谷雪影

隧道不同收斂模式穿越既有隧道對比分析

谷雪影

文章采用位移控制法建立有限元模型，分析4種不同收斂模式下新建隧道上、下穿越既有隧道時(shí)對既有隧道應(yīng)力、位移的影響。結(jié)果表明，收斂模式1，放大了上穿施工對既有隧道的影響，對下穿施工對既有隧道的影響估計(jì)不足；收斂模式2、3，隧道底位移為0，弱化了上穿施工對既有隧道的影響；收斂模式4，隧道底位移不為0，隧道頂位移大于隧道底位移，與實(shí)際情況接近。因此，在新建隧道上穿既有隧道計(jì)算中建議選擇收斂模式4，在新建隧道下穿既有隧道計(jì)算中應(yīng)避免選用收斂模式1，可選擇收斂模式2、3、4。

盾構(gòu)；隧道；收斂模式；穿越施工；對比分析

0 引言

近年來，我國大中型城市地鐵建設(shè)規(guī)模日益增長，隨之而來的工程環(huán)境問題不可忽視，隧道開挖引起的地層位移便是其中之一。上海等軟土地區(qū)地鐵網(wǎng)線逐漸加密，近距離穿越既有運(yùn)營隧道的盾構(gòu)施工不可避免，這為運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)安全保護(hù)提出了新的要求。已有國內(nèi)外學(xué)者對近距離穿越問題開展深入研究，研究方法有實(shí)測、數(shù)值計(jì)算、理論分析等。數(shù)值方法中隧道開挖主要方法分為應(yīng)力控制法和位移控制法。應(yīng)力控制法通常采用單元生死來模擬隧道開挖，通過開挖邊界施加反向力以模擬土體應(yīng)力釋放，這種方法可以精細(xì)地模擬土體開挖、注漿、盾構(gòu)推進(jìn)等施工環(huán)節(jié)，但難以實(shí)現(xiàn)給定地層損失率下的開挖模擬。位移控制法采用給隧道輪廓施加位移邊界的方法模擬應(yīng)力釋放過程，解決了應(yīng)力控制法無法模擬既定地層損失率的問題。位移控制方法中地層收斂模式可分為均勻收斂和不均勻收斂，圖1中，收斂模式1是均勻收斂，收斂模式2、3、4是非均勻收斂。前人研究表明，收斂模式2比收斂模式1更加合理，故現(xiàn)有研究多以收斂模式2模擬隧道開挖，即，假定隧道頂部收縮最大，而隧道底部不發(fā)生位移。但是，對于上、下穿越既有隧道的盾構(gòu)施工，相同地層損失率下，選定不同的收斂模式計(jì)算對既有隧道產(chǎn)生的影響結(jié)果必然差異較大。以上穿為例，如采用收斂模式2，新建隧道底部位移為0，人為減少了對下方既有隧道的影響。因此，有必要針對新建隧道上、下越穿2種工況分別研究更合適的收斂模式。

本文以蘇州軌道交通1號線為工程背景，采用有限元方法，計(jì)算不同收斂模式下，新建隧道上、下穿越既有隧道對既有隧道產(chǎn)生的影響，為相鄰隧道的穿越設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 計(jì)算模型

蘇州軌道交通1號線路全長約25.74 km，平均埋深約15 m。全線共設(shè)24個(gè)車站，均為地下車站。根據(jù)蘇州軌道交通1號線的實(shí)際情況，建立新建隧道上、下穿越1號線既有隧道的有限元計(jì)算模型（圖2）。1號線既有隧道橫斷面位于XZ平面內(nèi)，縱軸平行于坐標(biāo)Y軸。新建隧道正交穿越既有隧道，橫斷面位于YZ平面內(nèi)，縱軸平行于坐標(biāo)X軸。X和Y方向尺寸均為100 m，Z方向尺寸為60 m。模型四周約束水平向位移，底部約束豎向位移，頂面為自由面。既有隧道頂部埋深15 m，外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管片。計(jì)算模型土層依據(jù)蘇州地區(qū)的某開發(fā)地塊項(xiàng)目的地層性質(zhì)，共分11層，土體采用摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)見表1。隧道管片采用線彈性模擬，彈性模量為35.5 GPa，泊松比為0.16。土體和管片均采用8節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬。

圖1 隧道開挖后的不同收斂摸式

圖2 新建隧道上下穿越既有隧道計(jì)算模型

表1 土層參數(shù)表

2 既有隧道受力變形計(jì)算分析

2.1 新建隧道收斂模式曲線

本文新建隧道開挖邊界條件采用圖1中的4種收斂模式，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，地層損失率一般在0.2%～2%，本次計(jì)算取地層損失率為1%。4種收斂模式對應(yīng)的收斂曲線如下：

收斂模式1：

收斂模式2：

收斂模式3：

收斂模式4：

式（1）～（6）中，ur為收斂曲線；θ為極坐標(biāo)；g為土體損失間隙參數(shù)；ε為地層損失率。

2.2 新建隧道上穿時(shí)既有隧道受力變形

2.2.1 既有隧道位移

圖3給出了新建隧道以4種收斂模式上穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道豎向位移分布曲線。圖3中橫坐標(biāo)為既有隧道縱向長度（這里選取既有隧道計(jì)算長度100 m），在橫坐標(biāo)50 m處為既有隧道中間對稱截面。由圖3可見：

圖3 新建隧道上穿施工時(shí)既有隧道豎向位移分布曲線

（1）收斂模式1。由于收斂模式1假定新建隧道底部產(chǎn)生豎向隆起，其下方的既有隧道將產(chǎn)生較大的隆起量，計(jì)算結(jié)果表明其最大值約為9 mm，發(fā)生在2隧道空間交叉位置；

（2）收斂模式2、3。收斂模式2和收斂模式3假定新建隧道底部位移為0，故對其下方既有隧道影響非常小。事實(shí)上新建隧道開挖必然存在底部的隆起，計(jì)算結(jié)果也表明收斂模式2、3情況下新建隧道凈距1 m上穿既有隧道時(shí)，既有隧道位移絕對值在2 mm以內(nèi)。實(shí)際情況中新建隧道凈距1 m上穿既有隧道是較危險(xiǎn)的工況，故收斂模式2和收斂模式3顯然與實(shí)際情況不符；

（3）收斂模式4。收斂模式4同樣假定隧道底部產(chǎn)生隆起，故既有隧道發(fā)生隆起，計(jì)算結(jié)果表明其隆起量約為2.7 mm，其隆起量和隆起范圍均遠(yuǎn)小于收斂模式1的隆起量和隆起范圍。

2.2.2 既有隧道應(yīng)力

圖4給出了新建隧道以4種收斂模式上穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力對比曲線。

圖4 4種收斂模式下既有隧道最大主應(yīng)力（上穿）

（1）新建隧道以收斂模式1上穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力為3.6 MPa，收斂模式1放大了新建隧道上穿施工對既有隧道的影響；

（2）新建隧道以收斂模式2、3上穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力最小，約為0.4～0.6 MPa，顯然收斂模式2、3弱化了新建隧道上穿施工對既有隧道的影響，與實(shí)際不符；

（3）新建隧道以收斂模式4上穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力為2 MPa，較斂模式1小，較斂模式2、3大，較為合理。

綜上所述，在新建隧道上穿既有隧道計(jì)算中建議選擇收斂模式4。

2.3 新建隧道下穿時(shí)既有隧道受力變形

2.3.1 既有隧道位移

新建隧道下穿既有隧道施工，新建隧道頂部的位移對于既有隧道的變形將會產(chǎn)生較大影響。圖5給出了新建隧道以4種收斂模式下穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道豎向位移分布曲線。由圖5可見，新建隧道下穿時(shí)既有隧道豎向發(fā)生沉降，且呈沉降漏斗形態(tài)。

圖5 新建隧道下穿施工時(shí)既有隧道豎向位移分布曲線

收斂模式1情況下，既有隧道豎向位移最大值約為9 mm；收斂模式2、3、4情況下既有隧道豎向位移量接近，最大值約為16～18 mm。收斂模式1情況下的既有隧道豎向位移約為收斂模式2、3、4情況下的1/2，可見，收斂模式1對新建隧道下穿既有隧道施工的影響估計(jì)不足。

2.3.2 既有隧道應(yīng)力

圖6給出了新建隧道以4種收斂模式下穿既有隧道施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力對比曲線。

圖6 4種收斂模式下既有隧道最大主應(yīng)力（下穿）

收斂模式1情況下既有隧道最大主應(yīng)力為2.7 MPa，為4種收斂模式中最小。收斂模式2情況下既有隧道最大主應(yīng)力為6.0 MPa，為4種收斂模式中最大。收斂模式3情況下既有隧道最大主應(yīng)力為5.8 MPa，收斂模式4情況下既有隧道最大主應(yīng)力為5.7 MPa，與收斂模式2、3相差不大。

日本《接近既有隧道施工對策指南》中規(guī)定，新建隧道上穿既有隧道施工限制的范圍是1.5D（D為新建隧道外徑），新建隧道下穿既有隧道施工限制的范圍是2.0D（注：限制范圍指由于新建結(jié)構(gòu)物的施工，對既有結(jié)構(gòu)物的變形和位移有影響，或采取對策或變更計(jì)劃的范圍）。這表明，同樣豎向距離時(shí)，新建隧道下穿施工比上穿施工更加危險(xiǎn)。而收斂模式1情況下既有隧道主應(yīng)力最小，并且位移也最小，明顯弱化了下穿施工對既有隧道的影響。收斂模式2、3、4情況下隧道最大主應(yīng)力、位移較為接近，均可以用來模擬新建隧道下穿施工。

綜上所述，在新建隧道下穿既有隧道計(jì)算中應(yīng)避免選用收斂模式1，可選擇收斂模式2、3、4。

3 結(jié)論

新建隧道上、下穿既有隧道施工中，不同的收斂摸式對于既有隧道的位移和應(yīng)力均有較大的影響。新建隧道上、下穿施工會引起既有隧道出現(xiàn)向上或向下變形，相同地層損失率情況下變形量受收斂模式控制。對于上穿情況，收斂模式1放大了上穿施工對既有隧道的影響，而對下穿施工對既有隧道的影響估計(jì)不足；收斂模式2、3的新建隧道底部位移為0，弱化了上穿施工對既有隧道的影響；收斂模式4的隧道底位移不為0，隧道頂位移大于隧道底位移，與實(shí)際情況接近。因此，在新建隧道上穿既有隧道計(jì)算中建議選擇收斂模式4，在新建隧道下穿既有隧道計(jì)算中應(yīng)避免選用收斂模式1，可選擇收斂模式2、3、4。

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責(zé)任編輯 朱開明

Comparison and Analysis of Different Convergence Modes of Tunnel Crossing Existing Tunnels

Gu Xueying

This paper establishes the finite element model by using displacement method and analyzes the influence of the 4 different convergence patterns of stress and displacement of tunnels under the conditions of new tunnels under-crossing or over-crossing existing tunnels. The results show that the convergence pattern 1, the impact of the construction of over-crossing existing tunnels is exaggerated, while the impact of the tunnel under-crossing construction is belittled. The convergence patterns 2 and 3, the displacement of the tunnel bottom is 0, which impact of the over crossing construction on the existing tunnels is neglected. For the convergence pattern 4, the displacement of the tunnel bottom is not 0.the displacement at the roof is bigger than the displacement of the tunnel bottom and the actual situation is very close to this fact. Therefore, in the new tunnel over-crossing construction calculation, it is suggested to select the convergence pattern 4. The selection in the calculation of the new tunnel undercrossing the existing tunnel should avoid to use convergence pattern 1, it recommends to use the convergence patterns 2, 3, and 4.

shield tunnel, convergence pattern, crossing construction, comparative analysis

U452.12

2015-01-13

谷雪影：上海同巖土木工程科技有限公司，碩士，上海 200092