双圆盾构隧道施工对交叠隧道的影响性分析

刘湘

【摘要】对双圆盾构施工引起的地层损失进行分析，用源汇法和文克尔原理推导了地层损失对既有交叠隧道的附加荷载与纵向沉降計算公式，结合算例，将不同地层损失计算所得的解析解与有限元模拟的数值解进行对比分析并得出规律，为隧道工程施工提供参考依据。

【关键词】双圆盾构；交叠隧道；地层损失；附加荷载；纵向变形；有限元

1 引言

双圆盾构穿越交叠隧道时易造成较大的变形并造成严重事故[1]。本文结合前人的研究成果，利用地层损失对交叠隧道产生竖向变形的理论公式并采用有限元验证其结果的合理性。

2地层损失引起交叠隧道竖向附加荷载

镜像法也称为源汇法[2]，是在以地表为镜面，将土体内真实源镜像到对称处，从而可以忽略地面，即将半无限土体化为无限土体，分别计算源与汇作用于土体内某点的应力[3]。在应用源汇法求解时应将其产生的附加剪应力反向加于地表，并根据通过 Cerruti 解其在地表上引起的竖向应力进行数值积分。 （1）

3地层损失引起交叠隧道纵向变形

根据弹性地基梁原理，假设由于地层损失引起的附加竖向应力 在 轴上的一点 的集中荷载为 ，那么在无限长隧道范围内积分为：

（2）

4计算模型与基本假设

（3）

（4）

在交叠隧道施工过程中，通过源汇法求出地层损失各点附加应力 ，将其和乘以 即为沿轴向的附加线性应力，带入文克尔法公式（2）中即可求出交叠隧道的纵向变形。

5算例模型

上海地铁2号线东延伸段某区间采用6520mmm×W11120mm（外径×宽度）加泥式土压平衡双圆盾构机掘进，管片内径5700mm，外径6300mm，环宽1200mm，中心距4600mm，管片衬砌轴线埋深13.37m。上部既有圆形管线隧道与下部隧道在水平面上的投影近似正交，隧道顶部覆土深度4m，直径2m。

表1 材料特性参数

类型 弹性

模量（MPa） 泊松比

内摩擦

角

内粘

聚力

重度

厚度（m）

①杂填土 8 0.26 20 15 17.50 7

②淤泥质粉质粘土 10 0.28 23 12 17.50 15

③粘质粉土 16 0.3 25 0.8 17.00 15

④粉质粘土 35 0.25 30 0.8 18.00 -

上部隧道衬砌 35000 0.31 25 - 23.00 0.1

用有限元软件ADINA建立隧道开挖的三维数值模型，用如下方法来考虑地层损失：假设一个模拟开挖外周，该外周与衬砌之间空隙体积即为地层损失量，开挖外周与前计算的空隙外径 相对应。

图1双圆盾构施工数值模型

6解析解与数值解分析及结论

图2交叠隧道荷载及变形

源汇法和文克尔原理推导的地层损失作用于交叠隧道的附加荷载以及引起其变形的曲线近似成正态分布，新建双圆隧道中心上方引起的附加荷载和变形最大，在双圆隧道半宽的1.5倍外呈现压应力以及隧道呈隆起变形。解析解和数值解均表明，双圆盾构在掘进过程中引起的地层损失越大，上部既有交叠隧道的沉降也越大，二者基本呈正比关系。因此，盾构掘进中应严格控制施工工法，避免有较大的地层损失对既有交叠隧道等造成破坏。

参考文献：

[1]崔玖江， 崔晓青.隧道与地下工程注浆技术[M].中国建筑出版社， 2011.

[2]赵志明.隧道施工引起土体位移与应力的镜像理论研究及回归方法的应用[D]. 天津： 天津大学博士论文， 2004.

[3]魏纲，洪杰，魏新江.双圆盾构隧道施工对平行既有隧道的影响分析[J].岩土力学， 2012， 33（增刊2）：98-104