試論新建盾構(gòu)隧道垂直下穿對既有隧道的影響

呂建林

摘要：本文以某新建盾構(gòu)隧道模擬垂直下穿城市地鐵隧道為例，運(yùn)用了有限元數(shù)值模擬技術(shù)來研究盾構(gòu)隧道的施工環(huán)節(jié)，并解釋了在間隔距離不同的情況下新建盾構(gòu)隧道垂直下穿是如何對既有地鐵隧道造成影響的過程。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；地表沉降；垂直建造

一、盾構(gòu)隧道的定義及其內(nèi)涵

盾構(gòu)法作為暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，是指盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。

盾構(gòu)法施工的復(fù)雜性非常強(qiáng)，其作業(yè)水平直接決定了其對周圍環(huán)境的影響程度。因而，在準(zhǔn)確把握盾構(gòu)施工的主要因素的前提下進(jìn)行理論分析，才能使得到的結(jié)果更符合實(shí)際情況。

二、盾構(gòu)隧道的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

（一）盾構(gòu)隧道的優(yōu)點(diǎn)

1、挖掘的速度快，安全性高。

2、建筑隧道全程基本上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕了工作壓力。

3、不會(huì)對交通設(shè)施和地下管線造成影響。

4、隧道在河流中建造時(shí)不會(huì)阻礙航運(yùn)工作，沒有施工噪音，不會(huì)受到氣候條件影響。

5、使施工過程更加經(jīng)濟(jì)化，技術(shù)更加先進(jìn)化。

（二）盾構(gòu)隧道的缺點(diǎn)

1、每一條隧道都是結(jié)合了符合相關(guān)條件的信息制造的，因而具有很強(qiáng)的針對性，不能直接用于其他隧道的建設(shè)，需要進(jìn)行改造。機(jī)器本身造價(jià)昂貴，施工成本高。

2、一旦出現(xiàn)隧道曲率半徑過小或隧道頂覆土太淺的情況就無法按照原有的方案施工。

3、在含水量較大的地質(zhì)條件下施工，盾構(gòu)法施工所用的拼裝襯砌，對達(dá)到整體結(jié)構(gòu)防水技術(shù)要求較高。

4、在水底施工時(shí)，如果出現(xiàn)覆土太淺的情況，容易造成安全隱患。

5、采用全氣壓法疏干和穩(wěn)定地層時(shí)，因施工條件較差，需要花費(fèi)較大的成本來進(jìn)行勞動(dòng)保護(hù)。

三、建筑模型的模擬計(jì)算

國際社會(huì)對關(guān)于建造盾構(gòu)隧道造成周圍地質(zhì)環(huán)境破壞的相關(guān)課題的研究已取得了很大發(fā)展。近年來，新建盾構(gòu)隧道下穿既有隧道已經(jīng)引起了各方關(guān)注，并成為對相關(guān)項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容。然而目前對該課題的研究主要集中在地面下沉的方面，但是，關(guān)于新建隧道下穿既有隧道的研究大多是從位移沉降角度進(jìn)行分析，缺乏對隧道襯砌內(nèi)力的探索。為了說明此觀點(diǎn)，這里列舉了某新建盾構(gòu)隧道模擬垂直下穿某城市地鐵隧道的事例，通過使用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)一步闡明了新建盾構(gòu)隧道垂直下穿既有隧道時(shí)，對周圍土層變化產(chǎn)生影響的規(guī)律。

（一）建立幾何模型

保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性離不開模型的模擬計(jì)算，其中，幾何模型的建立是模擬計(jì)算的前提和基礎(chǔ)。筆者在研究過程中，結(jié)合了土層變化、襯砌性質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)器施工方式等因素，建立了比較符合實(shí)際情況的幾何模型。

整體模型高100m，長120m.寬90 m，如圖所示。越江隧道的軸線沿Y方向，地鐵隧道沿X負(fù)方向掘進(jìn)。模型共43920個(gè)單位，43484個(gè)節(jié)點(diǎn)。如下圖1所示。

圖1 幾何模型構(gòu)建示意圖

（二）選擇各項(xiàng)單元和參數(shù)

在實(shí)際作業(yè)中，盾構(gòu)機(jī)殼體存在著很大的剛度，盾構(gòu)殼由于其剛度較大，結(jié)合線性彈性本構(gòu)關(guān)系，參考鋼結(jié)構(gòu)來決定其彈性模量和泊松比的取值范圍。采用盾尾注漿的方法可以使被干擾破壞的土層更加穩(wěn)固，其材料要大于土的特性值，小于水泥土的特性值?？v向螺栓與橫向螺栓將管片接連起來就形成了隧道的襯砌，一般情況下，使用錯(cuò)縫拼裝的方式可以實(shí)現(xiàn)襯砌的整體性的目的。以上這些情況容易造成混凝土的實(shí)際剛度大于襯砌的剛度，使得縱向和橫向的剛度不一致。為了避免這些情況的出現(xiàn)，模型的襯砌使用線性彈性本構(gòu)關(guān)系的原理制定。具體參數(shù)設(shè)定參考下表1：

（三）模擬施工過程

未受到任何干擾破壞的土層具有原始的應(yīng)力狀態(tài)；開始最初的挖掘隧道的工程后，土層受到改變，土層的應(yīng)力就會(huì)重新分布，越江隧道開挖后，地層受到擾動(dòng)，引起土體應(yīng)力重新分布，土層的應(yīng)力狀態(tài)就變?yōu)榱硕螒?yīng)力狀態(tài)；而新建隧道的動(dòng)工又再一次改變了土層，應(yīng)力狀態(tài)再次改變。所以，施工過程的模擬需要針對以上幾種情況來逐步進(jìn)行。詳情如下圖2及圖3所示：

圖2

圖3

（四）研究分析計(jì)算結(jié)果

新建盾構(gòu)隧道對既有隧道的影響突出表現(xiàn)在位于盾構(gòu)隧道正上方的地鐵隧道截面，也就是建筑計(jì)算模型中新建盾構(gòu)隧道軸向的對稱面。新建盾構(gòu)隧道對既有隧道的影響程度是由在對稱面上產(chǎn)生的內(nèi)力變化、橫向位移、最大沉降所反映出來的。施工所要關(guān)注的重點(diǎn)也要包括地鐵隧道縱向、橫向差異的沉降。因而要結(jié)合既有隧道在對稱面上的節(jié)點(diǎn)和新建盾構(gòu)隧道在縱向的外邊緣點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的分析。

具體方法可研究下圖4：

圖4 隧道應(yīng)力與位移隨開挖過程的變化曲線

（五）分析影響范圍

新建盾構(gòu)隧道的工程項(xiàng)目對既有隧道的沉降、側(cè)移等方面的影響是必然的。但這些影響并不是廣泛的存在于所有地方，由于這項(xiàng)技術(shù)本身的特性，在一些部分只存在著極小的影響，也可以通過對技術(shù)的改良、操作水平的提升，讓這些影響不復(fù)存在，實(shí)際上，隨著建筑工程的不斷推進(jìn)，這些影響也會(huì)慢慢消失。

從模擬施工過程的環(huán)節(jié)可以看出，盾構(gòu)機(jī)在剛開始工作時(shí)，幾乎不會(huì)對既有隧道的側(cè)移、沉降等方面造成影響；在進(jìn)一步的挖掘后，對既有隧道的側(cè)移、沉降完全沒有造成任何影響。這個(gè)觀察結(jié)果更進(jìn)一步的證實(shí)了以上觀點(diǎn)。

（六）研究的結(jié)論

1、新建盾構(gòu)隧道對既有隧道造成側(cè)移和沉降的影響都體現(xiàn)在對稱面處。通過對計(jì)算結(jié)果的研究可以得出這樣的結(jié)論：新建盾構(gòu)隧道對既有隧道造成的下沉影響較大，側(cè)移影響較小。

2、新建盾構(gòu)隧道對既有隧道的影響程度是由盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)度決定的。

3、隨著既有隧道所受到的壓力和應(yīng)力不斷增加，可能會(huì)造成隧道表面的破裂和滲水情況，設(shè)計(jì)人員和施工人員需要特別關(guān)注這個(gè)問題。

4、新建盾構(gòu)隧道垂直下穿對既有隧道的影響不存在普遍性，影響范圍是有限的。

結(jié)束語

結(jié)合以上研究成果來看，盡管新建盾構(gòu)隧道垂直下穿會(huì)對既有隧道和土層造成一定程度的影響，但并不存在于所有環(huán)節(jié)，其影響只針對部分環(huán)節(jié)，影響程度也是可以隨著技術(shù)的不斷改良而逐漸降低的，因而總體上并不會(huì)阻礙到整個(gè)建筑工程的完成。只要各環(huán)節(jié)的工作人員具備高超的專業(yè)水平和職業(yè)素養(yǎng)，按照合理的流程作業(yè)，同時(shí)高度重視前文中提到的一些問題，靈活地處理好各種突發(fā)狀況，一定可以保障整個(gè)工程的順利進(jìn)行。隨著更多高質(zhì)量的、先進(jìn)的隧道工程順利完工，我國的交通行業(yè)一定會(huì)更迅速地發(fā)展。

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