盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟
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到目前已经有些学者和专家根据实际工程提出了 相应的理论和经验公式来计算地下工程施工引起的沉 降，Peck［8］提出的沉降槽理论和公式，虽然可以初步计 算地面沉降大小，但是不能计算出不同深度处的沉降。 一方面，由于各地地层及地下水对盾构施工期间影响 的差异性及施工技术的不均衡性； 另一方面由于结构 效应，上覆既有隧道不管在纵向还是横向上，都有一定 的刚度，一般比其所在地层的大。因此很难用统一的 理论和公式准确地计算出盾构下穿时引起的既有隧道 的位移。
51
是运用有限元方法对盾构下穿过程引起的一系列力学 行为进行研究。
2 工程概况
该工程位于商业比较发达的地段，周围高楼林立， 交通流量极大。根据相关的资料和现场调查，上方既 有隧道为矿山法修建，其顶部埋深为 9. 4 m，左、右平 行隧道中心距约为 17 m，隧道截面为“马蹄形”。下穿 盾构隧道结构顶部的埋深为 17. 7 m，左、右平行隧道 的中心距为 13 m，隧道的外径为 6 m，内径为 5. 4 m， 管片厚度为 0. 3 m； 上、下交叉隧道外壁的最小净距为 2. 3 m。上、下隧道的平面位置如图 1（ 箭头指向为盾构 推进方向） 。场地主要地层的物理及力学参数如表 1。
置关系、距离和地层； 根据隧道埋深、交叉区域的大小、 地层情况及相邻地铁车站位置，确定整体模型的大小 为 137 m × 169 m × 35 m，如图 2 所示。本模型中的土 体采用 M-C 本构，结构采用线弹性本构。
图 2 三维建模情况
图 1 上、下隧道的平面位置关系
表 1 土层物理及力学参数
层厚 / 天然重度 / 弹性模 泊松 黏聚力 内摩擦 序号 地层描述 m （ kN / m3 ） 量 / MPa 比 / kPa 角 / （ °）
铁道建筑
50
Railway Engineering
October，2012
文章编号： 1003-1995（ 2012） 10-0050-05
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
胡 军1，2 ，杨小平1，2 ，刘庭金1，2
（ 1． 华南理工大学 土木与交通学院，东 广州 510640； 2． 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）
1 盾构下穿引起上覆隧道沉降理论分析
盾构在推进时，有一定的超挖土量，在地层与管片 间会留有空隙，虽有同步注浆，但水泥浆强度的升高需 要一定的时间，且土层中有大量的孔隙，很难保证注浆 的质量，这会引起地层应力释放，因此四周土体会挤向 隧道，继而引起上覆地 层 沉 陷，同 时 由 于 隧 道 的“长 条”结构表现 出 一 定 的 柔 性，地 层 的 沉 陷 会 带 动 既 有 隧道结构发生位移和变形。
摘要： 针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。研究 结果表明： 在盾构推进至距既有隧道边缘 3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始 沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大； 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉 降量与之相反； 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大， 随既有隧道刚度增大而减小。为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道 边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。 关键词： 隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转 中图分类号： U455. 43 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2012． 10-16
本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背 景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下 穿既有隧道全过程进行动态模拟。研究盾构下穿时，
收稿日期： 2012-05-20； 修回日期： 2012-07-10 作者简介： 胡军（ 1986— ） ，男，湖北阳新人，硕士研究生。
上方隧道竖向位移、横向变形与盾构的推力、位置及自 身刚度的关系，从而找出盾构下穿时上方隧道位移、变 形变化的趋势并给出相应的建议。
随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的 情况时有发生。由于新线穿越既有线不可避免地会引 起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又 对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依 据 《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规 定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应 ＜ 20 mm； 根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降 差应 ＜ 4 mm。因此这类下穿工程对既有地铁的安全 形成了严峻的考验。分析盾构下穿既有隧道的力学行 为是非常必要的。
① 杂填土 2. 0 ② 冲洪积 2. 2
中粗砂 ③ 冲洪积粉 2. 2
质黏土 ④ 可塑状粉 9. 5
质黏土 ⑤ 硬塑状粉 2. 6
质黏土 ⑥ 红层强风 4. 1
化岩 ⑦ 红层中风 1. 1
化岩 ⑧ 红层微风 11. 3
目前还没有公认的理论公式可以用来准确地计算 盾构下穿引起的既有隧道的沉降，但是比较通行的方 法有模型试验和数值模拟两种。前者对试验条件要求 比较严格，否则将得不到符合工程的结果； 后者较易于 实现，且有了一定的经验基础，是可行的方法。本文就
2012 年第 10 期
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
姜忻良、赵 志 明 等［1］ 用 理 论 推 导 的 方 法，提 出 隧 道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式； 汪 洋、何川等［2］利 用 模 型 试 验 和 数 值 分 析 的 方 法，并 考 虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力 对上 覆 隧 道 的 位 移 和 附 加 应 力 的 分 布 规 律； 文 献 ［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进 与上方 近 接 隧 道 结 构 位 移 的 关 系； 陈 越 峰、张 庆 贺 等［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧 道的沉降规律； 张海波、殷宗泽等［7］运用三维数值模 拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此 的影响。
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是运用有限元方法对盾构下穿过程引起的一系列力学 行为进行研究。
2 工程概况
该工程位于商业比较发达的地段，周围高楼林立， 交通流量极大。根据相关的资料和现场调查，上方既 有隧道为矿山法修建，其顶部埋深为 9. 4 m，左、右平 行隧道中心距约为 17 m，隧道截面为“马蹄形”。下穿 盾构隧道结构顶部的埋深为 17. 7 m，左、右平行隧道 的中心距为 13 m，隧道的外径为 6 m，内径为 5. 4 m， 管片厚度为 0. 3 m； 上、下交叉隧道外壁的最小净距为 2. 3 m。上、下隧道的平面位置如图 1（ 箭头指向为盾构 推进方向） 。场地主要地层的物理及力学参数如表 1。
置关系、距离和地层； 根据隧道埋深、交叉区域的大小、 地层情况及相邻地铁车站位置，确定整体模型的大小 为 137 m × 169 m × 35 m，如图 2 所示。本模型中的土 体采用 M-C 本构，结构采用线弹性本构。
图 2 三维建模情况
图 1 上、下隧道的平面位置关系
表 1 土层物理及力学参数
层厚 / 天然重度 / 弹性模 泊松 黏聚力 内摩擦 序号 地层描述 m （ kN / m3 ） 量 / MPa 比 / kPa 角 / （ °）
铁道建筑
50
Railway Engineering
October，2012
文章编号： 1003-1995（ 2012） 10-0050-05
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
胡 军1，2 ，杨小平1，2 ，刘庭金1，2
（ 1． 华南理工大学 土木与交通学院，东 广州 510640； 2． 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）
1 盾构下穿引起上覆隧道沉降理论分析
盾构在推进时，有一定的超挖土量，在地层与管片 间会留有空隙，虽有同步注浆，但水泥浆强度的升高需 要一定的时间，且土层中有大量的孔隙，很难保证注浆 的质量，这会引起地层应力释放，因此四周土体会挤向 隧道，继而引起上覆地 层 沉 陷，同 时 由 于 隧 道 的“长 条”结构表现 出 一 定 的 柔 性，地 层 的 沉 陷 会 带 动 既 有 隧道结构发生位移和变形。
摘要： 针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。研究 结果表明： 在盾构推进至距既有隧道边缘 3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始 沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大； 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉 降量与之相反； 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大， 随既有隧道刚度增大而减小。为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道 边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。 关键词： 隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转 中图分类号： U455. 43 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2012． 10-16
本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背 景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下 穿既有隧道全过程进行动态模拟。研究盾构下穿时，
收稿日期： 2012-05-20； 修回日期： 2012-07-10 作者简介： 胡军（ 1986— ） ，男，湖北阳新人，硕士研究生。
上方隧道竖向位移、横向变形与盾构的推力、位置及自 身刚度的关系，从而找出盾构下穿时上方隧道位移、变 形变化的趋势并给出相应的建议。
随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的 情况时有发生。由于新线穿越既有线不可避免地会引 起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又 对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依 据 《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规 定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应 ＜ 20 mm； 根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降 差应 ＜ 4 mm。因此这类下穿工程对既有地铁的安全 形成了严峻的考验。分析盾构下穿既有隧道的力学行 为是非常必要的。
① 杂填土 2. 0 ② 冲洪积 2. 2
中粗砂 ③ 冲洪积粉 2. 2
质黏土 ④ 可塑状粉 9. 5
质黏土 ⑤ 硬塑状粉 2. 6
质黏土 ⑥ 红层强风 4. 1
化岩 ⑦ 红层中风 1. 1
化岩 ⑧ 红层微风 11. 3
目前还没有公认的理论公式可以用来准确地计算 盾构下穿引起的既有隧道的沉降，但是比较通行的方 法有模型试验和数值模拟两种。前者对试验条件要求 比较严格，否则将得不到符合工程的结果； 后者较易于 实现，且有了一定的经验基础，是可行的方法。本文就
2012 年第 10 期
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
姜忻良、赵 志 明 等［1］ 用 理 论 推 导 的 方 法，提 出 隧 道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式； 汪 洋、何川等［2］利 用 模 型 试 验 和 数 值 分 析 的 方 法，并 考 虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力 对上 覆 隧 道 的 位 移 和 附 加 应 力 的 分 布 规 律； 文 献 ［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进 与上方 近 接 隧 道 结 构 位 移 的 关 系； 陈 越 峰、张 庆 贺 等［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧 道的沉降规律； 张海波、殷宗泽等［7］运用三维数值模 拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此 的影响。