆状相对变形以及一定程度的旋转。在0°工况下，随着新建盾构隧道的掘进，既有隧道两侧拱腰偏离新建隧道，拱底略有下沉。就最大变形量而言，已建隧道最大变形量发生在靠近新建隧道的拱腰处，这与何川等^[16]通过室内模型试验得到的研究结果较为类似。

2.3  不同工况下既有地铁衬砌内力分析

为探究不同工况下新建盾构隧道近接施工对既有地铁衬砌内力的影响，采用极坐标图绘制不同工况下衬砌内力变化情况示意图(弯矩M按比例缩小140倍，轴力N缩小220倍)，见图7和图8。为比较新建盾构隧道施工前后既有隧道衬砌内力的变化情况，在每张图中均加入新建盾构隧道开挖前既有地铁隧道的衬砌内力图(图中以单个隧道表示)。

从图7和图8可以看出：新建盾构隧道在竖直方向开挖，由于卸荷作用，既有地铁隧道的竖向压力向两侧土体扩散而减小，从而使既有地铁隧道弯矩相比新建盾构隧道施工前有所减小。其中衬砌左右两侧弯矩显著减小，上下顶点弯矩略有减小。

图7  90°各工况衬砌内力图

Fig. 7  Tunnel lining internal force on 90° cases

图8  -90°各工况衬砌内力图

Fig. 8  Tunnel lining internal force on -90° case

同样由于卸荷作用，在90°工况中既有隧道衬砌轴力较新建盾构隧道开挖前有所减小，其中拱顶与拱底轴力显著减小，两拱腰处变化不大，当两隧道净距为0.25D时，既有隧道衬砌轴力为新建盾构隧道开挖前衬砌轴力的16.7%。由图8(b)可得：在夹角为-90°工况下，隧道衬砌轴力变化与夹角为90°工况时的相反，衬砌轴力较新建盾构隧道开挖前反而增大，这是由于随着埋深的增加，土的自重应力增大，并在较大的注浆压力作用下抵消了卸荷作用。这与NGOC-ANH^[17]的研究结论相符。

从图9和图10可以看出：对于盾构隧道斜穿工况而言，由于新建盾构隧道开挖引起的“卸荷”作用使既有隧道衬砌内力减小，而同时引起的“偏压”作用使既有隧道衬砌内力增大，故当新建隧道开挖完成后，既有隧道衬砌内力变化较小。模拟结果表明：当两隧道净距分别为0.25D，0.5D和1.0D时，夹角为45°工况弯矩变化仅为夹角为90°工况的14.4%，12.2%和9.0%，夹角为45°工况轴力仅为夹角为90°工况的17.0%，20.4%和15.2%。但值得注意的是，在夹角为-45°工况中，衬砌弯矩变化十分明显，这是由于新建盾构隧道斜下穿开挖引起的卸荷作用远大于偏压作用，使既有隧道衬砌弯矩减小。但随着两隧道净距的增大，新建盾构隧道开挖引起的偏压作用大于卸荷作用，既有隧道衬砌弯矩增大。随着盾构隧道净距的继续增大(达到1.0D时)，新建隧道开挖对既有隧道影响逐渐减弱，既有隧道衬砌弯矩逐渐减小。同时，从图9和图10可以看出：斜穿施工使既有隧道衬砌弯矩与轴力出现偏转，夹角为45°工况下衬砌弯矩发生顺时针偏转，夹角为-45°工况下，衬砌弯矩发生逆时针偏转。随着隧道净距的减小，衬砌弯矩的非对称性更加显著。后多次改变新建隧道斜穿角度，建立数值模型分析其结果，可以认为：新建隧道斜上穿(夹角为45°工况)施工使既有隧道内力出现顺时针偏转，斜下穿(夹角为-45°工况)施工使既有隧道衬砌和轴力出现逆时针偏转。

夹角为0°时各工况衬砌内力如图11所示。由图11可见：平行盾构隧道施工将引起既有隧道产生一定的附加弯矩和轴力，轴力附加量略大于弯矩附加量，当两隧道净距分别为0.25D，0.5D，1.0D和2.0D时，轴力附加量约为弯矩的125.0%，121.3%，112.4%和107.6%。同时随着净距的增大，既有隧道附加内力更加趋于平缓。

2.4  近接分区影响

由于硬化土本构模型(HS模型)的特点，选用以下加载面方程对盾构隧道近接分区进行划分^[14]：

  (1)

            (2)

   (3)

式中：F为加载面：为罗德角，，；c为黏聚力；为内摩擦角；p为

平均应力；为第一主应力，为第二主应力，为第三主应力；q为等效应力。

图9  45°各工况衬砌内力图

Fig. 9  Tunnel lining internal force on 45° case

图10  -45°各工况衬砌内力图

Fig. 10  Tunnel lining internal force on -45° case

图11  0°各工况衬砌内力图

Fig. 11  Tunnel lining internal force on 0° case

在新建盾构隧道开挖前，将29种工况中的土体主应力代入式(1)中计算加载面F，记为。在新建隧道开挖完成后，根据上述破坏准则，再将土体主应力代入式(1)中，计算加载面F，记为。当≥0表示土体发生屈服，则软土地区盾构隧道近接分区按如下规则进行划分：当≥0时为强影响区，＜＜0时为弱影响区，≤时为无影响区。各工况划分结果如表4所示。

表4  各工况近接影响分区

Table 4  partition table of each case

由表4绘出软土地区盾构隧道近距离穿越近接分区影响范围如图12所示，图中间实线圆表示既有隧道轮廓，虚线圆表示新建盾构隧道轮廓，既有隧道轮廓与实线之间为强影响区域，实线与虚线之间为弱影响区域，虚线之外表示无影响区域。由图12可知：新建盾构隧道上穿施工对既有隧道的影响最大，这与张晓清等^[18]的研究成果较为一致。因此当既有地铁影响保护要求较高时，优先采用下穿形式。

图12  盾构隧道近接分区图

Fig. 12  Adjacent partition map of shield tunnel

3  近接分区应用

3.1  工程概况

由上述近接分区研究成果，在杭州地铁4号线盾构隧道下穿运营隧道1号线上实际案例进行近接分区划分应用。

杭州地铁4号线从官河站修建，期间4号线下穿正在运营的1号线并到达终点站杭州火车东站。官~火区间与已运营的1号线在里程K21+092.343相交，两隧道最小净距2.12 m，4号线以23°下穿已建地铁1号线，其中1号线埋深19 m，其主要穿越土层同表1。图13所示为杭州地铁4号线盾构隧道下穿运营隧道1号线的平面示意图。

图13  杭州地铁1号线与4号线平面示意图

Fig. 13  Plan sketch of Line 1 and Line 4, Hangzhou subway

3.2  成果应用

以两隧道最小净距2.12 m的最危险工况进行分析，应用分区成果如图14所示，表明该区段位于强影响区域内。因而须对该区段既有隧道进行加固，选用20 mm钢板及16b槽钢进行管片的环、纵向加固，加固后隧道如图15所示。经钢环加固后，实测数据表明既有地铁受施工影响较小，正下方穿越时隧道结构竖向沉降仅为1.67 mm，加固措施取得良好效果。同时，亦可以认为本文近接分区划分较为合理。

图14  最危险工况影响分区图

Fig. 14  Adjacent partition map of the most dangerous case

图15  隧道加固效果图

Fig. 15  After tunnel reinforcement

4  结论

1) 盾构近距离穿越既有地铁时，两隧道之间的相对位置对既有地铁影响较大。随着两隧道净距增大，变形逐渐减小；由于两隧道穿越角度的不同，不同工况下既有地铁偏移方向有所差异。在卸荷作用及地层损失共同作用下，新建盾构隧道上穿对既有地铁变形较下穿更大。夹角为90°工况下施工引起既有地铁衬砌弯矩减小，轴力减小。夹角为-90°工况下施工引起既有地铁弯矩减小，轴力增大。

2) 夹角为45°工况下与夹角为-45°工况下施工对既有地铁轴力影响较小，但夹角为-45°工况下施工对既有地铁弯矩影响更大。新建隧道夹角为45°工况下施工引起既有地铁衬砌弯矩发生顺时针偏转，夹角为-45°工况下施工引起既有地铁衬砌弯矩发生逆时针偏转。平行施工引起轴力附加量略大于弯矩附加量。

3) 当≤时为无影响区，当＜＜0时为弱影响区，当≥0时为强影响区。将近接分区应用研究成果应用于杭州地铁4号线23°下穿1号线工程中，保证了穿越工程的顺利进行。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2017-04-13；修回日期：2017-06-06

基金项目(Foundation item)：浙江省自然科学基金资助项目(LQ16E080008)；国家自然科学基金资助项目(51508506)；浙江省重点研发计划项目(2017C03020)；杭州市科技计划项目(20160533B94，20172016A06) (Project(LQ16E080008) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province; Project(51508506) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017C03020) supported by the Key Research and Development of Zhejiang Province; Projects(20160533B94, 20172016A06) supported by Hangzhou Science and Technology Guiding of China)

通信作者：丁智，博士，副教授，从事地铁施工及运营对周边环境影响的研究；E-mail: dingz@zucc.edu.cn