盾构隧道下穿对既有隧道影响分析

盾构隧道下穿对既有隧道影响分析

康亚莉

中建八局第三建设有限公司       江苏南京  210009

摘要：新建隧道下穿既有盾构隧道，必然会引起既有隧道不均匀变形。以青岛地铁6号线为背景，建立了三维有限元计算模型，研究了盾构隧道下穿施工对既有隧道的影响。研究结果表明，对于盾构施工下穿既有隧道，应着重监测与施工方向平行管道的沉降，并做好相应的沉降控制措施。

关键词：下穿；盾构隧道；开挖；沉降

1引言

随着城市地铁建设的迅速发展，地铁线网越发复杂。密集的地铁网的建设中新建盾构隧道势必穿越既有的管道线路，如何保证新建隧道能够顺利下穿既有管道线路，并确保既有管道线路的结构安全，目前无法从理论层面，且存在三大核心问题，即：既有隧道变形规律不清楚，控制标准不全面，施工措施不可靠，上述三类问题是目前隧道领域内普遍面临并急需解决的核心难点[1-3]。

现有的研究方法主要有理论计算、数值仿真以及经验模型和现场监测，数值模拟法因其操作方便，投资小而被广泛应用。刘树佳等[4]建立了三维弹塑性模型，对上海地铁11号线上跨、下穿既有4号线的多线叠加复杂工况进行了研究。江华等[5]将有限元数值模拟计算结果与现场监测数据对比，对深圳地铁隧道上跨施工对既有线引起的变形进行了研究。赵宇鹏等[6]将现场监测与数值模拟法相结合研究了昆明两层四线叠交的特殊地铁施工工况，研究结果表明新建隧道与既有隧道的影响与两隧道夹角成反比。

鉴于上述问题陈述，现以青岛地铁6号线江山路为附近路段为研究对象，运用有限元软件ABAQUS模拟盾构施工过程，探究施工过程中新建盾构隧道对既有管道变形的影响，从而更好的指导了施工过程并为该类施工提供了参考依据。

2工程概况

青岛地铁6号线江山路两侧地下水管众多，埋深约1~3m。附近主要管线有雨水管、砼雨水管、铸铁上水管、钢燃气管。盾构下穿既有管道段里程为：ZDK36+364.525~ZDK37+655.262，盾构隧道所处区域地处为微风化凝灰岩层。

3数值模拟

为了较好地模拟盾构隧道下穿施工过程对既有管道的影响，同时考虑所建模型的合理性，在满足研究目的的条件下，根据研究内容对所建模型进行适当简化处理。为了简化模型和减少计算量，对模型的建立提出了以下假定：

（1）初始地应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响；

（2）不考虑地下水在开挖过程中的影响；

（3）所有材料均为均质、连续、各向同性；

（4）岩土体按线性摩尔-库伦理想弹塑性材料考虑，盾构管片及加固去取弹性材料；

（5）忽略盾构下穿施工的时间效应，认为土体和结构的变形只与开挖步有关，不考虑土体的固结和蠕变作用；

3.1模型建立

根据下穿区间与临近管线关系，采用有限元软件ABAQUS对新建盾构隧道下施工建立了简易的模型并进行了分析计算，模型尺寸为（50 m*30 m*50 m）(长×宽×高)。新建盾构隧道截面为圆形，顶部8.5 m处存在三道直径为1 m且间距7 m布置的砼雨水管，在砼雨水管顶5.5 m正交布置直径为1 m的混凝土管道，并且模型网格划分包含了52062个单元。

盾构施工开始时既有隧道和岩土体在重力的作用下均已完成固结沉降，因此可以认为施工过程中产生的沉降完全是由于新建隧道的对岩土体的扰动产生的。新建隧道的盾构开挖以及注浆浆液的硬化过程在ABAQUS中通过单元生死和弹性模量软化法来实现。计算模型近似为半空间无限体，边界条件则是将模型底面X、Y、Z方向固定，侧面X、Y方向位移固定。

既有管道以及盾构隧道与周围岩土之间的接触采用面面接触，考虑混凝土与周围岩石之间的滑移与分离。土体和管片仅采用C3D8R单元进行模拟，土的本构关系选用摩尔库伦模型，相关计算参数见参考文献[7-9]。

3.2结果分析

3.2.1地层变形结果

距离地表30m处存在两道并行的新建盾构隧道，两隧道同时施工，通过数值计算得到盾构开挖会对地表沉降产生影响，受隧道开挖影响，土体竖向势必产生扰动。分析发现盾构施工对垂直方向上的土体扰动较大，与沉降中心线距离越远，沉降值越小，沉降规律符合Peck曲线特征，曲线呈“V”型。但由于本项目所处地质环境较好，盾构施工对地表土体仅仅产生0.1mm量级的沉降影响，沉降较小，因此本项目施工对上部既有管线影响较小，较为安全。

3.2.2既有管道变形结果

分析的项目场地内在距离地表5.5m以及8.5m处分别存在正交的砼雨水管道，可知在平行于盾构施工方向的管路下侧受拉力，而其上侧则受压力，因此在施工过程中应注重对平行于施工方向的管路的保护，而与施工方向正交的管路收施工影响较小。在地下8.5m有三道相互平行的砼雨水管道，取中间管道进行分析，随着管片数即盾构施工的进行，监测点处的沉降逐渐线性增加，研究区间段施工完毕后产生了0.4mm的沉降量。沿施工方向对管道沉降做了分析，发现盾构施工对平行管道沉降影响较大，因此在施工过程中应监测与施工方向一致的管道沉降并做好沉降控制措施。

由于加固区的存在盾构施工对沿线方向管道影响较小，在施工垂直方向影响较大，最大沉降为0.3mm左右。与沉降中心线距离越远，沉降值越小，沉降规律符合Peck曲线特征，曲线呈“V”型。因此，在施工相应管片时对加强对相应管片周围的土体的加固，从而减小对周边管道的影响。

4结论

（1）本项目所处地质环境较好，盾构施工对地表土体仅仅产生0.1mm左右。的沉降影响，沉降较小，因此本项目施工对上部既有管线影响较小，较为安全。

（2）盾构施工过程中应着重监测与施工方向平行管道的沉降，并做好相应的沉降控制措施。与施工方向正交管道的沉降符合Peck曲线特征，即与沉降中心线距离越远，沉降值越小，曲线呈“V”型。

参考文献

[1]曾铁梅,刘茜,冯宗宝,陈虹宇,吴贤国.基于PCBN模型盾构下穿既有隧道施工安全风险评价[J/OL].隧道建设(中英文):1-7[2021-11-11].

[2]钟晟.地铁盾构隧道近距离下穿公路箱涵结构影响研究[J].土工基础,2021,35(05):557-562.

[3]周建勇.盾构下穿既有高速公路安全性评估及施工技术研究[J].铁道建筑技术,2021(09):115-118+139.

[4]刘树佳, 张孟喜, 吴惠明, 等. 新建盾构隧道上穿对既有隧道的变形影响分析 [J]. 岩土力学, 2013,34（增1）: 399–405.

[5] 江华, 殷明伦, 江玉生，等. 深圳地铁盾构隧道近距离上跨既有线引起的结构变形研究 [J]. 现代隧道技术, 2018（1）：194.

[6]赵宇鹏, 陈道政. 盾构隧道上跨施工对既有隧道变形的影响研究[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）2021, 44（11）:1525-1530.

[7]张劲,王庆扬,胡守营,王传甲.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证[J].建筑结构,2008(08):127-130.

[8]秦浩,赵宪忠.ABAQUS混凝土损伤因子取值方法研究[J].结构工程师,2013,29(06):27-32.

[9]张瑞金,胡奇凡.摩尔库伦和修正摩尔库伦本构有限元模拟结果对比分析[J].中国房地产业,2015(08):256-258.