盾构下穿时既有隧道变形机理及遮帘效应研究_张小妹.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022盾构下穿时既有隧道变形机理及遮帘效应研究张小妹1,邓碧2,苏栋2,3,4,林星涛2,3,4,陈湘生2,3,4(1.深圳市前海建设投资控股集团有限公司,广东 深圳 518066;2.深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060;3.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室,广东 深圳 518060;4.滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室,广东 深圳 518060)摘要:采用三维有限元数值分析,研究了不同竖向间距盾构下穿施工时既有隧道和地层的变形机理,及既有隧道的遮帘效应。结果表明:下穿工况中,既有隧道的竖向沉降小于基准工况(无既有隧道)中相同位置处的地层沉降,且间距越小差距越大;不同下穿间距下既有隧道横截面变形差异明显,当间距小于 2D(D 为隧道直径)时,既有隧道横截面最终变形为斜“鸭蛋”型;当间距大于 2D 时,既有隧道横截面变形为竖“鸭蛋”型;由于既有隧道的刚度远大于地层,对隧道上方一定范围内的地层产生遮帘作用,导致该范围内地层沉降较小,且随埋深增加沉降先增大后减小;遮帘效应影响范围随新旧隧道竖向间距的增大而减小。关键词:盾构隧道;变形机理;数值仿真;下穿间距;遮帘效应中图分类号:TU455.43文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0760-07Research on Deformation Mechanism and Shadowing Effect of Existing Tunnel when Shield Tunnel UnderpassesZhang Xiaomei1,Deng Bi2,Su Dong2,3,4,Lin Xingtao2,3,4,Chen Xiangsheng2,3,4(1.Shenzhen Qianhai Construction Investment Holding Group Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518060,P.R.China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Shenzhen University,Shenzhen,Guangdong 518060,P.R.China;3.Shenzhen Key Laboratory of Green,Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station,Shenzhen,Guangdong 518060,P.R.China;4.Key Laboratory of Coastal Urban Resilient Infrastructures(MOE),Shenzhen,Guangdong 518060,P.R.China)Abstract:By use of the three-dimensional numerical simulation,this paper investigated the deformation mechanism of the existing tunnel and stratum and the shadowing effect of the existing tunnel caused by different vertical spacing shield during under-crossing construction.The results show that:In the underpass condition,the vertical settlement of the existing tunnel is less than the ground settlement at the same position in the reference condition(without existing tunnel),and with the smaller distance the settlement is larger.The cross-section deformation of the existing tunnel is obviously different under different underpass spacing.When the spacing is less than 2D(D is tunnel diameter),the existing tunnel cross-section will eventually deform into inclined“duck egg”type.When the spacing is more than 2D,the cross section of the existing tunnel deforms into vertical“duck egg”type.Because the stiffness of the existing tunnel is much greater than the ground,the existing tunnel yields the shadowing effect to the ground.Thus,the ground settlement in this range is small,and the settlement above the existing tunnel first increases and then decreases with the increasing depth.The influence range of the shadowing 收稿日期:2022-03-21(修改稿)作者简介:张小妹(1978),女,广东湛江人,博士生,高级工程师,主要从事排水深隧工程方面的研究。E-mail:40096337 通讯作者:苏栋(1978),男,福建永定人,博士,教授,主要从事岩土和隧道工程方面的研究。E-mail:sudong 基金项目:国家自然科学基金(52090081,51938008);广东省重点领域研发计划(2019B111105001)effect decreases with the increase of the vertical space between the new and old tunnels.Keywords:shield tunnel;deformation mechanism;numerical simulation;underpass spacing;shadowing effect0引言近年来,随着城市地下空间的大规模开发利用,新建盾构穿越既有隧道工程频繁出现。盾构穿越施工不可避免的会扰动既有隧道,引起其结构变形,甚至引发管片开裂、渗透水等病害1。这些病害不仅会在一定程度上给地铁运营带来安全隐患,严重时还会引发事故。因此,研究盾构穿越对既有运营隧道的影响具有重要意义。针对 该 问 题,国 内 外 学 者 展 开 了 相 关 研究2-15。许多学者2-4对下穿工程做了详细的实测分析。但现场实测往往受到周围环境影响较大,不同工程由于地层条件、空间位置与施工措施等影响因素不同,既有隧道最终变形量与受影响范围存在差异。现有的理论研究主要是基于 Winkler 弹性地基梁模型对隧道竖向变形进行求解,早期一般将地基反力考虑成一维弹簧模型作用5-6,无法考虑应力的连续性。近年来,虽然有学者7-8引入更多参数对 Winkler 模型进行了修正,但引入更多参数后,修正模型计算复杂,参数确定困难。且理论研究多是运用弹性模型,无法考虑塑性变形。随着计算机技术和数值分析软件的发展,数值计算方法能真实、有效、经济地模拟各种工程及其施工过程,广泛用于穿越影响机理分析与工程影响因素评估。陈越峰等9通过三维有限元方法,得到盾构下穿施工时,既有隧道随盾构掘进发展的沉降规律及施工影响特点。房明等10、刘镇等11结合广州地铁交叉隧道工程,改变复合地层类型,隧道覆土厚度,新旧隧道间距,施工参数及交叉角度进行数值模拟计算,从而得到不同工况下盾构施工对既有隧道沉降的影响。刘树佳等12运用数值模拟方法,得到新旧隧道间距,土仓压力及注浆量三者对既有隧道沉降的影响,并创新性的提出影响系数的概念。何祥凡等13针对上硬下软地层情况优化分析了掌子面顶推力。丁智等14采用三维有限元分析方法,在不同新旧隧道间距及角度工况下,分析了既有隧道变形和衬砌内力变化规律,并总结提出软土地区近接分区范围。Lin 等15对既有隧道纵向应力与横向扭转变形进行了深入研究,认为盾构下穿引起土体在既有隧道处产生土拱效应,使得既有隧道纵向受力发生偏移,并引起盾构正上方左右两侧既有隧道发生扭转。虽然之前学者针对盾构穿越问题已进行了较多的研究,但大都聚焦于盾构推进对地层扰动规律和既有地铁变形的影响方面。本文采用数值模拟方法,研究了不同竖向间距盾构下穿施工时隧道和地层的变形特性,以期揭示盾构下穿时新旧隧道间距对既有隧道变形机理及遮帘效应的影响规律。1三维数值模型1.1数值模型本文针对新建隧道与既有隧道正交的情况展开研究。为了提高计算效率,考虑问题的对称特性,有限元模型取实际问题的一半。地层沿新建隧道纵向的长度取 150 m,宽度取 100 m,高取 50 m,如图 1 所示。新建隧道正交下穿既有隧道,新建隧道和既有隧道直径均为 6 m,衬砌厚度均为 0.3 m。新建隧道埋深为 30 m,既有隧道的埋深根据分析的工况进行调整。模型单元数为 111 753 个,节点数为 181 816 个,如图 1 所示。模型 4 个竖向面设置为水平约束,模型底面设置为三向约束,顶面为自由面。土体和衬砌均采用实体单元模拟,盾构机采用板单元模拟。图 1隧道正交下穿有限元计算模型Fig.1FEM model of shield tunnel orthogonal crossing underneath1.2计算参数选取参考某实际工程,假设既有隧道和新建隧道都位于中粗砂层,为了更好的反应出盾构施工扰动对既 有 隧 道 的 影 响,中 粗 砂 采 用 小 应 变 硬 化 模型(HSS 模型)进行模拟。对于砂性土,当土体的内摩擦角 30时,剪胀角 可取-30,另外,对1672022 年增刊 2张小妹,等:盾构下穿时既有隧道变形机理及遮帘效应研究于砂土,HSS 模型中四个刚度参数的关系可取 Eref50ErefoedErefurGref0=1 1 3 516,刚度的应力相关幂指数 m 可取 0.516,除此之外,本构模型中其它参数均通过室内试验与该工程的地勘报告确定。如表1 所示。由于隧道位于中粗砂中,隧道衬砌与其周围土体之间的接触面较为粗糙。因此,在模型中反映界面单元刚度和抗剪强度降低的折减系数 Rint设置为 1.0。盾构机和隧道衬砌采用线弹性本构模型,盾构机弹性模量为 230 GPa,泊松比为 0。衬砌管片弹性模量为 31 GPa,泊松比为 0.1。考虑隧道衬砌环向和纵向接缝对刚度的削弱作用,环向衬砌的有效刚度取衬砌弹性模量的 0.7 倍17,在不考虑螺栓预紧力的情况下,纵向的有效刚度取衬砌弹性模量的 0.1 倍18。即隧道衬砌的环向和纵向弹性模量实际取值为 21.7 GPa 和 3.1 GPa。1.3盾构施工过程模拟施工过程分为 2 个部分,先对既有隧道进行开挖。通过冻结既有隧道区域的土体和激活该区域的衬砌来模拟既有隧道开挖。既有隧道开挖完成后,将位移清零,再模拟新建隧道开挖的动态过程。假设盾构机一步一步向前推进,每次推进 3 m。步骤一,冻结盾构机和注浆处土体,激活代表盾构机的板单元、开挖面处支护压力和