新建盾构隧道下穿既有地铁隧道的施工安全性影响分析

新建盾构隧道下穿既有地铁隧道的施工安全性影响分析

王凌云

中国铁路设计集团有限公司  天津  300308

摘要：针对盾构隧道下穿既有地铁区间段隧道时引起的地表沉降及既有隧道沉降问题，以安徽省内某高铁工程拟建城市盾构隧道下穿合肥地铁3号线为工程背景，利用有限元软件模拟盾构隧道施工过程对主要控制位置的变形并进行分析。结果表明：拟建盾构隧道下穿既有地铁隧道施工过程中，地表沉降及既有隧道衬砌结构沉降均在变形控制标准内且影响不大，安全风险可控；拟建盾构隧道通过控制盾构推荐参数、盾构姿态、加强监测等措施，可大幅降低相关施工风险。

关键词：盾构隧道；安全评估；下穿地铁隧道；有限元分析

中图分类号：TU91

0 引言

随着国家高速铁路网“八纵八横”主骨架的逐步完善，与城市地下轨道交通的快速发展，很多大中型城市越来越多的出现了地下交通工程交叠设计、交叉施工的情况。新建线路穿越既有线路成为关注重点，同时，相关学者对于盾构施工对周边环境的影响和引起的土层位移有了大量的研究和丰硕的成果{1-3}。目前，在新建隧道与既有隧道相互影响方面也已有了很多研究成果{4-6}。但是，在安徽地区新建盾构隧道正交下穿既有地铁盾构隧道的情况并不多见，本文结合工程实例对盾构隧道正交下穿既有隧道的变形进行了分析总结，提出了有益的建议。

1 依托工程概况

1.1基本概况

合肥市某高速铁路隧道全长7.78km，为设计速度目标值200km/h的单洞双线隧道，该隧道综合采用明挖法和盾构法施工，隧道盾构管片采用预制钢筋混凝土结构，管片外径12.8m，厚55cm。隧道下穿既有合肥地铁3号线盾构区间右、左线隧道，下穿段地铁为双洞单线盾构隧道，盾构管片外径6.0m，管片厚度30cm，平面交角约为90°，下穿段地铁隧道埋深约10.7m，高铁隧道埋深约29m，结构净距约12.2m。隧道主要穿越粉质黏土和泥质砂岩地层，地质条件一般。

2 采取的控制措施

隧道下穿合肥地铁3号线施工时以洞内措施为主。洞内措施分为工艺措施和工程措施。工艺措施为控制盾构推进参数、控制盾构姿态、控制盾构推进时地层损失率在0.5%以内，工程措施为管片背后注浆。盾构掘进时严格控制泥水平衡盾构掘进参数、加强同步注浆，盾构通过后根据监测情况进行二次补强注浆，严格控制地层损失率。必要时考虑地层预加固。

3 数值模拟

3.1模型建立

按照高铁隧道平面图及纵断面图，确定隧道间的位置关系、距离和地层；根据隧道埋深、交叉区域的大小、地层情况，确定整体模型的大小（长×宽×高）为120m×80m×90m，如图4-1所示，高铁盾构隧道管片外径12.8m，厚55cm；既有地铁盾构管片外径6.0m，管片厚度30cm，两隧道垂直正交。为提高计算精度，采用混合六面体网格单元进行施工模拟。地层采用摩尔库伦本构模型。地层的弹性模量、重度、粘聚力、摩擦角等参数均由该项目地勘报告中选取，隧道衬砌管片参数按照C60混凝土选取，采用3D实体进行模拟。对两侧垂直边界施加水平向约束，底部水平边界施加水平和垂直向约束，地层表面为自由面。盾构隧道范围内土层主要为第四系全新统人工堆积层杂填土，第四系上更新统冲积层黏土和白垩系中统张桥组泥质砂岩。

图3-1 下穿地铁区间隧道模型示意图

3.2结果分析

（1）既有隧道沉降分析

由正交隧道的特征可知，在对称面处，既有隧道将产生最大变位，取该截面处既有隧道管片衬砌的外表面节点的计算结果来分析新隧道施工对既有隧道的影响。

正交隧道施工时，既有隧道将发生不均匀沉降，图3-2为新隧道修建完成后既有隧道底部节点的沉降曲线，可以看出既有隧道的最大沉降发生在新建隧道中心线位置，最大值为1.5mm，既有隧道结构沉降的最大允许值为3mm，计算的最大沉降小于最大允许值，故不需对地层进行加固处理。

图3-2 既有隧道底部节点沉降曲线

由于在既有隧道正下方开挖，使得其下方土体密实度降低，破坏原有的平衡，土体将发生再固结，使得地层产生沉降，既有隧道也随之发生变形，产生纵向弯曲变形。

图3-3 地表沉降竖向位移云图                                图3-4 既有隧道竖向位移云图

（2）计算结果汇总分析

根据规范《TB10314-2021邻近铁路营业线施工安全检测技术规程》第七章第二节所述，盾构隧道下穿地铁区间隧道段地表沉降、地铁区间隧道沉降、管片结构沉降、管片结构收敛情况计算值及其规范规定的限值见表4-2。

表3-2 计算结果汇总

根据以上计算结果，对于地表及既有地铁隧道：

1）地表最大沉降值1.17mm，出现于隧道开挖完成时，该变形值满足盾构隧道地面沉降10mm控制标准；

2）既有隧道沉降最大为1.42mm，满足规范要求的3mm控制标准。

4 结论及建议

（1）对于地铁三号线隧道工程，为控制盾构施工引起的地铁隧道结构变形沉降、减少高铁隧道与地铁隧道之间的相互影响和扰动，建议在盾构施工期间，进行降速掘进，减少对地层的扰动。下穿时可以考虑对高铁和地铁之间的地层进行预加固。施工期间注意控制盾构施工参数，加强对地铁隧道的监测以及养护等工作。

（2）数值模拟分析表明，隧道下穿地铁区间隧道时采取的相关加固措施是有效的，保证了相关沉降或变形值能够满足相关规范要求。

（3）根据调查分析资料、工程经验及数值模拟结果，施工前对既有隧道重点部位进行必要的修复加固。

（4）本工程施工前，应结合现场条件，确定相应的工程措施及监控量测措施，确保工程安全及既有地铁区间隧道的运营安全。

（5）编写相应应急预案，发生紧急情况时使用。

参考文献：

[1] 陆征宇. 软土地层地铁盾构施工风险评估与控制方法研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2015.

[2]张海波，殷宗泽，朱俊高．地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J]，岩石力学与工程学报，2005(5)：755—760．

[3] 韩煊．隧道施工引起地层沉降及建筑物变形预测的实用方法研究[D]．西安：西安理工大学，2007．

[4] 林刚．地铁重叠隧道施工顺序研究[J]．现代隧道技术，2006，(6)：23—28．

[5] 赵巧兰，林巍．小净距、长距离重叠盾构隧道设计、施工技术[J]．铁道标准设计，2009，(10)：78—83．

[6] 张晓清，张孟喜，李林，李武祥，王有成．多线叠交盾构隧道近距离穿越施工扰动机制研究[J]．岩土力学，2017，38(4)：1133—1140．