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0.   引言

城市轨道交通发展的不断加快，致使新建地铁经常出现上跨、下穿既有隧道的工程难题，各线路之间近接交叉施工已成为不可避免的问题。盾构隧道近距离穿越施工会对既有隧道周围土体造成扰动，使既有运营隧道产生不同程度的变形和破坏，这给日益密集的地铁网络带来了巨大的挑战。因此，研究新建隧道近接穿越既有隧道的影响规律，探究如何减少盾构上跨、下穿既有地铁隧道的影响，保证既有地铁线路运营的安全, 是众多学者一直以来的研究焦点。

目前关于盾构隧道近接施工，国内外学者均开展了较多研究。LIANG等^[1]采用等效刚度法将隧道简化为EB梁，计算了隧道交叉位置处产生的卸载应力。刘纪峰等^[2]结合双线盾构下穿箱涵的工程，采用数值模拟的方法讨论了不同加固方案对输水箱涵的影响。祝思然等^[3]采用数值模拟与现场监测相结合的方法, 对盾构近距离下穿所引起既有线工程的沉降进行分析，提出了控制沉降的有效措施。袁竹等^[4]通过数值试验的方法得出基于地质条件和几何近接度的影响分区，并对不同影响分区提出不同的对应措施。JIN等^[5]提出采用隧道内灌浆保护方法与盾构法相结合的方法来减少双隧道开挖时对现有隧道的影响。杨建烽等^[6]采取数值模拟与现场监测相结合的方法, 研究盾构近距离交叉穿越对既有隧道纵向位移、水平位移及应力的变化规律。魏纲等^[7]通过模型试验研究在不同穿越方式、不同施工因素下新建盾构隧道对邻近既有隧道的影响。王超东等^[8]采取室内模型试验的方法模拟在不同角度下新建隧道穿越施工对既有隧道的影响。吴贤国等^[9]通过采取建立隧道近接分区公式的方法，对隧道间距比以及埋深比的近接度进行划分。杨志勇等^[10]通过采取有限元分析软件进行数值模拟计算，分析左、右线不同线间距、不同前后间距条件下盾构施工所造成的地表沉降。张青等^[11]采用数值软件研究了新建隧道小角度近距离下穿对既有隧道竖向位移、水平位移及应力的变化规律。赵秀绍等^[12]探究在小曲线半径施工和盾构机超载情况下，新建隧道上穿既有隧道引起的既有隧道拱顶、拱底纵向位移及既有隧道衬砌管片弯矩变化。

以上研究对新建隧道上跨及下穿既有隧道变形规律进行了系统的分析, 但对影响既有隧道沉降的施工参数进行全面分析的研究较少。因此本文在既有研究的基础之上，采用数值模拟的手段，以大连市地铁5号线下穿2号线工程为例，采用Midas GTS NX有限元分析软件, 建立三维数值模型，模拟四线隧道叠交近距离下穿施工的特殊工况，分析新建隧道近距离下穿对既有隧道的竖向位移及附加应力的变化规律。同时对新旧隧道净距、土仓压力、注浆压力等3个因素对既有隧道变形所造成的影响进行研究分析，以期为今后类似工程提供一定的参考。

1.   工程概况

新建隧道为大连市地铁5号线青泥洼桥站至火车站区间隧道工程，2号线区间为已通车运营线路，新建隧道双线斜交下穿既有地铁2号线，穿越角度约74°。其中5号线左、右线均采用盾构法施工，盾构外径6.20 m，内径5.50 m，管片宽度1.20 m，厚度0.35 m，左右线轴线间距12.34 m，覆土厚度约为25.70 m，新建盾构隧道拱顶距既有2号线底板最小净距约3 m，属小净距隧道近接下穿工程。新建隧道与既有隧道的平面位置关系如图 1所示。

图  1  新建5号线与既有2号线平面示意图

Figure  1.  Plane schematic diagram of new line 5 and line 2

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依据隧址区勘察报告显示，拟建地铁5号线青火区间下穿既有地铁2号线隧址区内，下穿区域地质断面图如图 2所示。既有2号线隧道主要位于强风化板岩和中风化板岩层，新建地铁5号线位于中风化板岩地层。根据盾构穿越的地层和上覆地层情况，将土仓压力取为0.15 MPa, 注浆压力取0.22 MPa。

图  2  下穿区域地质纵断面图

Figure  2.  Underpassing regional geological profile

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2.   盾构隧道下穿施工模拟

2.1   三维有限元模型及参数选取

基于工程实际概况，采用GTS NX有限元软件建立三维地层-结构数值模型进行分析。依据圣维南原理，模型几何尺寸设置为180 m×120 m×60 m，共划分37万个单元，整体三维模型如图 3所示。

图  3  隧道整体计算模型

Figure  3.  The whole calculation model of tunnel

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模型边界条件设置为模型底面和侧面施加法向约束，地表为自由面。模型除自重外，还需考虑上部列车及周边建筑物荷载，根据《城际铁路设计规范》(TB 10623—2014)，将列车及周边建筑物荷载按静荷载考虑，折算取60 kPa。

模型中的岩、土体本构模型采用摩尔-库伦破坏准则，岩、土体与管片注浆均采用实体单元模拟，管片、盾壳、初期支护、二次衬砌等均采用各向同性的线弹性本构模型，采用板单元进行模拟。其中，考虑到采用抗弯螺栓进行错缝拼装新建隧道盾构管片，应对其弹性模量进行折减，折减系数取0.85^[13]。岩土体物理力学参数及结构材料力学参数取值如表 1和表 2所示。

表  1  岩土体物理力学参数

Table  1.  Physical parameters of soil mass

地层名称	厚度/m	重度/(kN·m-3)	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)	弹性模量/MPa	泊松比
素填土	4.50	17.00	10.00	15.00	10	0.40
碎石	5.50	21.50	8.00	30.00	90	0.28
强风化板岩	10.40	22.00	60.00	30.00	150	0.28
中风化板岩	39.60	27.00	150.00	35.00	310	0.27

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表  2  岩土体结构材料力学参数

Table  2.  Material parameters of soil mass

名称	重度/(kN·m-3)	弹性模量/MPa	泊松比
盾壳	78.00	208 000	0.20
管片	25.00	29 325	0.30
管片注浆	20.00	30 000	0.25
既有隧道初支	24.00	15 000	0.20
既有隧道二衬	25.00	31 500	0.20

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2.2   盾构施工过程模拟

新建隧道采用盾构法施工，先开挖左线，左线开挖完成后进行右线开挖。开挖模拟施工步骤如下：初始自重立场计算；模拟既有2号线隧道开挖支护，施加上部建筑物及列车静荷载，进行位移清零；左线盾构开挖，首先激活第一个施工步的盾壳单元、掘进压力，钝化开挖土体；然后对上一环的管片、盾构顶推力及注浆压力进行激活，钝化掘进压力、盾壳单元，在下一步钝化盾构顶推力，依此类推至左、右盾构施工结束。

选取新建盾构隧道下穿施工过程中重要的8个施工阶段对既有2号线隧道进行影响分析，分别为：①新建左线开挖；②新建左线开挖至既有右线正下方；③新建左线开挖至既有左线正下方；④新建左线开挖完毕；⑤新建右线开挖；⑥新建右线开挖至既有右线正下方；⑦新建右线开挖至既有左线正下方；⑧新建右线开挖完毕。

3.   数值模拟结果分析

3.1   盾构隧道施工对既有隧道的影响

下穿过程中，由于盾构掘进对其上覆土层造成扰动，进而引起既有线路周边围岩应力重分布，表现出既有线路产生附加应力及附加变形。本文分别对盾构下穿既有隧道不同施工阶段中左、右线拱顶及拱底竖向位移进行分析，并对8个施工阶段既有隧道拱顶、拱底及两侧拱腰位置进行Von Mises分析。

3.1.1   双线盾构下穿对既有隧道竖向沉降的影响

如图 4、图 5所示，横坐标为距新建双线隧道中心线的距离，纵坐标为既有隧道拱顶、拱底沉降值。图中①至⑧分别代表上文中盾构施工过程中的8个重要施工阶段。对于拱顶而言，无论是左线还是右线，其沉降趋势大致相似，最终均呈现出正态状分布，左、右线最大沉降位置位于新建双线隧道中心线位置，最终沉降分别为5.29、5.32 mm，分析左线隧道拱顶沉降位移略小于右线的原因为：既有右线下方土体最先开挖，其附加位移值自然更大，这也与实际工程情况相符。

图  4  既有隧道拱顶沉降曲线

Figure  4.  Settlement curve of existing tunnel vault

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图  5  既有隧道拱底沉降曲线

Figure  5.  Settlement curve of existing tunnel arch bottom

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在整个新建隧道盾构掘进过程中，既有隧道左、右线变化规律相同，以既有右线为例。开挖初期既有右线拱顶无明显沉降变化，随着掌子面的向前掘进，沉降趋势开始明显，新建左线掘进至既有右线正下方，沉降位移在新建左线隧道中心位置达到第一个峰值1.65 mm，随着掌子面远离，其附加位移缓慢累加，掘进至既有线左线最下方时达2.97 mm；随着新建右线的掘进，既有隧道上方土体开始出现偏压现象，既有右线沉降槽从新建左线轴线位置向新建右线轴线侧偏移，同时既有右线拱顶沉降不断增加，新建右线掘进至既有线正下方时，达4.00 mm，至新建隧道开挖结束，最终达5.32 mm。此外，从既有右线拱顶沉降数据分析得到，当掌子面掘进至既有右线正下方时，其沉降速率较大，因此，在施工过程中应重点监测新建隧道与既有隧道轴线交叉位置的衬砌变形情况，从而保证施工的正常进行及运营的安全。

对于既有线路拱底竖向位移分析而言，左、右线隧道变形趋势大致相同，至开挖结束，拱底沉降均呈“W”状分布，其中既有右线与新建隧道左、右轴线交叉位置沉降值最大，分别为6.23、6.10 mm，既有左线沉降值分别为6.20、6.00 mm，其中既有右线交叉位置沉降略大于其他沉降值的原因同拱顶沉降。

同拱顶沉降分析一样，既有线路拱底沉降变化趋势在新建隧道掘进的过程中规律相同，此节以既有左线为例。鉴于新建隧道掘进最先抵达至既有右线正下方，此时既有左线拱底受掘进影响，产生较小沉降，其值为0.15 mm；随着掌子面不断接近既有左线正下方，其沉降速率不断增大，在掘进至其正下方时，达到第一个峰值1.92 mm，之后沉降不断增大，至新建左线开挖结束达5.30 mm；后随着新建右线隧道的开挖，其围岩应力进一步重分布，沉降槽开始呈现不对称“W”型分布，在新建隧道与既有左线交叉位置出现沉降峰值3.16 mm；至全部开挖结束，新建右线交叉位置沉降达6.00 mm，沉降槽整体呈“W”型。

进一步对比分析既有隧道拱顶、拱底沉降值及沉降槽可知，既有隧道拱底的最终沉降值大于拱顶，这是由于既有隧道底板距新建隧道拱顶更近的缘故，至于其沉降曲线形态不同，其原因是既有隧道仰拱的弧度一定程度上分散了部分附加应力，因此非交叉位置其沉降较小。

3.1.2   双线盾构下穿对既有隧道的附加应力分析

新建隧道下穿既有线路，会引起既有线路隧道围岩应力重分布，除了会造成既有线路发生附加变形之外，还伴随有附加应力的产生，进而导致既有线路二衬结构开裂，轨道错位影响既有线路的正常运营，因此本文提取重要施工阶段既有隧道二衬结构的Von Mises应力进行分析，见表 3。

表  3  重要施工阶段Von Mises应力值

Table  3.  Von Mises stress value in the important construction stage

施工阶段	最大Von Mises应力/(kN·m-2)	最小Von Mises应力/(kN·m-2)
①	2140	509
②	2440	450
③	2790	410
④	3220	380
⑤	3230	380
⑥	3380	383
⑦	3570	395
⑧	3610	402

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由表 3可知，新建隧道开挖对既有隧道二次衬砌所产生的附加应力均为拉应力，且随着施工步的进行, 其值区间不断扩大，最终达3208 kN/m²。对于最大Von Mises应力而言，随着盾构掘进的进行，其值不断增大，最终既有隧道在新建隧道开挖结束后，产生最大约1470 kN/m²(即1.47 MPa)的附加Von Mises应力。最小Von Mises应力随左线隧道开挖逐渐减小，当右线隧道开挖时其值缓慢增大。其原因是，随着右线的掘进，对上部地层扰动更甚，因此既有隧道二次衬砌承受的拉应力再次增大。由于既有隧道二次衬砌采用C50混凝土，抗压、抗拉强度标准值分别为32.40、2.64 MPa，结合等效应力可知，增加的附加应力小于抗拉标准值，因此二次衬砌仍满足抗拉承载要求，但在新建右线隧道开挖的过程中，应重点监测既有隧道的二次衬砌开裂情况，确保运营线路的安全。

进一步提取既有隧道左、右线与新建左线隧道中心线相交位置的拱顶、拱底、左右拱腰部位的Von Mises应力值进行分析。由图 6可知，既有隧道左、右线的相应位置在各施工阶段呈现的规律一致。

图  6  既有隧道附加应力变化曲线

Figure  6.  Additional stress variation curve of existing tunnel

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以既有右线隧道为例，在新建隧道掘进过程中，整体以拉应力为主，在既有右线拱顶位置处，其值随着开挖的推进不断增大，最终达1619 kN/m²，拱底变化幅度不大，两侧拱腰位置应力值先减小，后缓慢增大，因此施工过程中应着重注意拱顶两侧拱腰位置的二次衬砌情况，预防由于应力过大造成开裂。

3.2   施工参数对既有隧道变形的影响

隧道近接下穿对既有线路的影响较大，为了确保新建隧道能够安全稳定施工，既有线路能够平稳正常运营，选择新旧隧道净距、盾构掘进的土仓压力以及注浆压力3个盾构掘进过程中的内、外影响因素进行具体分析。为保证数据的可比性，采用控制变量的方法，在保持其他参数不变的情况下，对相应参数进行有限元数值模拟，以拱底竖向位移为指标进行分析。

3.2.1   新旧隧道净距对既有隧道变形的影响

为分析下穿施工过程中新旧隧道净距对既有隧道竖向变形的影响，保持其他参数不变，分别取新旧隧道净距为1.5、3.0、4.5 m的3种工况进行研究。图 7为在不同净距下既有隧道随盾构掘进过程的拱底竖向位移变化规律。

图  7  新旧隧道净距对既有隧道变形的影响曲线

Figure  7.  Influence curve of clear distance between new and old tunnels on the deformation of existing tunnel

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对于既有隧道的左、右线而言，其沉降趋势大体一致，随着新、旧隧道净距的缩小，其拱底沉降值不断增大，在到达该交叉位置的施工阶段沉降速率越大；与原净距相比，当净距为1.50 m时，既有隧道左线、右线拱底最大沉降值最终分别达到6.55、6.65 mm；当净距为4.50 m时，既有隧道左线、右线拱底最大沉降值最终分别达到6.05、6.09 mm。这说明随着新旧隧道净距的增大，新建盾构隧道掘进过程对既有隧道的扰动变小，故既有隧道沉降值减小。

既有隧道右线受扰动程度稍微高于左线，原因在于盾构掘进过程中既有右线最先被扰动，故其沉降累计值较大，这是由于盾构掘进至既有线路正下方时，引起既有隧道发生较大沉降，沉降速率增大；随着新建盾构隧道继续向前推进，既有隧道沉降趋于平缓，直至新建盾构右线穿越时既有隧道再次发生较小沉降。因此，在新建盾构隧道下穿过程中，第一次穿越使既有隧道受扰动程度远大于第二次穿越所受影响，施工过程中应密切关注既有隧道的初次扰动。

3.2.2   土仓压力对既有隧道变形的影响

为分析下穿施工过程中土仓压力对既有隧道竖向变形的影响，保持其他参数不变，分别取土仓压力为0.075、0.150、0.300 MPa的3种工况进行研究。图 8为在不同土仓压力下既有隧道拱底竖向位移变化规律。

图  8  土仓压力对既有隧道变形的影响曲线

Figure  8.  Influence curve of earth pressure on the deformation of existing tunnel

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由图 8可知，既有左、右线的拱底竖向位移变化趋势一致，土仓压力的变化对既有线沉降变化影响不大，土仓压力对既有隧道右线竖向变形影响略大于左线，在新建隧道左、右线下穿过程中，土仓压力对既有隧道造成的影响以左线影响最为明显。

在盾构机未掘进至既有隧道时，土仓压力对既有线影响不大，当掌子面掘进至既有隧道正下方时，由于土体开挖所造成的卸荷作用使得既有线急剧下沉，随着盾构掌子面继续向前推进，土仓压力对既有线的影响变小；在盾构机二次穿越时，既有线路发生二次沉降，但此时沉降量远小于首次穿越对既有隧道竖向位移的影响。

3.2.3   注浆压力对既有隧道变形的影响

为分析下穿施工中注浆压力对既有隧道竖向变形的影响，保持其他参数不变，分别取注浆压力为0.11、0.22、0.33 MPa的3种工况进行研究。图 9为在不同注浆压力下既有隧道随盾构掘进过程的拱底竖向位移变化规律。

图  9  注浆压力对既有隧道变形的影响曲线

Figure  9.  Influence curve of grouting pressure on the deformation of existing tunnel

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对于既有隧道左、右线而言，随着注浆压力的增大，其沉降变化趋势一致。与原设定注浆压力相比，当注浆压力为0.11 MPa时，既有隧道左线、右线拱底竖向位移值最终均达到5.49 mm；当注浆压力为0.33 MPa时，既有隧道右线、左线最大竖向位移值最终达到6.90、6.92 mm。

另外，当掘进面未到达穿越区域时，注浆压力对既有隧道所产生的影响较小，不同注浆压力对既有隧道变形影响相差不大。当盾构掌子面至既有隧道正下方时，不同注浆压力对既有线路的拱底竖向位移产生显著影响，且盾构左线下穿对既有隧道所造成的变形远大于新建盾构右线下穿对既有隧道的影响。

4.   结论

依托大连新建地铁5号线双线隧道下穿既有2号线施工案例，运用有限元软件对其进行三维数值模拟，分析施工过程中既有隧道的竖向位移及附加应力变化规律，并对相应的影响因素进行对比分析，得出以下结论:

(1) 对既有隧道而言，既有隧道二衬以竖向变形为主，拱顶竖向沉降小于拱底，拱顶沉降槽以新建双隧道中心线呈正态状分布，左、右线最终沉降值分别为5.29、5.32 mm。拱底沉降槽由于隧道仰拱分解承担部分附加应力的缘故，最终呈“W”状分布，最大沉降位于新建隧道与既有线路中心线交叉的正下方，既有右线沉降值分别为6.23、6.10 mm，既有左线沉降值分别为6.20、6.00 mm。

(2) 既有隧道二次衬砌整体上处于受拉状态，所产生的附加应力值为1.47 MPa，小于C50混凝土标准抗拉标准值，满足承载要求，但在交叉位置拱顶部分，应力值增大明显，存在拉裂的可能，应重点关注。

(3) 由附加变形及附加应力分析可知，新建盾构隧道左、右线过程中，首次下穿造成既有隧道沉降量远大于二次下穿，约占最终沉降量的87%，既有右线最终沉降量稍大于左线，故在施工过程中应着重关注盾构首次穿越对既有线的影响。

(4) 新旧隧道净距以及注浆压力，均对既有线竖向沉降产生了较大影响，随着新旧净距不断增加，既有线竖向沉降不断减小；注浆压力的增大，会导致既有线拱顶竖向位移的不断增大。但土仓压力的改变对既有隧道沉降产生的影响较小。