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1、隧道50，【摘要】t美蕾谒】1前言正交下穿盾构隧道施工时顶进力对既有隧道的影晌研究方勇何川西南变通大学土木工程学院成都610031在城市地铁工程中，常采用盾构法修建正交下穿隧道，新隧道的掘进不可避免地对既有隧道产生影响，当屠将机位于爵有隧道正下方对，这种影响更为显著。采用三维有限元方法对正交下穿盾构隧道施工进行模拟，探讨当盾构机掘削面位于老隧道正下方时，盾构机顶进力对既有隧道的位移和变形产生的影响。模型中考虑了盾构机与管片衬砌相互作用，以及管片衬砌结构的横观各向同性性质。计算结果表明，新隧道施工时既有隧遭将产生不均匀沉降、不均匀侧移和扭转，且在对称面上出现最大值。盾构法下穿隧道有限元分析顶遘力
2、横蕊各向同性盾构法修建地铁隧道具有对周围环境影响小、施工安全快速等优点，已成为地铁建设的主流施工方法。盾构法施工时，往往会引起周围地层移动，即使采用当前最先进的盾构技术，也难以完垒防止这些移动”】。地层移动一方面在地表引起不均匀沉降，另一方面直接引起地下近接结构物的变位，当变位不均匀时还会产生附加应力。预测和控制詹构近距离通过地下结构物时所引起的地层变位，有利于盾构机的顺利掘进和确保既有地下设施的正常使用。随着地下空间的进一步开发和利用以及地铁网络的不断完善，将会出现各式各样的近接施工，新隧道以正交形式从既有隧道下方穿过时的施工便是其中一种，此时，新隧道将对既有隧道产生影晌，且这种影响不仅与新
3、隧道的掘进而变化，还与盾构机顼进力的大小患息相关。本文将采用三维有限元方法，研究盾构工法修建正交下穿隧道过程中，开往面位于正交隧道正下方时，盾掏机顶进力对既有隧道的影响。2兰维有限元建模计算模型的地质剖面如图1所示，既有隧道位于可塑残积土地层中，埋深为12m，新隧遵位于完全风化层，与既有隧道的净距为6m，新老隧道管片衬砌的外径为6m，内径为54m，管片厚30clll。有限元模型尺寸为72mX36m53m，共1i414个单元。盾构机、土层和扰动层均采用空间8结点实体单元来模拟。盾构机为土压平衡式盾构机，重量按385盾吨处理a盾尾空隙采角杀死单元的方法来模拟，同时在空隙上施加注浆压力。盾构周围由于
4、施工而引起土体扰动，其厚度需根据计算和经验来确定，本分析由文【2】确定扰动层厚度为20cm。对于盾尾注浆的模拟采用提高扰动层刚度的方法来模拟，扰动层的泊松比与变形模量可以参考水泥士取值。5022006年中国交通土连I程学术论文集圈1正交下穿隧道计算模型管片衬砌结构是通过螺栓将单个管片连接在一起的整体结构，具有横观各向同性性质，为了充分体现该特性，分析中采用空间8结点实体单元来模拟。采用均值体等效管片衬砌时，需乘以一刚度折减系数，在横断面内该系数通常取060，8，在纵向上，该系数还与螺栓的刚度、颗数等因素有关，根据文献【5】的公式可以计算出该模型中纵向刚度折诫系数约为0Ol，折减后的管片衬砌材料
5、参数如表l所示，其中各材料参数根据单元坐标系确定(单元坐标系中z方向与隧道轴向一致)。裹1管片村翻材料参数l届。EyEzGxyGyzGxzGPaGPaIGPaGPa佑Pa，b如如I276276034511501580158020202表2列出了模型计算所用的土层和材料参数。裹2士层和材料参数名称层犀，m粘豪力kPa内撼角产弹性模量MPa泊松比填土317303940_35粉质粘土621186OO033可堂残积土1230188280，30完垒风化层123720105O33中风化层201000o32盾构机21000QO12注浆层l000023数值模拟结果分析31顶进力对既有隧道不均匀沉降韵影响图2和
6、图3分别显示了既有隧道左偎I节点(掘削面前方一侧)和右侧节点(掘削面后方一侧)在不同顶进力作用下的沉降量。可以看出当既有隧道位于掘削面正上方时，既有隧道的不均匀褫降主要由新建隧道引起的地层损失产生，同时还受盾构机顶进力的影响，其中后者相对较小。总的看来，既有隧道左侧节点艘沉降量小于右侧，即在既有隧道横断面内产生了不均匀沉降，右侧相对于左侧沉降得多。从纵向上看，左侧节点随着顶进力的增加，沉降量降低，即左侧节点在顶进力作用下有向上移动趋势，而右侧节点别随着顶进力的增加，沉降量增大，即右侧节点在顶进力作用下有向下移动趋势。因而当盾构机掘削面位于既有隧道正下方时，在既有隧道横断面内，右侧将会相对于左侧
7、下沉，且在对称面处，这隧道503_IIIillIIllltIIII-_种相对下沉值具有最大值。囤2既有蒜道左侧节点沉降量圈3既有隧道右舅节蛊巯降量一女0z7-一l女n3TP一女03T口R一1m04537bich对于既有隧道来说，顶部和底部节点的相对下沉表明其管片村砌在发生变形，而左侧和右侧的相对下沉表明其发生不均匀沉降。图4显示了既有隧道对称面处疆帮、宸部、左熊和右侧四处节点韵沉降变化量与顶进力增量之间的关系，可以看出，它们之间大致成线性关系，且顶进力对顶部和底部节点沉降以及相对沉降的影响较小，丽对左刽和右坝l节点的沉降以及它们鲍襁对沉降影响较大。即当盾构机掘觏面位于正交隧道下方时，增大顶进力
8、将会增大既有隧道横断面内臼g不均匀沉降，对管片衬砌的变形影响相对较小。聪力壹、+$_。芏嚣：圈4对称面处节点沅降变能量与璜盎兜靖的美景32质进力对既有隧道不均匀饲移的影响图5和图6分别显示了既有隧道预部节点和底部节点在不同顶迸力作用下的铡移量。可以看出，当既有隧道位于掘削面正上方时，既有隧道的不均匀侧移主要受盾构机顶进力的影响，而由新建隧道地层损失引起的侧移相对较小。总的看来，既有隧道顶部节点的蚀移主要沿着盾构机掘进的反方向发生，且随着顶进力的增大，反向(以盾构机掘进方岛为正窥)侧移得越多，既有隧道赢都节点韵俩移则顺着盾构机掘进的方向发生。随着顶进力的增大，侧移量也增大。由于顶部节点和底部节点
9、侧移方向的不同，它们之间产生了相对侧移，该相对侧移随着顶进力的增大而逐步增大，加上右侧节点与左傩节点的相对抗降，可以发现。当盾构机掘猁面媲矛既有隧道正-F蠢时，在撩辑霉内，既有隧道将会发生扭转。显在O，一od吨吨q吨叶i蠹一p“Sl一鬣。吨吨吨啪m小船I，I暮-；i5042006年中国交通土建I程学术论文亲对称面处，这种扭转具有最大值a圈5既有健谨顶部节点侧移量暖6氍有隧道底部节点侧移一顶进力02037肝8一顶进自o27口1一顶进力02t871口s一项进力o3037雌B一顶进力03537MPa一瑁进自04537Rna一珥避力020371ma一珥避力n2287肿B一m力02787口B一理进力n3
10、037肿B一可进力03637坤B一疆进力n4537肝e对于既有隧道来说，顶部和底部节点的相对侧移表明其管片衬砌在发生旋转，而左侧和右侧的相对侧移表明其发生变形。图7显示了既有隧道对称面处顶部、底部、左侧和右侧四处节点的侧移变化量与顶进力增量之间的关系。可以看出，它们之间大致成线性关系。顶部和底部节点侧移量虽然随着顶进力的增大而逐渐增大，但它们之间的相对侧移(表明管片衬砌的变形)则受顶进力的影响较小。而顶进力对既有隧道左侧和右侧节点的沉降以及它们的相对沉降都具有较大影响。即当盾构机掘削面位于正交隧道下方时，增大顶进力将会增大既有隧道横断面内的扭转效应，而对管片衬砌的变形影响相对较小。4结论及建议
11、0-2藿-4要-6一一8圈7对辣面妊节点僻罄变化量与磺进力增量的关莱通过对正交下穿盾构隧道顶进力影响的三维有限元分析，可以得出下面一些结论：正交下穿盾构隧道施工时，既宥涟道将会发生不均匀沉降，同时沿着盾构推进方向发生不均匀侧移和扭转。沉降、侧移和扭转的最大值发生在新隧道的正上方。当盾构机掘削面位于既有隧道正下方时，老隧道的沉降主要受地层损失的影响，且在横断面内左右两侧产生相对沉降，该相对沉弹髓预进力的增大而增大；老隧道的倜移主要受顶进力的影响，且在432l0I、赫翠隧道r505横断面内顶部和底部产生相对侧移，该相对侧移随顶进力的增大而增大；老隧道的变形受顶进力的影响则不显著。新隧道修建过程中顶
12、进力和地层损失是影响既有隧道位移和变形的两个重要因素，应严格控制，建议采用同步注浆技术，并严格控制注浆压力，这样可咀降低地层损失，从而减少地表及既有隧道的不均匀沉降；掘削面顶进压力控制在高于平衡地层压力002MPa到O03MPa之间，防止既有隧道发生过度侧移和扭转。参考文献【1】刘建航，侯学渊盾构击隧道北京：中国铁道出版社，1991【2】易宏伟盾构法施工对土体扰动和地层移动影响的研究【博士论文D】上海：同济大学1999【3】张云，殷宗泽，徐永桶盾掏法隧道引起的地表变形分析田。岩石力学与工程学报，2002，21(3)：388392【4】土木学会(日)，朱伟译隧道标准规范(盾构篇)及解说北京：中国建筑工业出版社，2001【5】何川，一儿Fy丰灿矬断方向。地震峙睾勋仨明亨5研究D】博士晕位蝓文柬京：早稻田大晕毒棠理工翠部，1999
