胡 靜 何志堅(jiān) 王一洋 羅學(xué)東

（1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

近年來(lái)，城市地下交通在我國(guó)各大城市迅猛發(fā)展，眾多的地下隧道不可避免地會(huì)出現(xiàn)兩隧道相交或并行等情況。新建隧道的施工會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使既有隧道的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，若既有隧道變形過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)較大的安全隱患。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)兩隧道近接開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全隱患開(kāi)展了大量的研究。盧岱岳等[1]將理論計(jì)算與實(shí)際工程數(shù)據(jù)相結(jié)合，揭示了新建隧道近距離上穿施工時(shí)既有隧道的縱向變形規(guī)律。劉樹(shù)佳等[2]研究了新建盾構(gòu)隧道施工在三種不同的條件下對(duì)既有隧道管片變形的影響。梁榮柱等[3]通過(guò)建立隧道縱向變形平衡微分方程，同時(shí)基于有限差分原理，得到了隧道的變形數(shù)值，并結(jié)合工程實(shí)際情況，驗(yàn)證了該計(jì)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(duì)既有隧道的變形影響。武永珍等[5]先通過(guò)數(shù)值模擬軟件計(jì)算出不加固工況下新建隧道對(duì)既有隧道變形影響的規(guī)律，而后對(duì)交叉結(jié)點(diǎn)洞內(nèi)進(jìn)行加固處理后，發(fā)現(xiàn)其變形明顯降低。高利宏[6]利用軟件模擬并結(jié)合工程實(shí)例確定了新建地鐵施工過(guò)程中對(duì)既有隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。許有俊等[7]對(duì)新建地鐵隧道上穿既有隧道建立數(shù)學(xué)模型分析，推導(dǎo)出地鐵隧道變形計(jì)算公式，并使用此公式對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行預(yù)測(cè)。劉慶豐等[8]結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(guī)律，提出盾構(gòu)近接相關(guān)施工控制技術(shù)。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(shí)既有隧道內(nèi)環(huán)向力、彎矩以及襯砌結(jié)構(gòu)的變化。Han 等[10]利用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)新建隧道在施工過(guò)程中相鄰既有隧道的位移和應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)分析了隧道內(nèi)襯砌對(duì)計(jì)算結(jié)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(kāi)挖面與既有隧道水平距離不同時(shí)，開(kāi)挖面極限支護(hù)力的變化以及開(kāi)挖面支護(hù)力對(duì)既有隧道和地表沉降的影響。Lin 等[13]采用數(shù)值模擬的方法研究了既有隧道斜交施工的變形行為，還進(jìn)行了參數(shù)研究，分析了新舊隧道交叉角對(duì)既有隧道變形行為的影響。

本文以武漢市軌道交通5 號(hào)線近距離平行側(cè)穿2 號(hào)線工程為例，建立三維有限元模型，分析既有隧道在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖前后的變形量，同時(shí)在既有隧道內(nèi)施加列車動(dòng)荷載，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究新建盾構(gòu)隧道施工與臨近既有隧道之間的相互影響。研究結(jié)果可為今后類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程背景

武漢市軌道交通5 號(hào)線一期工程積玉橋站-新生路站區(qū)間位于武昌區(qū)和平大道，該區(qū)間起點(diǎn)為新生路站，線路沿和平大道鋪設(shè)，沿線跨前進(jìn)路、健康路及新生路，向南延升至積玉橋站。擬建區(qū)間與2 號(hào)線積玉橋站-江漢路站區(qū)間在起點(diǎn)里程右DK13+666.846-右DK14+255.610 段屬于并行關(guān)系，結(jié)構(gòu)間距最小值為5.0 m，屬于近距離并行施工，且此區(qū)間內(nèi)兩隧道拱頂埋深為12 m，盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)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(gòu)施工難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。兩隧道平行段示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 兩隧道平行段示意圖

2 新建隧道近距離側(cè)穿既有隧道數(shù)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(shù)值模型。模型選取積玉橋站-新生路站區(qū)間DK13+936-DK13+996 段（共計(jì)60 m）為研究對(duì)象。兩隧道并行段數(shù)值模型與兩隧道正視圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 新建隧道與既有隧道并行段數(shù)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(jì)算初始應(yīng)力；（2）將初始位移清零；（3）開(kāi)挖既有隧道，計(jì)算既有隧道應(yīng)力情況，位移清零；（4）進(jìn)行新建隧道盾構(gòu)開(kāi)挖，每次開(kāi)挖3 m 邊開(kāi)挖邊施作管片和注漿；（5）重復(fù)（4）步驟，直到隧道開(kāi)挖到60 m，結(jié)束計(jì)算；（6）在既有隧道中施加列車動(dòng)荷載之后，重復(fù)以上工況。

2.2 參數(shù)選取

本模型對(duì)隧道實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用摩爾-庫(kù)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(gòu)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(huì)有部分損失，因此管片剛性折減系數(shù)取0.85。模型計(jì)算中初始應(yīng)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(nèi)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(qū)間隧道拱頂埋深為12 m。由于既有隧道建成時(shí)間較長(zhǎng)，因此將既有隧道初始位移設(shè)置為零。本文模擬盾構(gòu)施工長(zhǎng)度為60 m，管片寬度以1.5 m 考慮，盾構(gòu)開(kāi)挖模擬共20 步，模擬過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)每一步推進(jìn)3 m，盾構(gòu)機(jī)每次推進(jìn)完成后即刻加裝管片，隨后進(jìn)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(jù)鉆孔資料、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、物探分析結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，本區(qū)自上而下分布依次有雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土互層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)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(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)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(dòng)必然對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此監(jiān)測(cè)既有隧道的拱頂變形極為重要。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖20 步結(jié)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(dá)到預(yù)警值。

圖4 既有隧道豎向位移云圖

為進(jìn)一步探究新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有隧道頂部變形的影響，令新建隧道初始開(kāi)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(gòu)施工過(guò)程中的位移情況，得出既有隧道拱頂變形隨時(shí)間變化的曲線圖（見(jiàn)圖5）。

圖5 盾構(gòu)施工對(duì)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(gòu)隧道開(kāi)挖時(shí)，既有隧道頂部沉降的變化速率是隨盾構(gòu)隧道開(kāi)挖進(jìn)度變化而變化的，即盾構(gòu)隧道剛開(kāi)挖時(shí)，既有隧道頂部靠近盾構(gòu)區(qū)域處開(kāi)始出現(xiàn)沉降，并且離盾構(gòu)施工區(qū)域越近處，頂部沉降變化速率越快，并且在盾構(gòu)區(qū)域遠(yuǎn)離之后，此部分頂部沉降速率開(kāi)始變緩，最終趨于平穩(wěn)。

盾構(gòu)隧道施工時(shí)會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響，越靠近盾構(gòu)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(shí)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(duì)可控，對(duì)既有隧道地鐵軌道和線路運(yùn)營(yíng)的影響不大。

2.3.2 新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有隧道水平變形影響分析

盾構(gòu)隧道施工對(duì)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(yuǎn)離盾構(gòu)隧道方向，且未超過(guò)預(yù)警值。

圖6 既有隧道水平位移云圖

為進(jìn)一步了解新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有隧道水平變形的影響，令新建隧道初始開(kāi)挖位置為0 m，選取既有隧道距新建隧道最近側(cè)和最遠(yuǎn)側(cè)7 m、19 m、31 m、43 m 和55 m 處的水平位移情況，分析盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道水平位移的影響（見(jiàn)圖7、圖8）。

由圖7 可以看出，各曲線的峰值點(diǎn)均為新建盾構(gòu)隧道掌子面所在區(qū)域，而后在盾構(gòu)管片后注漿減小了土體的擾動(dòng)，因此既有隧道水平變形量略微減小，最終維持穩(wěn)定狀態(tài)。從圖8 可以看出，遠(yuǎn)側(cè)點(diǎn)位最大水平變形量為-0.13 mm，遠(yuǎn)小于近側(cè)點(diǎn)位變形量，因此相較于既有隧道左側(cè)，右側(cè)變形可以忽略不計(jì)。

圖7 盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道近側(cè)水平變形影響曲線圖

圖8 盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道遠(yuǎn)側(cè)水平變形影響曲線圖

盾構(gòu)隧道對(duì)既有隧道的變形影響是一個(gè)累積的過(guò)程，隨著盾構(gòu)開(kāi)挖的進(jìn)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(guò)工程預(yù)警值，同時(shí)相對(duì)拱頂沉降量要小，因此在既有隧道中所造成的影響極小，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)影響相對(duì)可控。

2.3.3 既有隧道列車動(dòng)荷載對(duì)新建隧道拱頂變形影響分析

考慮到既有地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中列車行駛產(chǎn)生的震動(dòng)可能會(huì)影響盾構(gòu)隧道的施工，因此本文在原有的模型基礎(chǔ)上施加列車動(dòng)荷載，以便于探究列車動(dòng)荷載對(duì)新建盾構(gòu)隧道拱頂變形的影響。

本文對(duì)列車動(dòng)荷載采用能夠反映其周期性的激振力函數(shù)進(jìn)行模擬。梁 波等[14-15]考慮到列車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、車速以及軌道狀況等情況，利用靜荷載與動(dòng)荷載相結(jié)合的方式，用激振力函數(shù)表達(dá)出了列車動(dòng)荷載周期性的特點(diǎn)：

式中：P0為車輪靜載；P1、P2、P3分別對(duì)應(yīng)幾何不平順控制條件下某種典型值的震動(dòng)荷載；ω1、ω2、ω3分別為對(duì)應(yīng)車速下各自不平順振動(dòng)波長(zhǎng)的圓頻率。

其中振動(dòng)幅值及圓頻率的計(jì)算公式為

式中：M0為簧下質(zhì)量；ai為對(duì)應(yīng)條件下幾何不平順矢高；ωi為對(duì)應(yīng)條件下振動(dòng)圓頻率；v為列車運(yùn)行速度；Li為對(duì)應(yīng)條件下的幾何不平順波長(zhǎng)。

參考武漢地鐵2 號(hào)線列車數(shù)據(jù)，本次數(shù)值試驗(yàn)中選用的幾何不平順取值與列車相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 幾何不平順取值表

表3 列車相關(guān)參數(shù)表

武漢地鐵2 號(hào)線列車動(dòng)荷載激振力函數(shù)：

在前文模型的基礎(chǔ)上，在既有隧道內(nèi)施加列車動(dòng)荷載函數(shù)，并切換模型邊界條件，在模型邊界處施加靜態(tài)邊界，用于吸收動(dòng)荷載傳播到邊界所產(chǎn)生的反射波，以免反射波干擾計(jì)算結(jié)果，并設(shè)置局部阻尼用于模擬在實(shí)際情況下波的傳播方式。

本文在每次開(kāi)挖步后施加動(dòng)荷載計(jì)算，計(jì)算時(shí)令新建隧道初始開(kāi)挖位置為0 m，取盾構(gòu)隧道內(nèi)19 m和43 m 處的拱頂變形值，并設(shè)置一組未施加動(dòng)荷載的模型作為對(duì)照，最后得出的對(duì)比圖見(jiàn)圖9。

圖9 盾構(gòu)隧道拱頂變形在施加動(dòng)荷載前后對(duì)比圖

從圖9 的對(duì)比中可以看出，在施加列車動(dòng)荷載之后，盾構(gòu)隧道的拱頂變形曲線與未施加動(dòng)荷載時(shí)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(gòu)開(kāi)挖時(shí)隧道拱頂?shù)淖冃慰珊雎圆挥?jì)，因此既有隧道的列車動(dòng)荷載對(duì)盾構(gòu)隧道的影響極小。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

新建盾構(gòu)隧道部分路段與既有2 號(hào)線存在近距離并行關(guān)系，可能對(duì)2 號(hào)線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。因此將使用精密水準(zhǔn)儀對(duì)已運(yùn)營(yíng)2 號(hào)線拱頂豎向位移進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)沿隧道方向使用精密水準(zhǔn)儀在隧道頂部進(jìn)行拱頂豎向位移的監(jiān)測(cè)，每20 m 設(shè)一個(gè)斷面，共156 個(gè)測(cè)點(diǎn)。已運(yùn)營(yíng)2 號(hào)線隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖10。

圖10 已運(yùn)營(yíng)2 號(hào)線區(qū)間左隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于本工程實(shí)例中盾構(gòu)隧道的左右兩線路平行近接2 號(hào)線既有隧道的左線，忽略新建隧道對(duì)既有隧道右線的影響，因此本次研究?jī)H考慮右線貫通后對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)變形影響。

依據(jù)之前的數(shù)值模擬模型，選擇里程為左DK13823.346-左DK13863.346 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時(shí)選擇的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)位于455 環(huán)、468 環(huán)、481 環(huán)上，對(duì)從2020年1月1日到1月10日連續(xù)10 天的既有隧道拱頂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)拱頂變形見(jiàn)圖11。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在掘進(jìn)環(huán)數(shù)條件下進(jìn)行整合，見(jiàn)圖12。由兩圖可以得出以下規(guī)律：

（1）離掌子面越近，盾構(gòu)開(kāi)挖所帶來(lái)土體的擾動(dòng)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(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)第455 環(huán)處離盾構(gòu)隧道開(kāi)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(jìn)環(huán)數(shù)內(nèi)，數(shù)值模擬得出的變化曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線相似。

圖11 既有隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)10 天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖12 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

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

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中拱頂沉降量最大值為-4.15 mm，數(shù)值模擬中拱頂沉降量最大值為-4.70 mm，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有偶然性和誤差性，并有離散狀況，且在做數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差。但兩者相差值在可接受范圍內(nèi)，且均未達(dá)到工程施工預(yù)警值，并未對(duì)2 號(hào)線既有隧道結(jié)構(gòu)安全以及地鐵運(yùn)營(yíng)造成影響，數(shù)值模擬能有效反映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

4 結(jié)論

（1）既有隧道部分離盾構(gòu)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(xiàn)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(guī)律。

（2）新建隧道施工時(shí)既有隧道的水平變形為由兩側(cè)向隧道內(nèi)凸，其中靠近盾構(gòu)隧道部分的變形量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道的部分，但兩者變形量均在預(yù)警值之內(nèi)。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果判斷，盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道水平位移影響在安全可控范圍之內(nèi)，盾構(gòu)隧道施工期間2 號(hào)線地鐵能維持安全運(yùn)營(yíng)。

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