宁波软土地区双线隧道上穿施工对既有隧道变形性状的影响_刘喜东.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023宁波软土地区双线隧道上穿施工对既有隧道变形性状的影响刘喜东*（上海隧道工程有限公司，上海 200000）摘 要 为了估计宁波轨道交通5号线同德路站-石碶站上穿既有2号线鄞州大道站-石碶站对既有隧道变形性状的影响，采用数值模拟结合现场监测数据的方法，分析了上穿施工时既有隧道沉降与水平收敛的变化特征。结果表明：5号线下行线开挖对既有2号线隧道产生的隆起明显大于5号线上行线开挖造成的隆起；5号线双线贯通时，隆起值的峰值处于两个交叉点连成的直线范围内，此时2号线隧道沉降值呈“几”形分布；5号线上穿隧道的开挖对既有2号线隧道的水平收敛影响微小；既有隧道2号线水平收敛主要受上穿隧道5号线上行线隧道即先开挖一侧隧道所影响；上穿隧道先开挖一侧施工过程中，既有隧道隆起速度最大、交叉处隆起较快；随着上穿隧道的开挖，交叉处既有隧道水平收敛方向以向内为主、收敛量逐渐增大、收敛速度在上穿隧道即将贯通时最大。关键词 既有隧道，上穿隧道，施工，沉降，水平收敛Deformation Features of Existing Tunnel during Upper Crossing Construction of Double-track Shield Tunnel in a Soft Soil Area of NingboLIU Xidong*（Shanghai Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200000，China）Abstract In order to estimate the influences of the over-crossing construction in Tongde Road Station to Shiqi Station of the metro line 5 on the deformation features of the existing tunnel in Yinzhou Avenue Station to Shiqi Station of the metro line 2 in the Ningbo city，the numerical simulation method was combined with the field monitoring data to examine the change features of the settlement and horizontal convergence of the existing tunnel.The results show that the heave deformation caused by the downstream excavation of the line 5 to the existing tunnel of line 2 is obviously greater than that caused by the upstream excavation of line 5.When the line 5 is wholly connected，the peak heave displacement is located within the intersection areas of the two metro lines，and the settlement distributions of the tunnel in line 2 show a“n”shape.The excavation of the tunnel in the line 5 has little effect on the horizontal convergence of the existing tunnel in the line 2.The horizontal convergence of the existing tunnel is mainly affected by the previous excavated side of the tunnel in the over-crossing tunnels.During the previous construction of the over-crossing，the heave deformation speed of the existing tunnel approaches the maximum one，especially in the intersection areas.When the excavation of the over-crossing tunnel is conducted，the horizontal convergence direction of the existing tunnel at the intersection areas is mainly inward，and the horizontal convergence value increases gradually with the speed approaching to the maximum one around the completion of the new tunnel.Keywords existing tunnel，upper crossing tunnel，construction，settlement，horizontal convergence 收稿日期：2021-08-03*联系作者：刘喜东（1980-），男，高级工程师，主要从事地下工程施工技术的研究工作。E-mail：liuxidong_DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.010Structural Engineers Vol.39，No.1 Engineering Construction0 引 言 盾构隧道施工具有开挖速度快、施工成本低、不受气候影响等优点。研究盾构隧道施工与土体相互作用的方法主要有数值模拟、现场监测、理论公式、模型试验、经验分析等。然而，大多数研究集中于盾构隧道施工对周边土体、建筑物以及隧道本身带来的影响，隧道交叉穿越既有隧道时施工对既有隧道的影响研究很少。因此，有必要结合数值模拟和实测数据分析等手段来研究穿越施工时既有隧道变形性状的影响。对于交叉穿越既有隧道的研究，赵俞成等1采用数值模拟方法分析了施工顺序对垂直交叉隧道的影响，研究了既有隧道附近土体的应力传递机制；甘晓露等2以深圳地铁9号线双线隧道下穿既有地铁4号线为例，结合理论公式与现场监测资料，分析了双线隧道水平距离、土体损失、竖向净距对隧道沉降和弯矩的影响；杜文等3以长春地铁1号线卫星广场站下穿轻轨3号线工程为例，采用数值模拟与监测数据，分析了下穿隧道施工对轻轨隧道的影响；魏纲等4以上海某新建隧道下穿已建隧道工程为例，采用理论公式研究了盾构下穿前后既有隧道环向围压、弯矩、轴力以及剪力的变化；周庆国 5以成都5号线近接下穿既有3号线为工程背景，结合数值模拟与监测数据研究了不同注浆加固范围的保护效果、注浆过程对隧道结构的影响；魏纲等6使用理论公式研究了叠交段上部盾构开挖对下部既有隧道的竖向位移影响；王超东等7以福州地铁2号线为例，采用模型试验方法分析了盾构上穿施工对既有隧道稳定性的影响；赵凯等8结合理论解答、数值模拟、监测数据，分析了既有双线公路隧道沉降影响范围大小以及沉降位移特征；刘新军等9以南京地铁 5号线三山街站-朝天宫站区间盾构隧道下穿既有地铁1号线隧道为工程背景，分析了盾构隧道施工对地层与既有隧道变形的影响；梁发云等使用理论推导分析了土体成层性对既有隧道变形性状的影响10，采用模型试验方法研究了紧邻地铁隧道深基坑开挖工程中既有隧道的变形特性11，使用室内试验方法提出了软土地区基坑和隧道等工程数值模拟参数的确定方法12。由于软土地区土体物理力学性质较差，上穿隧道施工会对既有隧道产生比较复杂的影响，软土地区交叉穿越既有隧道仍然是有待研究的课题。本文拟以宁波轨道交通5号线同德路站-石碶站上穿既有隧道2号线工程为背景，采用数值模拟与现场监测数据相结合的方法，研究上穿隧道施工引起的既有隧道沉降与隧道水平收敛的变化特征，所得结果对分析软土地区上穿盾构隧道施工对既有隧道的影响具有一定的参考价值。1 工程概况 如图1和图2所示，本文所研究的浙江省宁波轨道交通5号线同德站-石碶站上穿既有2号线鄞州大道站-石碶站隧道区间在鄞县大道与雅戈尔大道路口处，呈约76角斜交状态。其中，5号线同德-石区间隧道为单洞双线，上行线先行开挖，下行线后开挖，盾构隧道内径5.5 m、外径6.2 m，每一环衬砌宽度1.5 m，错缝拼装。图1研究区段场地周边环境Fig.1Surrounding environment of study area图2研究区段上穿2号线平面图Fig.2Plan of upper crossing line 2 in study section162 工程施工 结构工程师第 39 卷 第 1 期5号线上行线904985环为穿越影响区，此处隧道顶覆土埋深约10.7 m。穿越施工时，5号线隧道底部距离2号线下行线隧道顶部1.239 m，距离2号线上行线隧道顶部1.167 m。5号线下行线917995环为穿越影响区，隧道顶覆土埋深约10.7 m。穿越施工时，5号线隧道底部距离2号线下行线隧道顶部1.233 m，距离2号线上行线隧道顶部1.170 m。5号线施工对2号线影响范围是上行线743818环、下行线747822环。2 土层性质 本文所建模型中的土层性质和土层厚度选自同德站-石碶站M2S4BZ1S4XZ7区段，场地地层如图3所示。根据勘察资料，5号线同德站-石碶站隧道主要处于2b淤泥质黏土、1a黏土、1b粉质黏土层中，既有2号线鄞州大道站-石碶站隧道主要处于1b粉质黏土层中。而2b淤泥质黏土，呈流塑状态，具高压缩性，灵敏度高，是场地主要软弱土层之一；5号线隧道盾构开挖过程易造成土体破坏，进而诱发既有2号线隧道产生变形。3 数值模型 3.1模型假设隧道开挖过程中，沿开挖方向土层性质与地下水位会时刻发生变化。为简化计算，本文建立数 值 模 型 时 做 如 下 假 设：土 体 采 用 Mohr-Coulomb屈服准则；各土层厚度沿盾构开挖方向保持不变，为均匀层状土；将实际5号线与2号线呈现 76角的斜交状态简化为垂直交叉状态；不考虑土体的排水固结效应。3.2模型网格以及边界考虑到边界效应，模型深度取4倍隧道埋深，模型横向范围取5倍隧道直径，地层模型三向尺寸分别确定为 90 m、90 m、45 m。三维隧道开挖模型如图4所示。图中，X代表横向，Y代表掘进方向，Z代表深度方向，5号线隧道间距为 16 m，2号线隧道间距为15.766 m。模型网格划分时，土体单元为八节点线性六面体减缩单元，注浆以及衬砌部分为八节点线性六面体非协调单元，盾壳部分为四节点曲面通用有限膜应变壳单元，模型单元总数为 79 472个。边界条件为：模型四周表面限制法向位移，底面限制X、Y、Z方向位移。3.3计算工况5 号线隧道的盾构机长度取 8 环隧道长度图3研究区段的土层分布（单位：m）Fig.3The soil distributions in study area（Unit：m）图4三维隧道开挖模型Fig.4Three-dimensional tunnel excavation model163Structural Engineers Vol.39，No.1 Engineering Construction（12 m），每次开挖一环（1.5 m）土体，模型中待开挖环数总计120环（180 m），其中上行线60环、下行线60环，先开挖上行线再开挖下行线。开挖分析步骤中采用杀死土