随着城市规模不断扩大,城市轨道交通快速发展,在密集的地铁网络建设中不可避免的存在新建盾构穿越既有隧道施工的巨大风险｡而盾构法因其对周围环境影响小､机械化程度高等优势被广泛使用^[1]｡盾构法在城市施工的工程情况极为复杂,许多学者对不同的穿越情况以及不同的影响因素进行了研究｡

刘辉等 ^[2]提出了上软下硬浅覆土条件下土压平衡盾构下穿密集建筑群的施工技术;许维青等 ^[3]通过对盾构下穿时的沉降变形进行模拟分析,在盾构穿越过程中,以全程自动化监测为导向实时进行地面跟踪补充注浆成功地将机场快轨路基最大沉降值控制在 0.68 mm以内;魏纲 ^[4]等研究了新建隧道下穿既有隧道时产生的响应,提出一种能准确预测既有隧道位移的计算方法;甘晓露 ^[5]等基于两阶段分析法提出考虑新建盾构隧道上浮影响的隧道下穿引发既有隧道纵向变形计算模型,并发现控制新建隧道上浮量或减小新建隧道直径可有效减小由于上浮效应造成的既有隧道隆起变形;刘新军 ^[6]等研究了盾构隧道下穿时土舱压力和注浆压力对既有隧道位移的影响,并发现土舱压力在 0.19 MPa以内变动时对隧道控制效果最显著,且在实际施工过程中,注浆压力不宜过大,以防水泥浆液劈裂土体造成土体破坏;杨芝璐等 ^[7]采用数值模拟与现场实测相结合的方法研究了超大直径隧道不同角度下穿既有隧道对其变形的影响,并发现了叠交角度是影响既有隧道变形的重要因素,角度越小,既有隧道变形越大｡在上述研究中,大多针对隧道上穿既有隧道进行了研究,而实际工程中,往往还有并行､交叠､上穿等情况｡

为了应对不同的工程情况,Ng等^[8]建立了一系列 3D有限元模型来模拟硬黏土中双线平行 NATM隧道的相互影响,并发现了双隧道掌子面的滞后距离对单个隧道水平位移的影响大于对隧道竖向位移的影响,而滞后隧道对超前隧道有荷载传递效应;骆瑞萍等 ^[9]研究了淤泥层中盾构上穿近接既有地铁线路的影响规律及控制效果,结合数值模拟和自动化监测数据结果,分析了淤泥地层中盾构上穿近接既有地铁线施工稳定性控制效果,并给出了盾构掘进参数的建议值;张孟喜等 ^[10]针对全风化花岗岩地层致密､渗透系数小及双层四线叠交穿越复杂地层等特点,通过现场监测与三维动态有限元数值模拟手段,研究了了实际工程中注浆压力合理取值与既有隧道变形控制｡

在研究盾构隧道时,施工参数的选取尤为重要,因此,许多学者在各种工程条件下研究了不同参数对盾构穿越的影响｡周群等 ^[11]研究了超大直径盾构下穿运营隧道的变形特征和规律,发现了运营地铁隧道的沉降变形主要集中于 3倍投影区域范围内,盾构穿越施工扰动与掘进速度､同步注浆量､拼装时间等参数有关;宋洋等 ^[12]采用控制变量法,利用自制的模拟泥水盾构掘进系统,比选泥浆外加剂,分析了外加剂掺入量和地层复合比对出浆相对密度的影响规律以及不同地层复合比､膨水比和渣土用量下,泥浆的渗透规律及动､静态泥膜成膜规律;徐征杰等 ^[13]以渣土塌落度､渗透系数和改良成本为响应值,研究了膨润土泥浆浓度､掺入比和盾构推进速度对渣土的改良效果,且发现了各因素之间存在显著交互作用｡

从以上的研究中可以发现,针对盾构超近距离上穿诱发既有隧道变形情况的分析研究较为匮乏｡基于此,本文依托于宁波轨道交通 5号线上穿运营的宁波轨道交通 2号线区间隧道,建立 Flac^3D模型,对盾构掘进过程中既有隧道的变形规律进行研究,并对不同的盾构推进速度进行了模拟,探究其对隧道变形的影响,为工程实践提供参考｡

宁波轨道交通 5号线同德路站—石碶站区间采用单圆盾构法施工,在鄞县大道与雅戈尔大道交叉口上穿运营的宁波轨道交通 2号线鄞州大道站 ­石碶站区间隧道,呈约 76°角斜交状态｡其中,盾构隧道外径为 6200 mm,管片宽度为 1200 mm,管片厚度为 350 mm｡盾构区间上行线､下行线隧道中心线间距为 16 m｡

沿掘进方向按提前 50 m为影响范围去考虑 ^[14],5号线上行线约 904~985环为穿越影响区,此处隧道顶覆土埋深约 10.7 m,穿越时 5号线隧道底部距离 2号线下行线隧道顶部 1.239 m,距离 2号线上行线隧道顶部 1.167 m｡5号线下行线约 917~995环为穿越影响区,穿越时 5号线隧道底部距离 2号线下行线隧道顶部 1.233 m,距离 2号线上行线隧道顶部 1.170 m｡对应 2号线的影响范围是上行线 743~ 818环,下行线 747~822环｡本工程的穿越净距远小于盾构机直径,属于超近距离｡上穿区域平面示意图如图1所示｡穿越区间的土层及物理力学指标如表1所示｡本区间盾构穿越土层主要为 5-1a粘土,勘察期间测得的地下水稳定水位埋深为0.3~2.9 m｡

图1 隧道上穿区域平面示意图
Fig.1 Plan view of the tunnel passing through the existingtunnel from above area

表1 土层及物理力学指标
Table 1 Physical and mechanical properties of soil

考虑到穿越地铁2号线的重要性,盾构到达穿越区域段逐渐降低推进速度,由常规推进速度的 12环/d,调整到试验段推进10环/d,穿越段推进8环/d｡

根据5号线与2号线的相对位置关系,5号线上跨2号线施工时,2号线本体监测采用全自动化监测及人工监测,监测范围是 5号线同德路站 -石碶站在 2号线石碶站—鄞州大道站区间上的投影并向两侧各延伸 50 m监测范围(共 122 m)｡盾构开挖之前,将 5号线盾构隧道在 2号线投影并向两侧各外延 6.2 m的区域作为重点区域,每 2环布设了 1个监测断面,其它区域 5环布设了 1个监测断面,每个监测断面都包含了结构沉降监测点和水平位移监测点｡

本文利用Flac3D 软件建立了宁波轨道交通5号线上穿既有运营隧道2号线的三维数值模型,在实测数据的基础上,对盾构掘进过程中的2号线主体结构变形情况进行了分析研究,并对不同推进速度下隧道开挖诱发的隧道主体结构的竖向沉降以及水平位移进行了对比分析,主要结论如下:

(1)在隧道超近距离上穿既有隧道时,将诱发双线隧道上行线和下行线相似的竖向沉降以及不同的水平变形规律,且水平变形数值沿盾构掘进方向有所增大｡

(2)当隧道开挖时,在掌子面还未达到既有隧道范围､位于既有隧道中心附近､超出既有隧道范围的过程中,由于开挖扰动,既有隧道的纵向沉降与水平位移均出现明显的上升与回落现象｡

(3)通过对不同推进速度下隧道开挖诱发的隧道主体结构的竖向沉降以及水平位移的综合分析可知,在保障隧道施工过程稳定性的前提下,考虑工程特点与施工效率,得出试验段推进12环/d,穿越段推进10环/d为最佳推进速度｡