Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ 工程地质学报 １００４－９６６５／２０１０／１８（５）．０７３６．０６ 交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有 隧道的沉降影响研究木 刘 镇① 房 明① 周翠英① 史海欧② （①中山大学工学院，中山大学岩土工程与信息技术研究中心（②广州市地下铁道设计研究院摘要广州５１０２７５） 广州５１００１０） 沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工，开挖引起的地层沉降很难控制，如何防止大面积 的地层沉降，保证既有建（构）物安全成为施工难题。基于此，本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型，运用三维有限 元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析，研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下，新建隧道盾构正交下 穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明，新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大，上软下硬地层次 之，长距离硬岩段最小，沉降随土层弹性模量的增加而减小；同时，既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大；随隧道间距的增 大而减小，当间距小于２倍衬砌外径时，既有隧道沉降较大，存在损坏的危险。最后，提出了相应的沉降控制对策。 关键词交叉隧道复合地层盾构下穿施工三维有限元沉降 中图分类号：ＴＵ３９１：ＴＵ３９２．５ 文献标识码：Ａ ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ ｏＦ ＭⅨＧＲｏＵＮＤ ＡＮＤ ＳＰＡＣＥ ＡＲｏＵＮＤ ＮＥＷ ＴＵＮＮＥＬ ｏＮ ＥＸＩＳＴＩＮＧ ＴＵＮＮＥＬ ＳＥＴＴＬＥＭＥＮＴ ＤＵＲＩＮＧ ＣＲＯＳＳＩＮＧ ＳＨＩＥＬＤ ＣＯＮ． ＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＬＩＵ Ｚｈｅｎ￣ＦＡＮＧ Ｍｉｎｇ￣ＺＨＯＵ Ｃｕｉｖｉｎｇ￣ＳＨＩ Ｈａｉ０ｕ② （（￣）Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｍｅｒ ｆｏ，Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｕｎ Ｙａｔ—ｓｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２７５） （（￣Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １００１０） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｍａｊｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ａｒｅａ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｒｅｇｉｏｎ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｍｕｈｉ—ｓｔｒａｔａ ｇｒｏｕｎｄ．Ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅ，ａ ｓｉｍｐｌｉｉｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｗｉｔｈ ３Ｄ—ＦＥＭ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｓｔｒａｔａ ｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌａｙ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｗｏ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｕｎｎｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｕｐｐｅｒ－ｓｏｆｔ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ－ｈａｒｄ ｇｒｏｕｎｄ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｌａｃｅ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔｕｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｝收稿日期：２０１０—０３—２９；收到修改稿日期：２０１０—０５—２５． 基金项目：国家自然科学基金重点项目（Ｎｏ．４１０３０７４７）；国家自然科学基金面上项目（Ｎｏ．４０６７２１９４）；国家８６３高技术计划项目 （２００７ＡＡ１１Ｚ１１２）；教育部博士学科点基金项目（Ｎｏ．２００６０５５８０６０，Ｎｏ．２００９０１７１１１００４４）；广东省自然科学基金重点项目（Ｎ０． ０６１０４９３２，Ｎｏ．０１３１８８）；广东省科技计划项目（Ｎｏ．２０１０Ａ０３Ｏ２００００７）；广东省高层次人才计划项目；广州市科技支撑计划项目， 中山大学后备重点课题（Ｎｏ．１ １３２１６９）． 第一作者简介：刘镇，主要从事岩土工程与信息技术的研究工作．ＥＭａｉｌ：ｕｅｉｔ＠ｍａｉｌ．ｓｙｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ １８（５） 刘 镇等：交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究 ７３７ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｏｖｅｄａｙ ｓｏｉｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｎｅｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｗｏ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｎｅｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｇｒｅａｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｈａｓ ｒｉｓｋ ｏｆ ｄａｍａｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｓ，Ｍｉｘ ｇｒｏｕｎｄ，Ｓｈｉｅｌｄ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，３ Ｄ—ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ １ 引 言 新建隧道盾构下穿既有隧道及其相互影响研究 已成为地下工程领域前沿研究课题之一。由于受地 质条件和施工工艺的，盾构下穿施工难免会对 邻近建（构）筑物产生扰动，由此往往引发一系列环 境病害，如造成地表房屋、构筑物的开裂、倒坍以及 既有隧道断裂破损等。因此，如何将盾构施工对环 境的影响减少到最低限度而保证安全穿越，成为交 叉隧道盾构施工的核心问题。 三维有限元方法能够较好地模拟盾尾注浆、隧 道开挖面土体的扰动等隧道掘进过程及其产生的三 维效应，因而被广泛应用于这一课题的研究中。长 期以来，对盾构施工的三维有限元模拟研究多是将 盾构掘进地层概化为均一地层，但是随着隧道之问 的交叉穿越现象日益增多，并且在穿越过程中，往往 会遇到复杂的地层环境，像广州等沿海地区地铁建 设就多在软硬相问、物理力学特性差异大的复合地 层中掘进。在岩土复合地层中进行盾构施工，地表 沉降很难控制，如何防止大面积的地表沉降，保证既 有建（构）筑物安全成为施工难题，而针对复合地层 中的交叉隧道盾构穿越问题的研究相对较少，因此， 开展这一课题的研究尤为迫切。此外，新建隧道盾 构下穿施工对既有隧道沉降的影响不仅与其所穿越 地层有关 Ｊ，还与隧道的覆土厚度和间距等密切 相关 ， 。 本文首先提出了复合地层盾构施工的地质概化 模型，在此基础上，利用三维有限元方法对复合地层 中交叉隧道盾构施工进行了建模分析，研究了新建 隧道分别在近似均一土层、上软下硬地层及长距离 硬岩段三类典型复合地层中盾构下穿施工对既有隧 道沉降的影响。同时，研究了不同的隧道覆土厚度 和问距卞，盾构下穿施工对既有隧道沉降的影响。 最后，制定了相应的沉降控制对策。 ２复合地层盾构施工的地质概化模型 严格意义的各向同性均质地层在自然界是不存 在的，上海、北京和天津等地区地铁施工中所穿越的 地层虽在物质组成、结构和构造等方面存在一定的 差异，但它们的岩土力学性质、工程地质及水文地质 特征就盾构机的选型和盾构施工而言，差别不大，从 而可看作均一土层。广州等沿海地区地铁建设多在 岩土复合地层中进行盾构施工，地表沉降很难控制， 由于工程地质、水文地质等条件的差异，上海等地的 地铁盾构施工技术并不能完全适用于广州等沿海地 区地铁的建设。因此，该地区盾构工程除了具有以 上地区盾构工法所具有的普遍性，又具有特殊性，其 特殊性主要为该地区地层的复合特性所决定，并构 成了该地区盾构工程的基本特点和难点。 广州地铁隧道埋深一般在１０～３０ｍ之间，在该 深度范围内广州地铁隧道工程范围内的岩土均一性 差，物理力学特性差异大，隧道围岩既有十分松软富 水的淤泥质土、中细砂层，又有较坚硬的砂砾岩、花 岗片麻岩、混合岩，以及介于上述两类岩土之间具有 不同风化程度的软塑～硬塑状黏性土层。隧道断面 地层的这种复合特性，其具体表现为：同一里程隧道 横断面表现为上、下软硬不均，在隧道纵剖面上表现 为软硬相间。据此，归纳交叉隧道盾构施工常遇到 的复合地层主要有：（１）近似均一土层，即在开挖断 面范围内和开挖延伸方向上，将若干种岩土工程性 质类似的地层合并为一层，作为均质地层进行研究。 如地铁隧道穿越粉质砂土、粉质黏土等岩土力学、工 程地质和水文地质特性相近的地层组合；（２）上软 下硬地层，其组合方式是比较复杂的，总体上说可分 为三大类，一类是，隧道断面上部是第四系的松软土 层，而下部是坚硬的岩石地层，一类是，上部是软弱 的岩层而下部是硬岩层，另一类是软硬相问岩层； （３）长距离硬岩段，如坚硬的微风化混合岩、辉绿岩 等。 以上三类典型复合地层，在建模过程中可分别 概化为以下地质模型：（１）对于近似均一土层，可将 土性相近的土层用等效土层代替，其力学参数采用 各层力学参数的加权平均值，权重为各土层的厚度； （２）对于上软下硬地层，实际工程的地层通常由多 个分层组成，隧道穿越的地层变化多样，为简化研究 ７３８ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２０１０ 模型并突出复合地层“软硬”分布特点，假设以隧道 模拟。考虑到以上因素影响，下穿前对隧道间地层 轴线为界将地层分为上下两层（图１），通过“上软” 和“下硬”两种不同地层力学参数的变化反映隧道 穿越地层的变化，具体的计算参数见表１；（３）对于 长距离硬岩段，岩层参数可参照工程勘察资料选取， 由于岩层弹性模量较大，变性较小，可近似按弹性体 模拟。以上模型的地下水位，按工程实际的地下水 位设置。 图１ 盾构隧道穿越上软下硬地层模型示意图 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔａ 表１土层和材料参数 Ｔａｂ１ｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｏｉｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３交叉隧道盾构施工三维有限元模拟 基于以上复合地层地质概化模型，结合广州交 叉隧道工程实例，利用三维有限元方法对复合地层 中交叉隧道盾构施工进行了建模分析。 ３．１ 工程概况 广州珠江新城集运系统盾构下穿地铁一号线区 间隧道工程¨ 位于天河南一路附近，新、旧隧道正 交。既有隧道在交叉段为矿山法施工的三心圆形断 面隧道，新建隧道埋深为１７．７ｍ，隧道左、右两线间 隔１３．Ｏｍ。新建隧道与既有隧道之间覆土厚度 ２．２７５ｍ，且主要为可塑性残积土层和硬塑性残积土 层，具体土层参数见表１，两土层的地层性状均为较 软弱地层，遇水极易软化，可看作近似均一土层进行 进行了注浆加固并加强了对既有隧道衬砌位移的监 测。 ３．２三维有限元模拟 ３．２．１有限元模型 采用三维有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ对新建隧道 盾构下穿施工进行三维有限元模拟（图２）。模型沿 新建隧道纵向长１３０ｍ，宽１２０ｍ，高３５ｍ，共７８１０个 节点，４７４０２个单元。边界条件：模型两侧边界 水平方向位移；底部竖直方向位移；地表为自 由水平面。 图２交叉隧道计算模型 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｓ ３．２．２材料参数 地基按照近似均一土层模型模拟，采用莫尔．库 仑模型，土层参数见表１。盾构外壳为钢板材料、管 片为混凝土材料，均采用弹性模型，管片力学参数按 《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０－２００２） １５］选取， 并乘以刚度折减系数０．８ｌ１６］，折减后的管片材料参 数见表１。 ３．２．３模拟方法 对于新建隧道盾构施工过程的动态模拟，用改 变单元材料的方法来反映盾构的向前推进。为计算 简便，可假定盾构机每步推进３ｍ（２倍管片宽度）。 盾构掘进三维模型还模拟了：①采用在盾构 作业开挖面上施加大小不等的表面压力来模拟刀盘 对土体的压力；②采用注浆材料的变刚度等效法 来模拟注浆材料的硬化，同时采用等效的均布注浆 压力来模拟盾尾同步注浆；③采用均布力模拟作 用于隧道管片上的千斤顶推力；④采用地层应力 释放来模拟盾尾脱环在管片衬砌上产生的变形和内 力；⑤采用在盾壳外表面上施加表面压力来模拟 １８（５） 刘镇等：交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究 ７３９ 由于刀盘超挖或盾尾建筑空隙等引起的地层损失而 在土体中产生的附加力（图３）。 图３ 模拟盾构推进示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ３．３模型验证 图４为新建隧道盾构下穿施工后既有隧道下行 线的沉降曲线，可以看出：新建隧道盾构下穿引起的 既有隧道沉降计算值与实测值具有较好的一致性， 最大沉降实测值为８．６８ｍｍ，计算值为９．４１ｍｍ，相 对误差为８．４１％，从而验证了复合地层盾构施工的 地质概化模型的有效性。沉降曲线符合正态分布且 具有“双峰”特征，即衬砌最大下沉发生位置不在对 称面处。这是由于当既有隧道与新建隧道间距 （２．２７５ｍ）小于两新建隧道中心间的水平距离 （１３ｍ）时，新建隧道左、右线施工产生的影响相互叠 加所致。 距既有隧道对称面距离／ｎｌ Ｉｌ 一 一 ＼＼ 一。 ， ０５ ．图４既有隧道沉降曲线 Ｆｉｇ．４ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ４新建隧道盾构下穿施工对既有隧道 的沉降影响分析 结合不同的施工工况，即在不同的复合地层类 型及不同的隧道覆土厚度与间距下，利用三维有限 元法分析盾构下穿施工对既有隧道沉降的影响规 律。 ４．１ 不同类型复合地层的影响 为了分析不同的复合地层中，新建隧道盾构下 穿施工对既有隧道沉降的影响，分别对近似均一土 层（工程实例）、上软下硬地层和长距离硬岩段三类 地质概化模型进行计算，土性参数见表１。计算结 果表明，盾构穿越近似均一土层引起的既有隧道沉 降最大，上软下硬地层次之，长距离硬岩段最小。这 是因为既有隧道沉降随岩土体强度的增加而逐渐减 小，其中，在岩土强度差异大的上软下硬地层中掘 进，由于下部硬岩层切削困难，推进速度缓慢，极易 引起上部软岩（土）超挖，导致掘进面上方既有隧道 沉降。而在硬岩段地层推进时，新建隧道管片脱出 盾尾后悬浮现象明显，此时既有隧道沉降很小，甚至 会发生上浮（图５）。 与两隧道中心线的水平距离／ｉｎ 、 、 。／ ． ＋上软下硬地 图５ 既有隧道沉降与土性参数的关系 Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ４．２隧道覆土厚度的影响 新、旧隧道的相对位置不变，分别取隧道覆土厚 度为１０ｍ、１２．３ｍ（工程实例）、１５ｍ和２０ｍ进行计 算，从而分析隧道覆土厚度的对既有隧道沉降的影 响规律。 图６为不同隧道覆土厚度与既有隧道沉降的关 系，在一定深度范围内，既有隧道衬砌的沉降随隧道 覆土厚度的增加而增加，这主要是因为埋深越深，土 层初始应力越大，在盾构施工荷载作用下，导致土体 位移增大，进而对埋置其中的既有隧道的影响也随 之增大。因而，既有隧道沉降随着隧道覆土厚度的 增大而增大。 ４．３隧道间距的影响 为了分析隧道间距对既有隧道的影响，令隧道 与两隧道中心线的水平距离／ｍ 图６既有隧道沉降与隧道覆土厚度的关系 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｏｖｅｒｌａｙ ｓｏｉｌ 覆土厚度为１２．３ｍ不变，分别取交叉隧道问距为 ０．３６Ｄ（工程实例）、０．５ Ｄ、１．０Ｄ、１．５Ｄ和２Ｄ进行计 算。图７为不同隧道间距与既有隧道沉降的关系， 可知随着隧道间距的增大，既有隧道沉降峰值减小。 与两隧道中心线的水平距离／ｍ ～ 图７既有隧道沉降与隧道间距的关系 Ｆｉｇ．７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｌｌｅ ｎｅｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｗｏ ｔｕｎｎｅｌｓ 当隧道间距为２Ｄ时，盾构施工的影响较大，日 本的《既有铁路隧道近接施工指南》（１９９７）建议将 小于２Ｄ的区域作为盾构下穿范围，故在２Ｄ范 围内盾构施工应采取必要的加固措施。如图７所 示，虽然盾构上方０．５—２Ｄ内盾构施工扰动的变化 规律相同，但０．５一ｌＤ内沉降变化量明显大于１Ｄ～ ２Ｄ部分，可将０．５—１Ｄ作为盾构近距离施工区域； 当隧道间距小于０．５Ｄ时，预计对隧道结构有重大 影响，故将小于０．５Ｄ作为超近距离施工区域 。 ５沉降控制对策 根据在不同类型的复合地层中盾构下穿施工引 起的既有隧道沉降特点，分别制定了以下沉降控制 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２０１０ 措施。 （１）近似均一土层 采取盾构微扰动掘进控制，即以“慢慢地推，分 小段推；慢慢地转，均匀地转；顶住正面，调整压 力；封住盾尾，合理注浆”＿４ 的技术内涵为基础，通 过不断调整优化盾构土压力、推进速度、盾构姿态、 同步注浆等盾构参数，减少对地层的扰动，从而确保 既有隧道的安全。 （２）上软下硬地层 采用土压平衡模式掘进，严格控制出土量；合 理利用超挖刀和铰接千斤顶调整盾构姿态；对刀具 的磨损应有一个正确的估计，提前对地层进行加固， 保证刀具更换顺利；适当降低盾构的推进速度和推 力，严格控制刀具的切人量。 （３）长距离硬岩段 采用敞开式或半气压式掘进，主要掘进参数的 设定遵循“高转速、小扭矩，大推力”的原则。同时， 尽量采取措施减少管片上浮，如加大同步注浆量、改 善浆液终结时间及进行二次注浆，从而及时固定管 片的位置，也可调整盾构姿态偏下２～３ｃｍ，以预留 管片上浮量。 ６结论 本文基于复合地层盾构施工的地质概化模型， 利用三维有限元方法，研究了不同类型的复合地层 及不同隧道覆土厚度及问距下，新建隧道盾构正交 下穿施工对既有隧道沉降的影响。得到以下结论： （１）交叉隧道盾构施工常遇到的复合地层可简 化为三类地质概化模型：近似均一土层、上软下硬地 层和长距离硬岩段。 （２）新建隧道盾构下穿施工引起的既有隧道沉 降随着岩土体强度的增大而逐渐减小，在近似均一 土层中最大，上软下硬地层次之，长距离硬岩段中最 小。 （３）新建隧道盾构正交下穿施工引起的既有隧 道沉降，随着隧道覆土厚度的增大而增大；随着隧 道间距的增大而减小，当隧道间距小于２Ｄ（Ｄ为衬 砌外径）时既有隧道沉降较大，应采取必要的加固 措施。其中，０．５Ｄ～１Ｄ范围内为盾构近距离施工 区域，小于０．５Ｄ为超近距离施工区域。 （４）根据不同类型的复合地层盾构下穿施工引 起的既有隧道沉降特点，分别制定了沉降控制措施。 １８（５） 刘 镇等：交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究 Ｔｕｎｎｅｌ Ｕｎｄｅｒｇｒ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏ１．２００８，２３，３９９－４２０． ７４１ 参考文献 ［１０］Ｌｉａｏ Ｓ Ｍ，ＬＩＵ Ｊ Ｈ，Ｗａｎｇ Ｒ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｎｄａ ｅｎｖｉ— ｅｒｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，２４，４５４～４６５． 日本地盘工学会．盾构法的调查・设计・施工［Ｍ］．北京：中 国建筑工业出版社，２００８． Ｓｉｔｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ‘Ｄｅｓｉｇｎ’Ｃｏｎｓｔｒｕｅ— ［１１］Ｈ＿Ｓ．Ｓｈｉｎ，Ｃ．Ｙ．Ｋｉｍ， Ｙ．Ｋｉｍ，ｅｔａ１．，Ａ ｎｅｗ ｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｍｏ・ ｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ａｄｊａｅｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｕｒｂａｎ ａｒｅａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ，２００８． ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２１， ４６１—４６２． ［２］ Ｃｈｕｎｇｓｉｋ Ｙｏｏ，Ｄｏｎｇｙｅｏｂ Ｌｅｅ．Ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ・ｉｎｄｕｃｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ［Ｊ］． ［１２］Ｈ．Ｙ．“ｕ，Ｊ’Ｃ．Ｓｍａｌｌ，Ｊ．Ｐ．Ｃａｒｔｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅｓ，２００８，３５，２３１～２５２． ［３］ Ｅｒｉｃ Ｌ．，Ｂａｒｒｙ Ｎ．．Ｌｅｏｎａｒｄｉ．Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ｓｏｆｔ Ｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｎａｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００７，（２２）：１１９～１４９． ［４］ Ｌｉａｏ Ｓ Ｍ，Ｇａｏ Ｌ Ｑ，Ｚｈｕ Ｈ Ｈ．Ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｓｍａｌｌ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｄｉｒｖｉｎｇ［ｃ］．Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ—Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＧｅｏＳｈａｎｇｈａｉ Ｃｏｎｆｅｅｒｎｃｅ．［曼１．］： ＡＳＣＥ，２０ｏ６，６２～６９． ［５］ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｊ，Ｆｉｎｎｏ，Ｆｒａｎｋ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，１３１（１Ｏ）：１１９９～１２１０． ［６］ Ｊｅｎｅｋ Ｏ，Ｄｉａｓ Ｄ．３Ｄ－ｉｆｎｉｔｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｌｌｏｗ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｅｈ— ｎｉｑｕｅ，２００４，５４（８）：５１９～５２８． ［７］ Ｙｕｃｈａｏ Ｚｈｅｎｇ，Ｗｅｎｇｅ Ｑｉｕ．３－Ｄ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｌｏｓｅｌｙ ｓｐａｃｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｗｉｎ ｔｕｎｎｅｌ［ｃ］．ＩＴＡ２００５ＷＴＣ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｂａｌｋａｍａ Ｐｒｅｓｓ．２００５． ［８］ Ｆ．Ｈａｇｅ Ｃｈｅｈａｄｅ，Ｉ．Ｓｈａｈｒｏｕｒ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｅ— ｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｉｎ—ｔｕｎｎｅｌｓ：Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，（２３）：２１０～２１４． ［９］ Ｌｉｕ ＨＹ，Ｓｍａｌｌ Ｊ Ｃ，Ｃａｒｔｅｒ Ｊ Ｐ．Ｆｕｌｌ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｏｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｔｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｙｄｎｅｙ ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］． ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅｓ，２００９，３６，８８０～８９４． ［１３］ 中铁隧道集团有限公司广州市珠江新城核心区市政交通项 目旅客自动输送系统土建２标项目部，广州市珠江新城核心 区市政交通项目旅客自动输送系统土建二标（ＪＪＪＺＯ０２）：市天 区间盾构通过运营中地铁一号线施工方案［Ｍ］，２００７． Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｇｒｏｕｐ，Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ￣ｈｅｍｅ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎ— ｎｅｌｉｎｇ Ｇｕａｎ￣ｈｏｕ ｍｅｌｒｏ Ｎｏ．１ ｌｉｎｅ ｉｎ Ｓｈｉｍｉｎｇｕａｎｇｅｈａｎｇ—Ｔｉａｎ・ ｈｅｎａｎｙｉｌｕ（ＪＪＪＺ００２），２００７． ［１４］Ｌｅｅ Ｋ Ｍ，Ｒｏｗｅ Ｒ Ｋ．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｈｔｅ ｈｔｒｅｅ—ｄｉ— ｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｎｄｅｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ｓｏｆｔ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｓｏｉｌｓ．Ｐａｒｔ—ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅｓ， １９９０，１０，８７～１０９． ［１５］ 中华人民共和国国家标准．ＧＢ５００１０－２００２混凝土结构设计 规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００２． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｏｐｌｅ’ｓ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．ＧＢ ＧＢ５０ｏ１Ｏ＿２０ｏ２ Ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ．２００２． ［１６］严长征．盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研究 ［Ｄ］．上海：同济大学，２００７． Ｙａｎ Ｃｈａｎｇｚｈｅｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｄｉａｅｅｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｂｙ Ｓｈｉｅｌｄ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７．
