肖彥斌

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海，200070）

隨著城市進程快速化，地下空間資源被逐漸開發(fā)，地下出現(xiàn)越來越多的市政管線、污水隧道、軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施，因此新建隧道平行或交叉穿越既有建（構(gòu)）筑物成為了不可避免的問題［1－2］。在新建隧道的設(shè)計中，需要提前對穿越既有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的變形沉降進行有限元分析計算，預測穿越后的變形能否符合相關(guān)國家、地方性規(guī)范的要求，是否會對既有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生危害，能否通過一些其他的技術(shù)措施來減小結(jié)構(gòu)變形的影響。筆者以杭州城市快速路地下通道工程大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿地鐵2號線為實例，參照國家、地方性的相關(guān)行業(yè)標準，對超大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越既有軌道交通進行三維有限元計算分析，對穿越后產(chǎn)生的變形沉降進行預測，并且依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比，同時提出一些相關(guān)技術(shù)措施來減小既有結(jié)構(gòu)的變形，確保既有軌道交通的安全。

1 確定隧道橫向沉降的方法

1.1 Peck公式計算橫向沉降

影響土體沉降大小的因素主要有以下3點。（1）工程水文地質(zhì)情況，例如土體的摩擦角、粘聚力、壓縮模量等。（2）隧道的設(shè)計參數(shù)，例如隧道直徑、埋深、線間距等。（3）施工工藝，例如盾構(gòu)推進時是否及時進行同步注漿加固，是否及時調(diào)整刀盤切口壓力；穿越后是否根據(jù)實時監(jiān)測及時進行二次注漿加固等。

工程中最常用確定隧道橫向沉降的方法為經(jīng)驗值法［3－4］。即盾構(gòu)在推進過程中，隧道上方產(chǎn)生大致滿足正態(tài)分布的沉降槽，其中隧道正上方的沉降量最大。

隧道產(chǎn)生的最大沉降由下列公式?jīng)Q定：

式中：VLS為地層損失率（‰），即隧道推進每米的地層損失量（m3／m）與隧道實際挖掘面積VA（m2）的比值；i為隧道沉降槽的寬度，由隧道的埋深和隧道斷面的土層性質(zhì)決定，DA為隧道開挖直徑。

隧道在橫向任意位置產(chǎn)生的沉降可由Sz表示：

式中：Sz，max為最大豎向沉降；i為隧道沉降槽的寬度；x為距離隧道中心的距離。

此外，在同一斷面的任意深度也可用滿足正態(tài)分布的沉降槽來表示，并且假設(shè)在任意深度沉降槽的體積均與地表的相等（圖1），同時滿足規(guī)律［5］。最大豎向沉降Sz，max隨著深度Z的增加而增大。隧道沉降槽的寬度i隨著深度Z的增加而減小。

圖1 隧道橫向沉降槽在不同深度的分布Fig.1 Distribution of tunnel lateral settlement grooves at different depths

1.2 不同土體本構(gòu)模型下的橫向沉降分布曲線

不同土體本構(gòu)模型下橫向沉降槽分布曲線［6］可知（圖2），Drucker－Prager模型橫向沉降槽最淺，Cam－Clay模型最深。距離隧道中心線越遠，各土體本構(gòu)模型沉降槽均趨近于0，但速度快慢不同，沉降槽最淺的Drucker－Prager模型變化最緩慢，因此對周邊的影響范圍最大。結(jié)合之前的建模經(jīng)驗，該工程采用Drucker－Prager土體本構(gòu)模型模擬隧道掘進開挖最為合適。

圖2 不同土體本構(gòu)模型下的橫向沉降槽［6］Fig.2 Transateral sedimentation tank under different soil constitutive models

1.3 Drucker－Prager土體本構(gòu)模型

在隧道工程中，土體往往表現(xiàn)出不均勻性和各向異性，在外荷載的作用下，容易發(fā)生屈服，產(chǎn)生彈性變形及不可逆的塑性變形，因此土體呈現(xiàn)出非線性。Drucker－Prager彈塑性模

型能很好地處理具有不同屈服強度的材料，其屈服面不隨材料的屈服而變化，同時還考慮了材料由于屈服而引起的體積膨脹，因此適用于模擬土、混凝土等材料［7］。Drucker－Prager模型的屈服面方程為：

式中：I1為應力的第一不變量，J2為應力偏量第二不變量；α，K為實驗常數(shù)。

在實際工程中采用有限元計算軟件模擬盾構(gòu)穿越施工過程，預測施工完成后既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大沉降量，應根據(jù)地質(zhì)勘察報告的相關(guān)土層參數(shù)建立三維塊體單元模型，而后利用經(jīng)驗確定盾構(gòu)推進時產(chǎn)生的地層損失率計算既有建構(gòu)筑物的變形沉降。

2 工程實例

2.1 工程概況

杭州城市快速路地下通道工程線路全長為5.28km，采用以盾構(gòu)為主、明挖為輔的施工方案，其中盾構(gòu)段為東西2段雙線隧道，西段隧道長約1.84km；東段隧道長約1.75km。隧道外徑為11.36m，內(nèi)徑為10.36m，環(huán)寬為2m，管片厚度為500mm，環(huán)間采用錯縫拼接方式。線路最大縱坡為3%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 200m，采用一臺直徑11.66m大型泥水平衡式盾構(gòu)掘進機。

地鐵2號線隧道采用外徑為6 200mm，內(nèi)徑為5 500mm，襯砌厚度為350mm的管片結(jié)構(gòu)。襯砌環(huán)全環(huán)由6塊組成，即1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標準塊構(gòu)成。環(huán)間采用錯縫拼接方式。區(qū)間上行線長為1 558.5m，下行線長為1 571.9m。隧道埋深為9.4～17.3m，最大縱坡為24‰。

工程大盾構(gòu)西段隧道在道路路口垂直下穿既有地鐵2號線區(qū)間，路口下方有大量重要管線，周邊有多座住宅樓及商鋪。交叉節(jié)點處地鐵2號線位于②淤泥及淤泥質(zhì)黏土，隧頂埋深約為10.4m。地下通道大盾構(gòu)上部位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部位于④淤泥質(zhì)黏土，潛水位埋深為地面下1.60～2.50m。擬建范圍②～④層均為流塑狀淤泥質(zhì)土，地基承載力特征值僅有80～90kPa，具有低強度、高壓縮性，有較明顯的蠕變、觸變特性，屬于典型的軟土地層。快速路地下通道與地鐵2號線隧底最小豎向凈距僅為5.3m，在軟土地區(qū)超大直徑盾構(gòu)施工對既有地鐵隧道的影響較大，二者平面及立面關(guān)系（圖3）。

圖3 西段隧道與地鐵2號線相對關(guān)系圖Fig.3 Relative relationship diagram between the west section tunnel and metro No.2line

2.2 工程難點

（1）大斷面盾構(gòu)下穿。地下通道采用11.66m大直徑泥水平衡盾構(gòu)機，管片外徑為11.36m，大斷面施工影響范圍大，不易控制。

（2）大盾構(gòu)與地鐵2號線隧道最小豎向凈距僅為5.3m，所處土層為③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層軟弱，承載力低，并且地鐵2號線已洞通，不存在做地面加固的條件。大盾構(gòu)下穿對地鐵2號線的影響較大，需同時考慮大盾構(gòu)雙線穿越后對地鐵隧道的疊加影響。

（3）穿越節(jié)點位于道路路口，上方管線眾多，周邊建構(gòu)筑物林立，環(huán)境復雜，對施工控制地表沉降的要求較高。

2.3 沉降控制標準

參考“城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范”規(guī)范，以及地方工程建設(shè)標準“城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程”關(guān)于地鐵結(jié)構(gòu)的安全控制值進行保護［8］，此工程快速路地下通道大盾構(gòu)穿越地鐵2號線的變形控制指標（表1）。

表1 地鐵2號線結(jié)構(gòu)安全控制指標Table 1 Structure safety control index of metro No.2line

報警值按安全控制指標的70%控制，當?shù)罔F隧道沉降超過報警值時，應及時采取注漿加固等技術(shù)措施防止地鐵隧道的進一步變形沉降。

2.4 有限元計算模型

研究采用有限元計算軟件MIDAS／GTS NX 2017建立三維模型進行計算，模型長120m，寬50m，高50m。土體本構(gòu)模型選用非線性Drucker－Prager模型，襯砌結(jié)構(gòu)按線彈性考慮，材料采用C50混凝土；注漿加固體按線彈性考慮，材料采用C15混凝土，范圍為隧道外2m?？焖俾返叵峦ǖ来蠖軜?gòu)穿越地鐵2號線的土層至上而下分別為：①雜填土；②淤泥及淤泥質(zhì)黏土；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④淤泥質(zhì)黏土；⑤黏土；⑥粉細砂，地下水位埋深取地面下2m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，計算模型的土層參數(shù)（表2）。

表2 土層參數(shù)Table 2 Soil layer parameters

有限元計算模型邊界左右2端約束其不可橫向移動，只可豎向移動；底端約束其水平和豎向位移；頂端自由，不加約束條件。

施工順序：首先，地鐵2號線完成施工（初始狀態(tài)）；其次，快速路地下通道大盾構(gòu)北線隨后施工；最后，快速路地下通道大盾構(gòu)南線最后施工的順序設(shè)定，以分析地下通道大盾構(gòu)下穿地鐵2號線的變形沉降影響。在計算模型中，在大盾構(gòu)掘進方向每5m作為一次開挖土體單元，通過“鈍化”相應網(wǎng)格組模擬開挖過程，同時“激活”等長度的襯砌單元和等代層土體單元模擬隧道管片拼裝及注漿加固施工。

2.5 計算結(jié)果

2.5.1 工況一：大盾構(gòu)南北線下穿地鐵2號線時均不加固

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)，快速路地下通道南北線大盾構(gòu)均以地層損失率3‰下穿地鐵2號線區(qū)間，但施工過程中不采取同步注漿、壁后二次注漿等加固措施，大盾構(gòu)掘進過程中對地鐵2號線的變形沉降影響（圖4）。

圖4 大盾構(gòu)掘進過程中對地鐵2號線的影響曲線Fig.4 Influence curve on metro No.2line in the process of large shield tunneling

根據(jù)計算結(jié)果可知，在不采取注漿加固的措施下，大盾構(gòu)單次穿越地鐵2號線區(qū)間，產(chǎn)生的沉降均超過10mm。當大盾構(gòu)雙線穿越后，對地鐵2號線區(qū)間產(chǎn)生的累計沉降均超過20mm，不滿足相關(guān)地鐵保護的要求，需在大盾構(gòu)穿越時對既有地鐵隧道采取加固措施。

2.5.2 工況二：大盾構(gòu)南北線下穿地鐵2號線采用注漿加固措施

快速路地下通道南北線大盾構(gòu)在穿越地鐵2號線期間及時進行同步注漿加固，穿越后及時進行2次補漿加固。當大盾構(gòu)雙線均以地層損失率3‰下穿地鐵2號線時，大盾構(gòu)掘進完成后對地鐵2號線的變形沉降影響對比（圖5）。

圖5 大盾構(gòu)完成掘進后對地鐵2號線的影響曲線對比Fig.5 Comparison of the influence curve on metro No.2line after the large shield tunneling process

根據(jù)計算結(jié)果可知，當采取注漿加固措施后，地鐵2號線左線產(chǎn)生的累計沉降減小23%，右線產(chǎn)生的累計沉降減小32%，隧道橫向沉降槽呈“U”字形，與Peck法確定的沉降分布曲線相一致。大盾構(gòu)單次穿越地鐵2號線產(chǎn)生的沉降均小于10mm，雙線穿越后產(chǎn)生的累計沉降小于20mm，滿足相關(guān)地鐵保護的要求。

2.6 技術(shù)保護措施

根據(jù)有限元計算結(jié)果，快速路地下通道大盾構(gòu)下穿地鐵2號線區(qū)間的方案是可行的，但由于施工過程中盾構(gòu)施工參數(shù)的不穩(wěn)定以及注漿加固的不及時，仍可能存在眾多不確定的風險。為了保證大盾構(gòu)穿越地鐵2號線的安全，建議在穿越期間著重采用以下技術(shù)措施［9－12］。

（1）可將大盾構(gòu)穿越地鐵2號線前100m作為試驗推進段，就盾構(gòu)推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、正面泥水平衡壓力、出土量、同步注漿量等施工參數(shù)與地面、沿線建構(gòu)筑物的沉降關(guān)系進行分析，掌握在此地質(zhì)條件下地面和建構(gòu)筑物的沉降規(guī)律，獲得的施工參數(shù)用于指導后續(xù)地鐵2號線區(qū)間的穿越。

（2）盾構(gòu)推進時，及時進行同步注漿加固，同步注漿率≥110%，充填管片與土體間的空隙，減少施工過程中土體的擾動。在穿越地鐵2號線的區(qū)段設(shè)置增設(shè)預埋注漿孔的管片，每個鄰接塊和標準塊增加2個注漿孔。在大盾構(gòu)穿越地鐵隧道之后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，及時對地鐵結(jié)構(gòu)后期沉降較大的區(qū)域進行二次注漿加固，進一步減小地鐵隧道的變形沉降。

（3）在穿越地鐵2號線的區(qū)段時，大盾構(gòu)隧道管片縱向增設(shè)剪力銷，環(huán)向管片接縫處增設(shè)預埋鋼板，以此來增大大盾構(gòu)的整體剛度，減小大盾構(gòu)隧道的收斂變形及位移，從而減小對地鐵2號線區(qū)間變形沉降的影響。

（4）大盾構(gòu)在下穿地鐵2號線期間嚴格保證掌子面泥水平衡壓力的穩(wěn)定，嚴禁超挖或欠挖，保證地層損失率≤3‰，盡可能使大盾構(gòu)均衡、勻速地穿越地鐵隧道，避免發(fā)生過大的糾偏，減小對土體的擾動。

（5）地鐵2號線在穿越節(jié)點處前后不小于50m范圍內(nèi)加強監(jiān)測點的布設(shè)和加大監(jiān)測頻率，采用以自動化監(jiān)測為主，人工監(jiān)測為輔的方案，及時將地表和地鐵隧道的變形沉降情況反映給大盾構(gòu)施工人員，以便他們可以及時調(diào)整施工參數(shù)及注漿量，確保大盾構(gòu)穿越地鐵隧道時的施工質(zhì)量［13］。

3 結(jié)論

快速路地下通道大盾構(gòu)北線于2017年5月2日進入地鐵2號線影響區(qū)范圍，5月6日盾構(gòu)機盾尾拖出2號線影響區(qū)范圍。南線大盾構(gòu)于2018年1月29日進入地鐵2號線影響區(qū)范圍，2月6日盾構(gòu)機盾尾拖出2號線影響區(qū)范圍，而后根據(jù)地鐵隧道的沉降監(jiān)測情況進行了4個多月的二次補漿加固。大直徑泥水平衡盾構(gòu)順利、安全地穿越地鐵2號線區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，大盾構(gòu)雙線穿越后，地鐵2號線上行線產(chǎn)生的最大累積沉降達到－14.3mm，下行線產(chǎn)生的最大累積沉降達到－12.0mm。

通過工程實踐表明，在施工過程中采取注漿加固、優(yōu)化施工參數(shù)等技術(shù)措施，可將地鐵結(jié)構(gòu)的變形沉降控制在理論計算范圍之內(nèi)，并略小于理論計算值?？紤]到實際施工過程中影響因素眾多，有限元計算模型土層及材料相關(guān)參數(shù)的選取基本準確。后續(xù)可通過注漿加固體試塊實驗，得到相關(guān)計算參數(shù)，如內(nèi)摩擦角、粘聚力、壓縮模量等，在有限元模型計算中用試驗取得的參數(shù)模擬注漿加固體，可使理論計算值更接近現(xiàn)場監(jiān)測值。該工程的順利實施可為今后同類工程的設(shè)計、施工提供參考借鑒。