不同交角叠交隧道盾构施工地层变形规律研究

引言
伴随着城市地铁的广泛应用，城市轨道交通网趋于完善，地铁隧道之间的距离越来越小，后建隧道经常会以不同的角度下穿既有隧道。大量的研究计算表明，无论采用何种方法开挖下部后建隧道，后建隧道的埋深设计、与已建隧道的设计夹角都会对既有隧道及围岩产生不同影响。
水平平行及垂直交叠隧道是地铁建设中经常遇到的设计形式，关于隧道围岩变形、应力－应变发展规律等方面的研究成果较多，其施工工艺及处治措施已比较成熟。LimanES等通过二维和三维数值模拟，对近距离平行隧道施工期间的相互影响进行了研究;王国波等以武汉轨道交通2号线与4号线在洪—中区间4孔紧邻交叠隧道为研究对象，将交叠隧道简化为平行重叠和垂直交叉隧道，分析了紧邻多孔交叠隧道的三维地震响应。
由于地质条件的限制及地下空间的综合开发利用，在城市交通规划中不可避免地会产生近距离斜交隧道。对于这种型式的隧道，后建隧道是在既有隧道完成之后修建的，后建隧道的施工必然会影响既有隧道结构的受力状态，引起既有隧道变形及地层变形。由于目前工程经验较少，斜交隧道中后建隧道对既有隧道及围岩的影响规律还未明确，准确预测后建隧道施工引起的地层变形规律、影响范围以及对既有隧道的影响规律等，对设计和施工安全十分重要。孙钧等研究了上海市明珠线二期工程上、下行线近距离交叠区间隧道盾构施工过程对地面及围岩的位移影响，并提出地层加固措施;包德勇对平面交角为54°的交叠隧道进行了有限元分析，揭示了既有隧道结构受力及位移随后建隧道施工推进的变化规律;勒晓光等对重庆市渝中区朝天门大型互通式地下立交的平交(15°)和上下正交进行了动态施工力学研究。综合国内外对于平面斜交隧道的研究，大部分都是针对某一特定工程，按照施工过程考虑后建隧道对既有隧道和地层的变形影响。
本文以某市地铁上、下行线近距离交叠区间隧道盾构施工地质条件、隧道设计、施工参数为依据，按照“先上后下”的盾构推进过程，采用三维弹塑性有限元法MidasGTS程序软件，对不同交角后建隧道引起的地层位移变化及既有隧道位移变化进行研究，得出一些有益的结论，以期为今后类似工程设计提供参考。
1分析模型建立
1.1计算模型及边界条件
为了研究施工过程中的空间效应，计算中采用三维有限元模型，分析采用MidasGTS有限元程序。根据隧道设计尺寸，盾构开挖直径为6m，衬砌管片厚0.3m、宽1.5m，盾构每掘进1.5m拼装一环管片，掘进面距离拼装管片6m。围岩采用4节点三维实体单元模拟，管片采用二维板单元模拟，不考虑管片环间接头和纵向接头的相对位移。
为了减少边界效应的影响，模型沿既有隧道纵向取75m，横向取66m，既有隧道埋深为12m，后建隧道下方取24m计算范围，既有隧道中心轴线与后建隧道中心轴线的垂直距离为11m。既有隧道轴向平行于Y方向，后建隧道与既有隧道平面交角分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°。当平面交角为30°时，隧道计算模型如图1所示。
模型上边界取为自由边界，下边界约束Z方向的位移，左右边界约束X方向的位移，前后边界约束Y方向边界。
1.2材料物理力学参数选取
根据隧道沿线的地质勘察报告，研究范围内的隧道以土和软岩为主，将隧道沿线各地层概化为3层(素填土、粉质黏土和软岩)，厚度分别为3，6，41m，既有隧道及后建隧道下穿软岩地层。



隧道结构采用预制装配式钢筋混凝土单层内衬，错缝拼装，管片混凝土强度等级为C30，螺栓强度等级为4.6级。各层材料及管片物理力学参数如表1所示。


1.3计算荷载及施工过程
计算荷载主要考虑地层的自重应力场和混凝土衬砌的重力。对未扰动地层进行应力初始化，位移清零。既有隧道和后建隧道均以每步1.5m的速度掘进及管片支护，管片距离掘进面6m。为避免边界扰动，对隧道端面进行分步应力释放，荷载释放率分别为30%，20%，20%，20%和10%。
1.4屈服准则及变形模式
土体和岩体均采用摩尔－库仑破坏准则，如图2所示。


2计算结果分析
2.1既有隧道开挖
既有隧道(上隧道)开挖过程中，拱顶发生沉降最大，最大竖向位移为－2.30mm，隧道正上方地表沉降－0.80mm;隧道底上扬，上扬位移2.44mm;隧道两帮水平相对收敛位移为2.60mm。既有隧道开挖至43.5m时，围岩竖向位移量如图3所示。
2.2地表沉降规律
既有隧道开挖导致地表沿隧道轴线方向发生沉降，最大沉降－0.80mm，垂直于轴线的平面内，地表沉降呈漏斗状。


与既有隧道呈一定交角的后建隧道开挖过程中，地表继续产生沉降位移。隧道夹角不同，后建隧道导致的地表沉降走向也不同。当隧道交角为30°，60°和90°时，隧道开挖支护完毕后地表沉降位移如图4所示。地表最大沉降位移为－1.76mm，发生在2条隧道相交的正上方地表，为既有隧道开挖导致地表沉降的2.20倍。因此，交叠隧道对地表的影响远大于单隧道对地表沉降影响之和，随着隧道夹角变化，地表最大沉降量变化不大。
比较隧道交角为30°，60°和90°，后建隧道开挖使得地表沉降槽方向轴发生一定角度的偏移。随着隧道交角的变大，地表相同沉降值围成的面积逐渐变小，形状与交叠隧道平面投影类似;当隧道交角为90°时，地表沉降等值线呈椭圆状，沉降槽主轴仍沿既有隧道轴向方向。由此可见，隧道埋深越大，对地表的沉降影响越小。







提取隧道不同交角下，既有隧道开挖支护及后建隧道开挖支护导致的地表中心点沉降位移，如图5所示。可以看出:隧道交角从0°变化到90°，地表中心点沉降位移变化不大;当交角为45°时，地表中心点沉降位移最大，为－1.8mm。
2.3既有隧道围岩变形规律
后建隧道开挖支护必定会对既有隧道拱顶、仰拱的竖向位移及两帮的水平位移产生影响。
交叠隧道交角为60°时，隧道开挖支护完毕后围岩竖向位移分布如图6所示。从图6中可以看出:既有隧道拱顶最大沉降为－3.30mm，沿轴线方向沉降逐渐减小;仰拱最小上扬位移为0.5mm，沿轴线方向上扬逐渐变大。




不同隧道交角下，后建隧道开挖支护导致既有隧道拱顶沉降沿隧道轴向方向的变化拟合曲线如图7所示。从图7中可以看出:既有隧道拱顶沉降沿隧道轴向呈漏斗状分布，距离隧道交叠处越小，拱顶沉降越大，即后建隧道对既有隧道的影响越大。比较隧道不同交角下既有隧道的拱顶沉降，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶沉降逐渐变小，但变化量不大，最大为－1.02mm，最小为－0.92mm;随着交角变大，既有隧道拱顶沉降沿轴线的变化率越大，交角为15°～60°时，变化率改变量最大。


隧道交角下，后建隧道开挖支护导致既有隧道仰拱沉降沿隧道轴向方向的变化拟合曲线如图8所示。从图8中可以看出，既有隧道仰拱沉降呈漏斗状分布，距离隧道交叠处越小，仰拱沉降越大。比较隧道不同交角下既有隧道拱顶沉降，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶沉降逐渐变小，其变化量比对拱顶的影响变化量稍大，最大变化量为－1.42mm，最小变化量为－0.98mm。随着交角变大，既有隧道拱顶沉降沿轴线的变化率越大，交角为45°～90°时，变化率改变量最大。


因此，在隧道线路规划设计与施工中，应特别注意隧道交角为15°～45°的区间。
2.4后建隧道围岩变形规律
交叠隧道交角为60°时，隧道开挖支护完毕后围岩竖向位移分布云图如图9所示。后建隧道拱顶最小沉降－2.75mm，沿轴线方向沉降逐渐增大，最大沉降－3.5mm;仰拱最小上扬位移3.7mm，沿轴线方向随着离隧道间的交叠点距离变大，上扬逐渐减小。


后建隧道开挖支护后拱顶沉降位移如图10所示。从图10中可以看出:后建隧道拱顶沉降受既有隧道影响明显，交叠处拱顶沉降明显小于沿轴线两侧拱顶沉降，拱顶最小沉降为－2.50mm，最大沉降为－3.90mm;隧道交角为15°～60°时，距离交叠处相同的后建隧道拱顶某点沉降量变化明显。


后建隧道开挖支护后仰拱上扬位移如图11所示。从图11中可以看出，后建隧道拱顶沉降受既有隧道影响不明显，仰拱上扬位移差为0.18mm。


比较后建隧道拱顶和仰拱的位移变化量，距离交叠处越远，既有隧道和交角对后建交叠处影响越小，而且对拱顶的影响比仰拱的大。
综合上述分析可知，后建隧道开挖支护对交叠围岩竖向位移变化较大，距离交叠处越远，围岩位移影响越小。
3结论与讨论
通过对后建隧道以不同交角下穿既有隧道的有限元计算，分析了后建隧道对地表沉降及既有隧道围岩位移的影响，以及隧道交角变化对隧道围岩的位移影响规律。主要结论如下:
1)交叠隧道开挖对地表的沉降位移影响远大于单隧道对其影响之和，不同交角隧道地表最大沉降点为交叠处正上方。
2)随着隧道交角的变大，地表相同沉降值围成的面积逐渐变小，形状与交叠隧道平面投影类似。
3)同一隧道交角下，既有隧道拱顶(仰拱)沉降呈漏斗状分布。不同隧道交角下，随着交角变大，交叠处既有隧道拱顶(仰拱)沉降逐渐变小，但变化量不大;交角为15°～45°时，既有隧道围岩变形沿轴线的变化率增大。因此，在工程线路规划中，应特别注意交角为15°～45°时隧道的设计与施工。
4)既有隧道的存在对后建隧道拱顶位移影响明显，交叠处拱顶沉降明显小于沿轴线两侧拱顶沉降，但对仰拱变形影响不大。
浅埋交叠隧道施工是目前隧道施工的重难点问题之一，合理的隧道线路规划和埋深设计对隧道安全施工至关重要。本文以某地铁隧道为研究对象，其研究数据具有局限性，但结论具有普遍规律性，可为今后交叠隧道线路规划和设计的优化提供参考。
针对浅埋交叠隧道施工研究课题，以本文作为研究基础，需要考虑更多的影响因素，从而进一步探讨隧道之间的影响规律。同时，根据各隧道工程的异同，在普遍规律的基础上，有必要进行针对性研究，以提高工程施工的安全性。