随着轨道交通在我国各大城市迅速、大规模地发展，出现了地铁隧道之间相互穿越的现象，特别是已建地铁隧道作为城市交通的命脉，其运营的安全极为重要，而在建隧道的施工穿越，势必对既有地铁的使用功能和安全产生
 
影响^[1-3]。 因此，对盾构穿越既有地铁隧道的变形预测进
 
行研究具有十分重要的理论研究和工程应用价值
 
0 工程背景
 
1. 1 工程概况
新建北京地铁某区间隧道盾构下穿既有地铁隧道，在穿越部位二者的竖向净距约为 4 m，其中新建隧道区间以 380 m 转弯半径通过，既有地铁隧道以 350 m 转弯半径通过。两线相交处对应的既有地铁隧道区间左线里程为 K24+873、K24+852，右线里程为 K24+908、K24+886。在穿越部位与既有地铁隧道左线交点夹角分别为52 °和 54 °，与既有地铁隧道右线交点夹角分别为 45 °和48 °。盾构下穿既有地铁隧道相对位置关系见图 1。
新建隧道为双线区间，隧道覆土厚度约为 23.7 m，采用盾构法施工；隧道外径 6.4 m，管片厚度 0.3 m，左、右线间距约为 15.4 m；盾构区间所在地层为⑦卵石层，该层卵石最大粒径为 100 mm，一般粒径为 40～60 mm。
 
既有地铁隧道被穿越段为左、右线布置，覆土厚度约为 13.5 m，所在地层为⑥₂ 粉土层。 盾构下穿既有地铁隧道相对位置关系见图 2。
 

图 1 盾构下穿既有地铁隧道相对位置关系平面图
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     
 
 
 
图 2 盾构下穿既有地铁隧道相对位置关系剖面图
1. 2 工程地质及水文概况
1. 2. 1 工程地质
根据岩土工程勘察报告可知，拟建场地地貌类型为第四纪冲洪积平原，第四纪沉积韵律较为明显；地层由人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积的黏性土、粉土、砂土、碎石土构成，基岩埋深大于 50 m。
1. 2. 2 水文概况
勘察期间发现，在勘察深度内实测到 3 层地下水，其类型分别为上层滞水（一）、潜水（二）和层间水-承压水（三）。其中：上层滞水（一）稳定水位深度 7.0～ 8.1 m；潜水（二）稳定水位深度 19.5～20.7 m；层间水-承压水（三）稳定水位深度 30.6～31.3 m。
2 盾构下穿时对既有地铁隧道的数值模拟分析
利用 MIDAS/GTS 有限元分析软件，对新建盾构隧道的施工步骤及其引起的既有地铁隧道结构变形采用三维地层结构模型模拟分析，以评估既有地铁隧道结构的安全性，并综合各种影响因素，提出盾构下穿期间既有地铁隧道结构变形控制标准。
2. 1 计算模型建立
以数值计算模型上边界为地表，竖向共取 50 m，与区间隧道平行方向取 200 m、垂直方向取190 m，由此建立计算模型网格图（见图 3）。新建隧道与既有地铁隧道的相对位置关系见图4。
 
 
 
 
 
 

 

图 3	计算模型网格图	图 4  新建隧道与既有地铁
		隧道的相对位置关系

2. 2 计算模型物理力学参数
计算中采用不同的本构模型模拟不同的材料，其
 
中对于混凝土材料采用线弹性模型，而各层土体则采用莫尔－库仑（M-C）模型。 计算模型中材料物理力学参数取值见表1。
 
2. 3 计算工序
根据施工设计资料，数值计算模拟按照如下工序进行（见图 5）：第 1 步（工况 1～3），分步开挖右线隧道土体，边开挖边施作管片； 第 2 步（工况 4～6），分步开挖左线隧道土体，边开挖边施作管片。
 

	表 1	计算模型中材料物理力学参数值
项目		h/m	E/MPa	ν	c/kPa	φ/（°）	γ/(kN/m3）
①填土		2.7	5	0.30	0	10	18.4
②1	黏土	2.4	15	0.30	25	15	19.3
③1	卵石	3.5	80	0.25	0	35	20.5
④2	黏土	4.1	22	0.30	27	12	20.2
⑤粉土		9.0	24	0.30	15	28	20.2
⑥2	卵石	10.0	90	0.25	0	40	21.0
⑦粉黏土		8.0	26	0.30	28	16	20.0
⑧3	卵石	10.3	120	0.25	0	45	22.0
盾构管片		0.3	34500	0.20			25.0

 
注：h 、E、ν、c、φ 和 γ 分别代表材料厚度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角和重度。

 
 
a）工况 1 b）工况 2
 
 
 
 
 
 
c）工况 3 d）工况 4
 
 
 
 
 
 
 
 
e）工况 5 f）工况 6
 
 
图 5 计算工序图
 
2. 4 计算结果及分析
 
2. 4. 1
既有地铁隧道结构竖向（Z 方向）变形分析为了简洁、直观地反映既有地铁隧道结构的竖向变形情况及规律，图 6 给出了工况 3、工况 6 的竖向变形云图。
由图 6 可以看出：既有地铁隧道结构的竖向位移以负值为主，表明结构产生了下沉，工况 3（右线穿越完成）竖向下沉最大值为-2.07 mm，工况 6（左线穿越完成）竖向下沉最大值为-2.45 mm，发生在隧道对应穿越部位的底板；竖向上浮最大值为 0.37 mm，发生在右线盾构隧道开挖至既有地铁隧道右线区间隧道前。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
a）工况 3 b）工况 6
 
图 6既有地铁隧道结构竖向变形云图
4. 2 既有地铁隧道结构横向（X、Y 方向）变形分析既有地铁隧道结构的横向变形云图见图 7、8。
 
图 9 既有地铁隧道结构左线累计变形曲线

a）工况 3 b）工况 6
 
图 7既有地铁隧道结构 X 方向变形云图
 
 
 
 
 
 
 
 
 
a）工况 3 b）工况 6
 
图 8既有地铁隧道结构 Y 方向变形云图
由图 7、8 可以看出：既有地铁隧道结构的横向变形相对较小，其中 X 方向位移最大值为-0.29 mm，Y 方
 
向位移最大值为 0.27 mm。
 
2. 4. 3 既有地铁隧道结构累计变形曲线分析
既有地铁隧道结构底板对应左、右线位置的累计变形曲线见图 9、10。由数值模拟计算结果可知，新建隧道盾构下穿既有地铁隧道结构的各方向变形影响均在安全范围内，区间隧道竖向位移最大值为-2.45 mm，横向位移最大值为-0.29 mm。 新建结构施工引起的既有地铁隧道结构变形不影响地铁的正常运营。
结合工程实际特点，依据现有常规测量仪器的监测精度，在综合考虑预测变形值和结构容许变形值的基础上考虑一定的安全系数^[6-7]，再综合运营安全要求确定了变形控制值（见表 2），并将控制值的 80 %作为报警值，70 %作为预警值。
图 10 既有地铁隧道结构右线累计变形曲线
 

表 2		既有地铁隧道结构控制指标			mm
控制指标	预警值（70 %）		报警值（80 %）	控制值（100 %）
竖向变形		0.7	0.8		1.0
		-2.1	-2.4		-3.0
横向变形		0.7	0.8		1.0

 
注：竖向变形正值为上浮值，负值为下沉值。
 
0 既有地铁隧道结构沉降实测结果分析
 
3. 1 现场监测方案
 
依据专项设计方案及相关规范要求，施工期间对既有地铁隧道结构竖向位移进行了现场监测。监测项目为地铁隧道结构竖向位移，采用精密水准仪进行测量，布点间距见图 11。 测点布设在地铁隧道结构底板上，左、右线隧道共计布设 26 个测点，右线测点编号 Y01～Y13，左线测点编号 Z01～Z13。
 
监测从新建盾构区间右线盾构刀盘距离既有地铁隧道右线结构外墙 20 m 开始，至左、右线盾构穿越既有地铁隧道完成为止。 实际工程进度为：右线穿越历时 6 d，左线穿越历时 6 d，监测频率为 1 次/d，监测时间为列车停运后凌晨 1∶00—3∶00。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 11 现场监测布点图
 
3. 2   实测结果及数据分析
 
0 有地铁隧道结构竖向位移累计变形曲线见图
 
12、13。
 
 
 
 
 
 
 

 
图 12 既有地铁隧道右线结构竖向位移累计变形曲线
 
 
 
 
 
 
 
图 13 既有地铁隧道左线结构竖向位移累计变形曲线
 
由图 12、13 可知：既有地铁隧道结构竖向位移较小，施工期间均未超出变形控制值。 其中，既有地铁隧道右线最大竖向位移发生在 Y04 测点处，下沉 1.78 mm；
 
最小竖向位移发生在 Y13 测点处，下沉 0.05 mm。 既有地铁隧道左线最大竖向位移发生在 Z09 测点处，下沉
 
1.89 mm，略大于右线；最小竖向位移发生在 Z13 测点处，下沉 0.44 mm。
 
0 结论
1）由数值分析计算结果可知，既有地铁隧道结构的竖向位移以负值为主，表明结构产生了下沉，竖向下沉最大值为-2.45 mm，发生在新建区间隧道左线对应穿越部位的底板；竖向上浮最大值为 0.37 mm，发生在右线盾构隧道开挖至既有右线区间隧道前；既有地铁区间隧道结构的横向变形相对较小，其中 X 方向位移最大值为-0.29 mm，Y 方向位移最大值为 0.27 mm。
2）由现场实测数据分析可知，既有地铁隧道竖向位移较小，施工期间均未超出变形控制值。 其中，右线最大竖向位移发生在 Y04 测点处，下沉 1.78 mm；左线最大竖向位移发生在 Z09 测点处，下沉 1.89 mm，略大于右线。
3）对比数值分析结果和现场实测结果可以看到，实际施工监控量测数据与施工前数值分析结果基本一致，说明预测结果是可靠的，风险前评估预测分析结论基本可以客观、如实地反映施工过程中各部位的情况，较为准确。
 
参考文献：
 
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[2]范垚垚. 盾构超近距离穿越运营地铁的微扰动施工研究[D].上海：同济大学，2008.
[3]凌立静. 盾构下穿鼓楼大街站安全控制技术研究[D]． 北京：中国矿业大学（北京），2013．
[4]刘招伟，王梦恕，董新平． 地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J]． 岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1297-1301．
[5]李立，徐骞，伍建． 盾构近距离下穿既有车站设计难点及对策
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[6]张继清，索晓明. 大直径盾构侧穿地铁站的变形预测与实测结果分析[J]. 中国工程科学，2010，12（12）：18-22.
[7]黄腾，孙景领，陶建岳，等． 地铁隧道结构沉降监测及分析[J]．
东南大学学报（自然科学版），2006，36（2）：262-266．
收稿日期： 2016-11-30
作者简介： 祝方，男，工程师，主要从事地铁工程技术研究及管理工作。