地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析

地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析

李原

身份证号： 37152319881014**** 中铁十四局集团有限公司 250014

摘要：目前，在地铁隧道施工中时常会遇到在已有地铁隧道的基础之上再营建新的隧道的情况，新的隧道盾构施工必将对已有地铁隧道的围岩进行应力重分布，进而引发隧道结构变形及内力变化，甚至影响隧道的正常运行。本论文以某实际工程为例，利用有限元软件MidasGTS模拟盾构施工的实际工况，对地铁盾构隧道施工对邻近已有隧道的影响分析。

关键词：盾构施工；注浆压力；土舱压力；有限元

引言

近年来，随着地下轨道交通的不断发展，出现了城市地铁与地铁相互交叉穿越的情况，这些新情况的出现无疑给地铁的设计与施工带来重大的挑战。研究盾构穿越邻近地下结构所引起的影响，有利于地下结构的保护及其新建盾构隧道的顺利进行，对地铁的建设及其地下空间的开发具有重要意义。

1工程概况

某新建隧道施工时，上、下行线盾构穿越某既有运营隧道，最小净距分别为1.82m、1.69m。邻近穿越段土体物理力学参数见表1。

表1土体物理力学参数

2有限元计算模型

为了研究土槽压力对地面沉降的影响，本文建立的计算模型尺寸为80m×7.2m×60m，即沿现有隧道方向80m，沿新隧道方向7.2m，沿深度方向60m。模型的上表面设为自由边界，侧向约束为水平位移，底部约束为垂直位移。采用8结点实体单元C3D8Ｒ对土体、衬砌段、注浆层和盾壳进行模拟。土壤材料是理想的弹塑性介质。本构模型采用Drucker-Prager准则。混凝土衬砌段、注浆层、屏蔽壳采用线性弹性模型。有限元网格划分如图1所示。

图1有限元网格划分示意图

新建隧道衬砌外径6.2m，内径5.5m，管片每环宽度1.2m，厚度0.35m。等代层厚度取0.105m。盾构隧道衬砌管片由钢筋混凝土预制而成，混凝土强度等级为C50，弹性模量为3.55×104MPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m³。衬砌管片之间以及管片环与环之间均采用高强螺栓连接，考虑盾构隧道管片拼装对衬砌结构整体刚度的影响，取等效刚度折减系数为0.85，即衬砌管片的弹性模量E=3.02×104MPa。盾构外壳密度ρ=7800kg/m³，弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。土体重度γ=18kN/m3，黏聚力c=16kPa，内摩擦角φ=15°，压缩模量Es=3.36MPa，弹性模量E=11.76MPa，泊松比μ=0.28。注浆浆液不考虑其硬化过程，取弹性模量E=30MPa，密度ρ=2100kg/m3，泊松比μ=0.25。

3地表沉降分析

3.1地表横向沉降槽

以第3环与第4环交界面处横向地表沉降为研究对象，图2为盾构开挖过程中地表横向沉降曲线。

图2地表横向沉降曲线

与Peck提出的盾构施工引起的地面横向沉降曲线计算公式的结算结果相比较，本文得出的沉降曲线略有不同。隧道开挖过程中，盾构所在位置处地表出现沉降，相对于盾构中心位置，两侧地表出现局部隆起现象。盾构开挖结束后，隧道轴线相对于两侧表现出下沉趋势，但地表整体表现为隆起趋势。隧道轴线的横向位置为42m，此处隆起量为1.0mm。两侧最大隆起量分别为4.0mm和5.3mm。

3.2隧道顶部沿轴线位移

以新建隧道洞周顶部竖向位移为研究对象，图3为洞周顶部沿隧道轴向的竖向位移。

图3隧道洞顶竖向位移

由图3可以看出，第1环土体开挖，开挖面前方土体卸载，支护压力施加后，第2环洞顶竖向位移最大，开挖面前方土体竖向位移逐渐减小。随着盾构前行，开挖面前方最大竖向位移也随之前行，开挖面后方洞顶竖向位移也随之前移。必须指出的是，开挖面后方洞顶竖向位移随着盾构前移，有逐渐反弹的趋势，即表现为隆起。当土仓压力等于开挖面平衡土压时，地表的隆起和沉降值均为最小，故在盾构开挖过程中要不断调节土仓压力，以使开挖面维持稳定。限于本文隧道轴线方向模型长度较小，所取代表点有限，竖向位移曲线波动较大，但变化趋势较为明显。

4土仓压力的影响

如果土仓压力大于开挖面土水压力，地表就会隆起。通过地应力平衡得到开挖面静止土压力均值为0.28MPa，分析土仓压力分别为0.25MPa、0.28MPa、0.32MPa及0.35MPa时的计算结果。图4为不同土仓压力下隧道开挖结束后的竖向位移曲线。

图4不同土仓压力下隧道沉降曲线

由图4可知，随着土压力的增大，隧道的轴向沉降明显增大。当筒仓压力为0.25MPa时，轴向上抬升的平均值为0.7mm，而0.35MPa土仓压力对应的轴向上抬升的平均值为5.0mm。土压力增加40%，轴向表面隆起增加600%。随着土料筒仓压力的增大，地表侧向沉降量增大，呈上升趋势。隧道轴线两侧的隆升幅度最大。当土仓压力为0.25MPa时，左侧轴线为4.0mm，右侧轴线为5.3mm;当土仓压力为0.35MPa时，左侧轴线为6.1mm，右侧轴线为7.2mm。轴左侧隆起的最大值增加了52%，右侧隆起的最大值增加了36%。隧道轴线的隆升由1.0mm增大到5.3mm。随着土压力的增大，隧道轴线与土体两侧的沉降差逐渐减小。可见，土仓压力对地表沉降的影响较大，主要体现在隧道轴线、地表沉降和隧道轴线上。

5总结

针对土压平衡盾构隧道上、下穿越既有隧道的工程实例，采用有限元数值软件模拟了盾构开挖的具体过程，分析了盾构开挖过程中土体的扰动变形规律，特别是隧道轴向地表沉降、地表横向沉降槽以及隧道轴向洞顶竖向位移，并研究了不同土仓压力作用下的地表沉降规律。得出以下主要结论:

（1）隧道轴向地表各点的竖向位移随着开挖荷载步的增大而逐渐增大，表现为隆起趋势。隧道开挖结束后，土仓压力为0.28MPa时，地表各点的隆起量在2.5mm左右。

（2）地表横向沉降槽表现为隧道轴线两侧土体相对隆起的凹槽状，且随着荷载步的增大，地表横向沉降表现为向上隆起的趋势，开挖面后方土体随着盾构的前移，有逐渐隆起的趋势。

（3）地表横向沉降量随着土仓压力的增大而增大，表现为隆起趋势。隧道轴线与两侧土体沉降量差值随着土仓压力的增大而减小。

参考文献

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