盾构下穿不同阶段沉降影响分析

贺雪来

【摘 要】 以溁湖区间下穿既有2号线隧道中MJS加固为工程背景，通过现场监测与数值模拟手段对相关数据进行对比分析，评估MJS加固的效果。同时分析不同施工阶段既有隧道沉降量，总结沉降规律并提出相应施工建议。

近年来，城市化水平的提高，大中城市的增加，使得城市中的问题逐渐增多，需要走城市可持续发展道路，尤其是人口密度的增加给交通带来了巨大的压力，这就促使我们要充分利用地下空间，提高土地利用率，缓解城市交通压力。城市交通压力不断增大，城市轨道交通建设成为解决城市交通压力的重要手段。随着轨道交通规模的不断增大，带来许多具有挑战的工程难题。特别是在一些软土地区浅埋盾构掘进工程施工过程中，特别是在下穿隧道、管线以及建（构）筑物的保护上，如何处理不造成严重后果，如何在掘进过程中对周边轨道交通工程实现无扰动一直是工程界面临的难题。

本文对地铁盾构施工引起的地表形变规律影响因素进行研究，并运用数值模拟软件对长沙4号线溁湾镇～湖南师大站下穿既有2号线部分进行模拟，同时根据实测数据以及模拟结果对比分析，总结出其中规律并提出合理施工建议。

1 FLAC3D计算原理

FLAC3D程序在數学上采用快速拉格朗日方法，基于显式差分来获得模型全部运动方程和本构方程的步长解，其本构方程由基本应力应变定义及虎克定律导出，运动平衡方程则直接应用了柯西运动方程，该方程由牛顿运动定律导出[4～6]。质点的应力状态是由应力张量定义。由柯西公式，任意平面上单位法向量上的力矢可以表示为式（1）：

总的来说，FLAC3D计算简单的理解：在已经做得好的模型上，通过命令输入的形式，让模型上的节点获得该点的所有参数，然后FLAC3D软件通过系统自带的计算方程，通过计算重新赋值给每个节点，节点为节点之间则通过插值法完善节点与节点之间的曲线，最后获得完整的云图。

2 工程概况与模型建立

轨道交通4号线溁湾镇站～湖南师大站区间采用盾构法施工，区间纵坡为单向坡，最小坡度0.2%，最大坡度2.6%，竖曲线半径分别为3000 m、5000 m。地铁4号线区间左线和右线分别始发38.7 m、28.7 m后下穿既有地铁2号线，交叉段距离为27 m。既有2号线区间隧道采用盾构法施工，内径5.4m，外径6.0 m。4号线区间与既有2号线区间隧道轮廓最小竖向净距为2.863 m。下图1为盾构下穿既有轨道交通2号线的位置关系与地质剖面图。

既有2号线区间隧道采用盾构法施工，内径5.4 m，外径6 m，4号线区间与既有2号线区间隧道轮廓最小竖向净距2.86 m。设计采用“竖井+MJS水平旋喷”方案对既有2号线隧道进行预保护。每个竖井设置13根直径为2.0米半圆水平旋喷桩，每根桩长42 m，具体布设见图2。

由于MJS加固体是半环绕的隧道，且上下两条隧道是斜交关系。前处理建模软件采用Hypermesh进行，所得在建隧道与既有隧道之间位置关系具体效果如下图3所示以及平面图如图4所示。

本次模型取地表为自由边界，其他面法向固定。隧道土体开挖采用空模型，土体采用摩尔-库伦模型，盾构管片采用壳单元[7，8]。MJS桩采用弹性模型根据实际情况，既有2号线隧道埋深11.9 m。在建的4号线隧道埋深约19 m，隧道外径6 m。内径5.4 m。管片每环1.5 m。厚度0.3 m。在盾构施工过程中，由于土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等因素的存在，土体原始应力将重新分布，原有的土体平衡遭破坏，导致地层发生不同程度的变形。地层变形过大会引起临近隧道土体应力状态的改变，使隧道产生变形，也会在地面产生一定的沉降[9，10]。

3 实测数据对比分析

整个盾构模拟下穿过程可以分为五个工况，如图4.5所示，模拟盾构下穿过程工况如表1所示。

4号线下穿2号线左线主要研究对象为自动化测点取靠近掘进中线的10个监测点G11、G15、G18、G21、G24、G28、G31、G34、 G37和G41每个点之间相距约3m，其中位于下穿中心的监测点为G24。整个监测周期从4月11日至4月30日，可分为五个不同阶段，如上表4.2所示，进行监测数据分析。各个阶段沉降变化曲线如图5所示。

从图5可知，在新建4号线左线下穿既有2号线左线期间，既有2号线最大累计沉降为2.66mm；最大累计沉降出现位置在新、旧交叉穿越中心位置，累计沉降峰值并不随下穿施工阶段改变而改变。地表沉降最大累计沉降为3.34mm；最大累计沉降出现在新、旧交叉穿越中心位置附近，可能原因是由于当时有钻孔机在旁侧，影响地表沉降。；既有隧道沉降以及地表沉降的各阶段既有2号线隧道沿线沉降与Peck公式的预测吻合，基本呈现正态分布。

4 结论

（1）模拟数据与实测数据变形曲线趋势较为一致，模拟数据与实测数据最大值较为吻合，说明有限元模拟结果从宏观上能较真实反映出现场状况。因此，本次模拟结果比较可信。

（2）盾构下穿施工时，为了确保施工人员能及时获得精准的监测数据，应对既有隧道采用自动化监测系统进行实时监控。实验研究得知，沉降一般发生在盾构掘进中以及离开后。因此，在盾构下穿过程中，尤其是在盾构到达下穿中心，需要加大监测频率，并实时反馈给指挥中心。

【参考文献】

[1] 曹振. 西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术西[D].安科技大学，2013.

[2] 褚东升. 长沙地铁下穿湘江土压平衡盾构隧道掘进参数研究[D].中南大学，2012，5：3-33.

[3] 黄建丹，宫全美，孟庆明等. 漂石地层土压平衡盾构掘进速度模型研究[J].华东交通大学学报，2016，33（4）：38-41.

[4] 颜治国. 西安地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制理论与技术[D].中国矿业大学（北京）2012，4：2-20.

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[6] 洪发泼. 上海软土地层MJS工法施工及应用研究[D].浙江大学，2017，3.

[8] 胡群芳，黄宏伟.盾构下穿越已运营隧道施工监测与技术分析[J].岩土工程学报，2006.

[9] 马云新.北京地铁盾构近距离下穿地铁运营盾构隧道施工[J].北京：中国铁道出版社，2011.

[10] 高文生.城市地下空间结构设计施工关键问题探析[J].地下空间与工程学报，2010.