新建电缆盾构隧道近距离下穿 既有地铁影响分析

董志伟 陈俊生 宝青峰

摘 要：以深圳北环电缆隧道南线下穿深圳既有地铁 2 号线岗厦北站—华强北站区间工程为依托，通过有限元数值模拟分析新建电缆盾构隧道近距离下穿地铁线路时对既有地铁的影响规律。研究结果表明，既有地铁的竖向沉降随着电缆隧道与既有地铁交叉角度的增加而减小;电缆隧道盾构掘进过程中会对既有地铁结构产生扰动，使其结构发生变形，最大沉降值发生在掘进掌子面后方 15～20m;数值分析结果与现场实测数据趋势接近。

关键词：地铁;电缆盾构隧道;下穿既有地铁;数值模拟

中图分类号：U455

0 引言

隨着城市轨道交通的快速发展和最大化利用城市空间，相继出现新建隧道近距离下穿既有隧道的情况[1-2]。为了得到新建盾构隧道下穿对既有隧道的影响规律，近年来，学者从理论分析、模型试验和数值模拟及现场监测的方面进行了大量有价值的研究。房明等（2016）[3]应用随机介质理论，建立了隧道交叉施工关于沉降变形的计算模型;张晓清等（2015）[4]借用室内模型试验，采用排液法，比较了新建隧道与既有隧道的不同位置对地面沉降的影响;李磊等（2014）[5]以上海地铁新建11号线近距离穿越既有4号线为背景，结合现场监测和数值模拟的方法，分析了盾构下穿施工时的土仓压力和注浆压力对既有隧道变形的影响;袁大军等（2018）[6]以深圳地铁9号线双线隧道下穿既有运营地铁4号线为背景，对既有隧道变形、受力进行了动态监测，分析了盾构下穿引起既有隧道变形特征，并提出了既有隧道变形控制方法。

本文以深圳北环电缆隧道南线工程为背景，采用数值模拟分析方法研究交叉角度对既有地铁的影响规律，并结合数值模拟分析结果和现场监测数据，进一步分析新建电缆隧道对既有运营地铁的影响特性，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

深圳北环电缆隧道南线含1条主线，2条支线，南线盾构区间总长3 844.778 m，线路起于笔架山公园力能加电站，向南下穿笋岗西路、中心公园、地铁3号线、红荔路、振华路、中心公园、地铁2号线，沿彩田路向北至华富三路（终点）。

深圳北环新建电缆隧道在下穿深圳地铁2号线时，电缆隧道与既有地铁外边线相交。相交的地铁区域位于岗厦北站—华强北站区间，新建盾构隧道与既有地铁的净距仅为3.9 m。电缆隧道先后穿越地铁右线和左线，穿越区域的地层主要为全风化花岗岩层和强风化花岗岩层。场地内主要位于砾质黏性土中，新建电缆隧道工程穿越区域的地层主要为全风化花岗岩层和强风化花岗岩层，围岩分类为Ⅴ类。考虑到围岩岩性较差，且新建电缆隧道与既有地铁净距过小，因此有必要开展隧道下穿既有地铁的影响性分析。

2 数值分析模型

2.1 模型建立

电缆隧道下穿既有地铁结构模型见图1、图2。为充分考虑盾构开挖引起的边界效应[14-16]，模型边界与主要结构的距离应达到3D以上（D为盾构隧道直径），本文取模型尺寸为：高41 m，长41 m，宽60 m。模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面。土层采用实体单元，地铁及电缆隧道管片按均质圆环单元考虑，不考虑管片环之间的纵向连接和管片分块之间的横向连接，但将管片的整体刚度进行折减，参考相关研究[13， 17-19]，折减系数取0.65。

2.2 模型参数

参照《深圳市北环线电缆隧道工程岩土工程详细勘察报告》和《深圳北环线电缆隧道地质补充勘察报告》，本构关系采用摩尔-库伦模型;新建电缆隧道外径4.6m，内径4.0 m，既有运营地铁隧道内径6.0 m，两者的管片厚度均为300 mm，管片材料为C50。为了和实际相符，在新建电缆隧道管片外围考虑注浆层实体，厚度为140mm，本构关系采用弹性模型。土层和隧道结构材料力学参数分别见表1和表2。

3 数值结果分析

3.1 交叉角度对既有地铁影响性分析

根据国内外学者的研究成果，对立体交叉隧道产生影响的因素主要有围岩级别、交叉角度以及净距[7-14]。深圳北环电缆隧道南线工程的埋深设计已经确定，即已建深圳地铁2号线与预建的北环电缆隧道南线盾构隧道顶的最小相对净距约3.9 m，且下穿既有地铁的区段地质起伏不大，故本文只分析下穿时的交叉角度对既有地铁的影响，分别建立交叉角度为0°、45°和90°的数值模型（图3），以期为该工程下穿既有深圳地铁2号线及其他地铁线合理角度的设置提供参考。

表3、图4给出了不同交叉角度条件下既有地铁隧道的竖向位移计算结果，从表3和图4可知，在0～90°的范围内，随着交叉角度的增加，既有地铁结构的竖向位移逐渐减小。当电缆隧道与既有地铁垂直时，对既有地铁的影响最小，但是不同交叉角度条件下地铁隧道的竖向位移均小于-4 mm。在实际工程中，考虑到新建电缆隧道工程起终点限制、线性选择、地质条件以及经济效益，新建电缆隧道与既有地铁的交叉角采用45°较为合适。

3.2 电缆隧道开挖引起既有地铁隧道竖向位移分析

为研究新建电缆隧道开挖过程中对既有地铁的影响（交叉角度为45°），分别对新建电缆隧道开挖至既有地铁右线前方（阶段1）、既有地铁右线下方（阶段2）、既有地铁右线和左线中间（阶段3）、既有地铁隧道左线下方（阶段4）、离开既有地铁隧道（阶段5）这5个阶段进行详细的地铁隧道沉降分析。各阶段的竖向位移云图如图5所示。

如图5所示，根据对新建电缆隧道盾构每环掘进的数值模拟，得到既有地铁隧道的竖向位移值，各个阶段对应的最大竖向位移值为-1.185、-2.193、-2.774、-2.843、-2.819 mm，且既有地铁出现最大竖向位移值的位置主要分布在地铁右线的拱底附近;当盾构隧道掘进至地铁左线下方，在开挖面后方约15 m、地铁右线的底部出现最大沉竖向位移-2.843 mm。

4 现场监测分析

4.1 监测点布置情况

采用自动化监测的方式，分别对既有地铁隧道左线和右线沉降进行监测，测点布置如图6所示。监测地铁里程为左线的ZDK28+230.478—ZDK28+340.478区段和右线的YDK28+219.708—YDK28+329.708区段，分别从新建电缆隧道与既有地铁中心线相交处向大里程方向和小里程方向各55 m的范围内。每条地铁隧道布设9个断面，左、右线监测断面命名为L1～L9和R1～R9。

4.2 监测结果分析

图7为新建电缆隧道盾构掘进前10天深圳地铁2号线的右线监测断面沉降时程曲线，由图7可知，在整个盾构下穿掘进过程中，右线监测断面R1～R2和R8～R9几乎没有沉降或隆起，主要发生沉降的为R3～R7监测断面，其中R5监测断面正下方拱底位置附近累計沉降最大，约为4.1mm，经注浆加固后，R5监测断面的沉降长期稳定值在1.3 mm;右线最大累计沉降发生在盾构正下穿之后1天，按照盾构掘进速度，最大沉降发生在盾构穿过20m左右，即最大沉降值位于电缆隧道掌子面后方20m左右，之后沉降值趋于稳定，与数值模拟结果基本吻合。

5 结论及建议

（1）新建电缆隧道下穿时对既有地铁隧道竖向位移的影响随着交叉角度的增加逐渐减小，当电缆隧道与既有地铁隧道垂直时对既有地铁的影响最小。

（2）新建电缆隧道近距离下穿既有地铁施工必然会对既有地铁隧道产生扰动，使得隧道发生变形，最大沉降值发生在掘进掌子面后方15～20m。施工中为减少穿越扰动，降低隧道变形，可以通过控制盾构土压力、加强同步注浆和二次补浆及提前采取辅助措施对既有地铁隧道进行加固等措施，确保既有地铁隧道安全。

（3）在新建电缆隧道下穿掘进过程中，数值模拟既有地铁隧道最大累积沉降约2.84 mm，现场监测既有地铁隧道最大累计沉降约为4.1 mm。考虑施工和监测误差，该监测值与数值模拟计算值基本接近，表明数值模拟可行。

参考文献

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收稿日期 2019-07-17

责任编辑 朱开明

Analysis on influence of new cable shield tunnel under passing the existing subway at short distance

Dong Zhiwei， Chen Junsheng， Bao Qingfeng

Abstract： Based on the project of the south line of Shenzhen north ring cable tunnel passing under section between Gangxia North Station and Huaqiang North Station of existing Shenzhen metro line 2， through the finite element numerical simulation this paper analyzes the influence pattern of new cable shield tunnel on the existing metro when under passing the metro line in a short distance. The research results show that the vertical settlement of the existing metro decreases with the increase of the crossing angle between the cable tunnel and the existing metro， the cable tunnel shield tunneling disturbs the existing metro structure and makes its structure deform， the maximum settlement value is 15 ～ 20 m behind the excavation work face， and the numerical analysis results are approaching to the field measured data.

Keywords： subway， cable shield tunnel， under passing existing subway， numerical simulation