新建盾構隧道近距離側穿既有隧道相互影響分析

胡 靜 何志堅 王一洋 羅學東

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430000；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

近年來，城市地下交通在我國各大城市迅猛發展，眾多的地下隧道不可避免地會出現兩隧道相交或并行等情況。新建隧道的施工會對周圍土體產生擾動，使既有隧道的結構發生變形，若既有隧道變形過大，則會出現較大的安全隱患。

國內外學者針對兩隧道近接開挖過程中可能出現的安全隱患開展了大量的研究。盧岱岳等[1]將理論計算與實際工程數據相結合，揭示了新建隧道近距離上穿施工時既有隧道的縱向變形規律。劉樹佳等[2]研究了新建盾構隧道施工在三種不同的條件下對既有隧道管片變形的影響。梁榮柱等[3]通過建立隧道縱向變形平衡微分方程，同時基于有限差分原理，得到了隧道的變形數值，并結合工程實際情況，驗證了該計算方法的可靠性。張海彥等[4]使用有限元分析軟件分析了在不同間距下新建隧道對既有隧道的變形影響。武永珍等[5]先通過數值模擬軟件計算出不加固工況下新建隧道對既有隧道變形影響的規律，而后對交叉結點洞內進行加固處理后，發現其變形明顯降低。高利宏[6]利用軟件模擬并結合工程實例確定了新建地鐵施工過程中對既有隧道的變形控制標準。許有俊等[7]對新建地鐵隧道上穿既有隧道建立數學模型分析，推導出地鐵隧道變形計算公式，并使用此公式對實際工程進行預測。劉慶豐等[8]結合數值模擬以及現場監測等方法，研究雙線并行下穿臨近既有隧道周圍地層的影響規律，提出盾構近接相關施工控制技術。Avgerinos 等[9]利用三維有限元軟件研究了新建隧道下穿既有隧道時既有隧道內環向力、彎矩以及襯砌結構的變化。Han 等[10]利用ANSYS 有限元分析軟件，對新建隧道在施工過程中相鄰既有隧道的位移和應力進行分析計算，同時分析了隧道內襯砌對計算結果的影響。Wang 等[11]主要研究淺埋流變性地層中新老隧道的相互作用。Xue[12]分析了開挖面與既有隧道水平距離不同時，開挖面極限支護力的變化以及開挖面支護力對既有隧道和地表沉降的影響。Lin 等[13]采用數值模擬的方法研究了既有隧道斜交施工的變形行為，還進行了參數研究，分析了新舊隧道交叉角對既有隧道變形行為的影響。

本文以武漢市軌道交通5 號線近距離平行側穿2 號線工程為例，建立三維有限元模型，分析既有隧道在盾構隧道開挖前后的變形量，同時在既有隧道內施加列車動荷載，與實際監測數據對比，研究新建盾構隧道施工與臨近既有隧道之間的相互影響。研究結果可為今后類似工程提供參考依據。

1 工程背景

武漢市軌道交通5 號線一期工程積玉橋站-新生路站區間位于武昌區和平大道，該區間起點為新生路站，線路沿和平大道鋪設，沿線跨前進路、健康路及新生路，向南延升至積玉橋站。擬建區間與2 號線積玉橋站-江漢路站區間在起點里程右DK13+666.846-右DK14+255.610 段屬于并行關系，結構間距最小值為5.0 m，屬于近距離并行施工，且此區間內兩隧道拱頂埋深為12 m，盾構施工時對臨近既有隧道以及周邊建筑物都將造成不可忽視的影響，盾構施工難度較大，安全風險較高。兩隧道平行段示意圖見圖1。

圖1 兩隧道平行段示意圖

2 新建隧道近距離側穿既有隧道數值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D 軟件建立兩隧道并行段數值模型。模型選取積玉橋站-新生路站區間DK13+936-DK13+996 段（共計60 m）為研究對象。兩隧道并行段數值模型與兩隧道正視圖見圖2、圖3。

圖2 新建隧道與既有隧道并行段數值模型

圖3 新建隧道與既有隧道并行段模型正視圖

該模型的模擬步驟如下：

（1）建立模型，計算初始應力；（2）將初始位移清零；（3）開挖既有隧道，計算既有隧道應力情況，位移清零；（4）進行新建隧道盾構開挖，每次開挖3 m 邊開挖邊施作管片和注漿；（5）重復（4）步驟，直到隧道開挖到60 m，結束計算；（6）在既有隧道中施加列車動荷載之后，重復以上工況。

2.2 參數選取

本模型對隧道實際情況進行簡化，使用摩爾-庫倫模型，選取尺寸為100 m×60 m×84 m 的地層模型；隧道管片使用彈性本構模型，密度為2500 kg/m3，彈性模量34.5 GPa，泊松比為0.17，由于管片連接處剛度會有部分損失，因此管片剛性折減系數取0.85。模型計算中初始應力僅考慮重力，地下水折算入土層重度中。其中隧道管片外徑6.20 m，內徑5.50 m，厚度0.35 m，隧道管片寬度為1.5 m，新生路站至積玉橋站區間隧道拱頂埋深為12 m。由于既有隧道建成時間較長，因此將既有隧道初始位移設置為零。本文模擬盾構施工長度為60 m，管片寬度以1.5 m 考慮，盾構開挖模擬共20 步，模擬過程中盾構機每一步推進3 m，盾構機每次推進完成后即刻加裝管片，隨后進行注漿加固處理，其中注漿壓力為0.22 MPa，注漿厚度為0.2 m。

根據鉆孔資料、原位測試、室內試驗、物探分析結果，結合區域地質資料，本區自上而下分布依次有雜填土、素填土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉細砂、粉土、粉質黏土互層、強風化粉砂質泥巖。本模型中隧道所穿越的地層主要為3-2a 和3-2 黏土層。穿越土層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數表

2.3 計算結果分析

2.3.1 新建盾構隧道施工對既有隧道豎向變形影響分析

由于新建隧道與既有隧道臨近平行且最小距離僅為5 m，新建隧道施工所造成的土體擾動必然對既有隧道的結構產生影響，因此監測既有隧道的拱頂變形極為重要。根據數值模擬的結果，在盾構隧道開挖20 步結束后，可以得到既有隧道的豎向變形云圖，如圖4所示，其最大沉降量為5.33 mm，未達到預警值。

圖4 既有隧道豎向位移云圖

為進一步探究新建盾構隧道施工對既有隧道頂部變形的影響，令新建隧道初始開挖位置為0 m，選取既有隧道頂部7 m、19 m、31 m、43 m 和55 m 處在盾構施工過程中的位移情況，得出既有隧道拱頂變形隨時間變化的曲線圖（見圖5）。

圖5 盾構施工對既有隧道不同位置處拱頂豎向變形影響曲線圖

由圖5 可知，盾構隧道開挖時，既有隧道頂部沉降的變化速率是隨盾構隧道開挖進度變化而變化的，即盾構隧道剛開挖時，既有隧道頂部靠近盾構區域處開始出現沉降，并且離盾構施工區域越近處，頂部沉降變化速率越快，并且在盾構區域遠離之后，此部分頂部沉降速率開始變緩，最終趨于平穩。

盾構隧道施工時會對既有隧道產生影響，越靠近盾構隧道，既有隧道受其影響越大，因此既有隧道中沉降量最大處并非位于隧道頂部，而在左拱腰處，最大值為5.33 mm，而隧道頂部沉降量最大值為4.70 mm。同時由圖4 可以看出既有隧道底部隆起量最大值為0.60 mm，此變形量在工程中相對可控，對既有隧道地鐵軌道和線路運營的影響不大。

2.3.2 新建盾構隧道施工對既有隧道水平變形影響分析

盾構隧道施工對既有隧道水平變形的影響如圖6所示，可以看出最大水平位移為2.51 mm，遠離盾構隧道方向，且未超過預警值。

圖6 既有隧道水平位移云圖

為進一步了解新建盾構隧道施工對既有隧道水平變形的影響，令新建隧道初始開挖位置為0 m，選取既有隧道距新建隧道最近側和最遠側7 m、19 m、31 m、43 m 和55 m 處的水平位移情況，分析盾構施工對既有隧道水平位移的影響（見圖7、圖8）。

由圖7 可以看出，各曲線的峰值點均為新建盾構隧道掌子面所在區域，而后在盾構管片后注漿減小了土體的擾動，因此既有隧道水平變形量略微減小，最終維持穩定狀態。從圖8 可以看出，遠側點位最大水平變形量為-0.13 mm，遠小于近側點位變形量，因此相較于既有隧道左側，右側變形可以忽略不計。

圖7 盾構隧道對既有隧道近側水平變形影響曲線圖

圖8 盾構隧道對既有隧道遠側水平變形影響曲線圖

盾構隧道對既有隧道的變形影響是一個累積的過程，隨著盾構開挖的進行，既有隧道的水平變形量也越大，如圖7所示，既有隧道在7 m、19 m、31 m、43 m、55 m 處的水平變形最大值分別為1.74 mm、1.84 mm、1.74 mm、1.77 mm、2.19 mm，均未超過工程預警值，同時相對拱頂沉降量要小，因此在既有隧道中所造成的影響極小，對地鐵運營影響相對可控。

2.3.3 既有隧道列車動荷載對新建隧道拱頂變形影響分析

考慮到既有地鐵隧道在運營過程中列車行駛產生的震動可能會影響盾構隧道的施工，因此本文在原有的模型基礎上施加列車動荷載，以便于探究列車動荷載對新建盾構隧道拱頂變形的影響。

本文對列車動荷載采用能夠反映其周期性的激振力函數進行模擬。梁 波等[14-15]考慮到列車的各項數據、車速以及軌道狀況等情況，利用靜荷載與動荷載相結合的方式，用激振力函數表達出了列車動荷載周期性的特點：

式中：P0為車輪靜載；P1、P2、P3分別對應幾何不平順控制條件下某種典型值的震動荷載；ω1、ω2、ω3分別為對應車速下各自不平順振動波長的圓頻率。

其中振動幅值及圓頻率的計算公式為

式中：M0為簧下質量；ai為對應條件下幾何不平順矢高；ωi為對應條件下振動圓頻率；v為列車運行速度；Li為對應條件下的幾何不平順波長。

參考武漢地鐵2 號線列車數據，本次數值試驗中選用的幾何不平順取值與列車相關參數見表2、表3。

表2 幾何不平順取值表

表3 列車相關參數表

武漢地鐵2 號線列車動荷載激振力函數：

在前文模型的基礎上，在既有隧道內施加列車動荷載函數，并切換模型邊界條件，在模型邊界處施加靜態邊界，用于吸收動荷載傳播到邊界所產生的反射波，以免反射波干擾計算結果，并設置局部阻尼用于模擬在實際情況下波的傳播方式。

本文在每次開挖步后施加動荷載計算，計算時令新建隧道初始開挖位置為0 m，取盾構隧道內19 m和43 m 處的拱頂變形值，并設置一組未施加動荷載的模型作為對照，最后得出的對比圖見圖9。

圖9 盾構隧道拱頂變形在施加動荷載前后對比圖

從圖9 的對比中可以看出，在施加列車動荷載之后，盾構隧道的拱頂變形曲線與未施加動荷載時極其相似，且拱頂變形量變化極小，變化量的平均值在0.1 mm 左右，此變形相較于盾構開挖時隧道拱頂的變形可忽略不計，因此既有隧道的列車動荷載對盾構隧道的影響極小。

3 現場監測對比分析

3.1 監測點位布置

新建盾構隧道部分路段與既有2 號線存在近距離并行關系，可能對2 號線運營產生影響。因此將使用精密水準儀對已運營2 號線拱頂豎向位移進行監控量測?，F場沿隧道方向使用精密水準儀在隧道頂部進行拱頂豎向位移的監測，每20 m 設一個斷面，共156 個測點。已運營2 號線隧道斷面監測點布置見圖10。

圖10 已運營2 號線區間左隧道斷面監測點布置圖

3.2 監測結果分析

由于本工程實例中盾構隧道的左右兩線路平行近接2 號線既有隧道的左線，忽略新建隧道對既有隧道右線的影響，因此本次研究僅考慮右線貫通后對既有隧道的結構變形影響。

依據之前的數值模擬模型，選擇里程為左DK13823.346-左DK13863.346 的監測數據進行分析，此時選擇的監測數據位于455 環、468 環、481 環上，對從2020年1月1日到1月10日連續10 天的既有隧道拱頂監測數據進行分析，現場監測拱頂變形見圖11。根據現場盾構機的掘進速度，將數值模擬數據與現場監測數據在掘進環數條件下進行整合，見圖12。由兩圖可以得出以下規律：

（1）離掌子面越近，盾構開挖所帶來土體的擾動就越大，既有隧道拱頂變形速率也越大。從圖11 中可看出，在監測時間內第455 環處離盾構隧道開挖掌子面最近，因此其在第5-7日拱頂變形速率最大；從圖12 中可看出，在相同掘進環數內，數值模擬得出的變化曲線與現場監測數據曲線相似。

圖11 既有隧道拱頂監測點連續10 天監測數據圖

圖12 數值模擬數據與監測數據對比圖

（2）新建盾構隧道施工時，既有隧道拱頂沉降值曲線基本表現為前期和后期沉降值緩慢增加、中期沉降值相對增加較大的情況。

（3）現場監測數據中拱頂沉降量最大值為-4.15 mm，數值模擬中拱頂沉降量最大值為-4.70 mm，由于現場監測數據具有偶然性和誤差性，并有離散狀況，且在做數值模擬過程中對模型進行了簡化處理，因此數值模擬與現場監測數據存在一定誤差。但兩者相差值在可接受范圍內，且均未達到工程施工預警值，并未對2 號線既有隧道結構安全以及地鐵運營造成影響，數值模擬能有效反映施工現場的實際情況。

4 結論

（1）既有隧道部分離盾構隧道掌子面越近，其拱頂沉降變化速率越大。既有隧道拱頂沉降量呈現出前期、后期沉降量變化速率較為平緩，中期變化速率較大的規律。

（2）新建隧道施工時既有隧道的水平變形為由兩側向隧道內凸，其中靠近盾構隧道部分的變形量遠大于遠離盾構隧道的部分，但兩者變形量均在預警值之內。此外，根據現場監測數據的反饋結果判斷，盾構施工對既有隧道水平位移影響在安全可控范圍之內，盾構隧道施工期間2 號線地鐵能維持安全運營。

（3）既有隧道中施加列車動荷載后，新建盾構隧道的拱頂沉降變化量約為0.1 mm，此變化量對實際盾構施工造成的影響極小，基本可忽略不計。