盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟
既有地铁隧道受下穿施工影响
既有地铁隧道受下穿施工的影响研究摘要：随着城市轨道交通的大规模建设，地铁隧道被新建地铁线路或类似地下结构的下穿施工工程案例与日俱增，如何合理地分析下穿施工对地铁隧道的影响程度，采取针对性的工程措施将下穿影响控制在安全范围内，是目前下穿既有地铁隧道工程领域面临的主要技术瓶颈。
在本文中，分析了隧道埋深、下穿影响范围和下穿影响程度等因素对既有盾构法隧道、复合式支护隧道及明挖明挖现浇箱型结构的影响。
关键词：下穿施工；既有隧道中图分类号：u455文献标识码： a 文章编号：abstract：with the large-scale construction of city track traffic, the engineering cases that subway tunnel under construction by the new subway lines or similar underground structure are growing with each passing day, how to effectively analyse the influence degree of under construction to metro tunnel, to take targeted measures to control the influence of under construction in a safe range, is the main technical bottleneck of the current undercrossing existing subway tunnel engineering. this artcle analysises the influence of the buried depth of tunnel, crossing under the influence scope and the reduction degree of influence factors to shield tunnel, composite supporting tunnel and theexcavation and cast-in-place box type structure.keywords：subway protection；the existing subway tunnel 前言如果说二十世纪是地上工程蓬勃发展的世纪，那么二十一世纪必将是地下工程的世纪。
地铁盾构隧道下穿高速铁路高架桥影响分析
地铁盾构隧道下穿高速铁路高架桥影响分析摘要：结合地铁工程实例，借助Midas GTS-NX有限元软件分别对地铁隧道盾构下穿铁路高架桥进行三维数值仿真，并通过现场监测数据对数值模拟结果进行对比验证，证明数值模拟分析方法真实可靠，对类似工程具有一定借鉴意义。
关键词：盾构隧道下穿高速铁路高架桥影响分析中图分类号文献标识码文章编号1 引言在盾构隧道下穿高架桥过程中，会对地层产生作用，造成内力发生改变，严重情况下极易造成桩端承载力丧失，对桥梁上部结构造成重大安全隐患。
因此，对于类似盾构隧道下穿高架桥等特殊工况，需进行专项安全性分析研究。
本文借助Midas GTS-NX有限元软件不同工况下地铁隧道盾构下穿高速铁路高架桥进行三维数值仿真，并通过现场监测对数值模拟结果进行对比验证。
2工程概况地铁17号线北神树站～朝阳港站盾构区间为单洞单线圆形隧道，外径6.4m，管片厚度0.3m，属浅埋隧道。
根据区间施工单位的工程筹划，施工拟投入两台盾构，分别先后完成左线区间和右线区间掘进，掘进方向为北神树站到朝阳港站方向，掘进速度约为每天8~10环。
3 数值计算由于土体力学的复杂性以及施工对周边环境影响的多面性，采用常规手段难以合理的把握区间施工期间对既有高速铁路的影响。
本文采用MIDAS GTSNX软件针对盾构区间下穿京津城际铁路高架桥桩基进行三维数值计算。
3.1计算模型盾构区间单洞洞宽为6.4m，线间距为13m，施工投入两台盾构，先后完成左线区间和右线区间掘进，区间结构距离左右桩基最小距离分别18.1m、18.5m，区间拱顶覆土约8.0m。
在满足精度的前提下对模型进行简化，模拟盾构推进过程，计算模型见下图1。
图1数值模型3.2参数及边界条件土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型。
盾构管片、盾壳采用板单元，弹性模型；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，等代层采用弹性模型；承台采用实体单元，弹性模型；桥梁等效为荷载作用于承台；桥桩采用嵌入式桁架单元模拟；洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土体参数、修正摩尔-库伦模型模拟。
盾构下穿道路和铁路的数值模拟对比分析
密度 Ｐ
ｇｃ ／ｍ
２．０ ０
弹性模 量
Ｍห้องสมุดไป่ตู้ ａ
１３ ． ０×１２ ０
泊松 比 内摩擦角
（） 。
０３ ．０
粘聚力 ｃ
ｋａ Ｐ
Ａ Ｓ ＳＦＡ ，Ｏ Ｓ Ｌ Ｎ Ｙ ，Ｌ Ｃ Ｃ Ｍ Ｏ 等等 ， 中 ，Ｂ Ｑ Ｓ 其 Ａ Ａ Ｕ 以其强大的非线性处
理 能力 和 自动调节 收敛 限度 的功 能 ， 基坑 开挖 、 在 隧道 施 工等 问
第３ ７卷 第 ２ ４期 ２０ １ １年 ８ 月
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣ Ｔ Ｃ ＲＥ ＨＩ Ｅ ＴＵ
山 西 建 筑
Ｖ Ｉ３ ． ４ ｏ ＿ ７ Ｎｏ ２
Ａｕ ． ２ １ ｇ ０ １
・１ ３ ・ ６
文章编号 ：０ ９ ６ ２ （ ０ ） ４０ ６ — ２ １０ —８ ５ ２ １ ２ － １３ ０ １
题 的模拟 中得到广泛应用 Ｊ但 是用 数值 模拟 的方 法对盾 构 下 ， 穿铁路 时造 成的铁路地基沉降规律 研究还 不是很多 ， 也鲜 有文 章 对盾构穿越 不同环境进行数值模拟 的详细分析 对 比 ， 因此有必 要对此领域开展研究 ， 以探求盾构 在穿越道 路 以及铁 路 的地 表变
盾构下穿道路和铁路 的数值模拟对 比分析
王 国 栋
摘 要： 以天津市津滨轻轨 西段地 下线 工程为 背景 ， 对盾构 穿越道路 和铁路 施 工 中引起 的地 表沉 降进行 了二 维数值 模 拟， 将数值模拟 结果与监测数据作 了对 比研 究， 阐述 了盾构过道路 和铁路 时 引起周 围环境 变化 的异 同点， 出 了控制 地 提
为静荷 载 计 算 ， 虑 到 铁 路 股 道 间 距 ， 化 为 二 维 问 题 为 考 转
明挖地铁车站基坑与既有盾构隧道复合变形的有限元数值模拟
作 者简 介 ： 卫 平 （ ９５一） 男 ， 徽 宿 松 人 ， 南 省 信 阳水 利 技 丁 学 校 讲 师 ， 要 从 事 岩 土 工 程 方 面 的 研 究 曹 １７ ， 安 河 主
维普资讯
铁 车站深 基 坑施 工前 ， 进行 预先 仿真模 拟 ， 不仅 能够
果 的对 比和 分 析 ， 示 了在 不 同施 工 状 态 下 ， 坑 周 围 土 体 、 护 结 构 及 既 有 盾 构 隧 道 之 间 相 互 作 用 的 过 程 揭 基 支
和机理 ， 以及 由此 引起 的围 岩 变 形 的 分 布 与变 化 规 律 ．
关 键 词 ： 构施工 ； 盾 隧道 围岩 变 形 ； 维 有 限元 ； 视化 数值 模 拟 三 可 中 图分 类 号 ： ４ ５ ４ Ｕ ４ ．３ 文 献 标 识 码 ： Ａ
盾构 施工 的最大优 点是尽 可 能在不 扰动 围岩 的 前提 下完 成施工 ， 大 限度 地 减 少对 地 面 建筑 物 及 最 地基 内埋设 物 的影响 ． 了实 现施工 ， 了刀盘 和盾 为 除 构钢 壳可 以被动 地产 生支 护作 用 外 ， 力舱 内泥 土 压 或泥 水压 力 可 平 衡 开挖 面上 的 作用 土 压力 和 水 压
文章 编 号 ：０ ２—５ ３ ２ ０ ） ２—０ ７ １０ ６ ４（ ０ ７ ０ ０ ６—０ ４
明挖 地 铁 车 站基 坑 与既 有盾 构 隧道 复 合变 形 的有 限元数 值 模 拟
曹＿ － ｖ ｆ ，张 天航 涵 ， 陈玲 霞 ＿－ ，陈
（ ． 南 省 信 阳水 利 技 工学 校 ， 南 信 阳 ４ ４ ３ ； ． 州 大 学 ， 南 郑 州 ４ ０ ０ １河 河 ６０ １ ２ 郑 河 ５０２ ３ ．郑 州 污水 净 化有 限 公 司 ， 南 郑州 ４ ０ ０ ） 河 ５０ ２
基于Plaxis的盾构隧道侧穿建筑物桩基的数值研究
基于Plaxis的盾构隧道侧穿建筑物桩基的数值研究摘要：某区间侧穿一高层建筑物的裙楼，距楼桩基最小净距不足2m，盾构法隧道施工存在较大风险。
利用有限元软件PLAXIS-GiD对比分析了加固前后盾构隧道对裙楼桩基变形的影响。
分析表明，加固后盾构隧道对于桩基稳定更为有利，最大沉降减小幅度为29.76%，最大垂向倾斜度减小幅度为34.09%，最大水平倾斜度减小幅度为29.35%。
研究成果不但对工程施工有重要的指导意义，而且丰富了盾构隧道侧穿既有建构筑物的研究。
关键词：轨道交通；盾构隧道；桩基；数值模拟引言随着我国城市化进程的加快和城市建设的蓬勃发展，以地铁为代表的轨道交通越来越受到人们的重视。
盾构法以其独有的特点被广泛应用于地下铁道以及越江隧道的施工建设。
然而，城市高楼密集地下构筑物分布复杂，人们尤其关心地铁隧道施工对城市已有构筑物的影响。
准确预测及现场的量测由于施工引起的地层变形及其影响范围对施工安全和设计都是十分重要的[1-3]。
图1 区间与建筑物平面关系图现有研究大多数集中于盾构施工对周边地表建筑物的影响，主要采用了有限元数值模拟方法进行研究[4]。
对于盾构隧道施工对地下桩基影响的研究却鲜有报道。
本文利用PLAXIS数值模拟软件对某盾构区间隧道侧穿一高层裙楼进行了研究，对比分析了裙楼桩基加固与否的变形与位移开展情况。
研究成果对于指导施工具有重要的实际意义。
1 工程概况某区间隧道盾构施工侧穿一高层楼房的裙楼。
楼房为框架结构，靠北侧为裙楼地上3层。
裙楼桩基为人工挖孔桩，直径1.2m，长度约20~22m。
区间隧道走向与该裙楼桩基布置基本平行，区间隧道整体位于裙楼北侧，侧穿长度约70m。
与区间隧道距离较近近的裙楼桩基有9根，其最小净距不足2m，采用盾构法施工风险较大。
因此必须分析区间隧道施工对裙楼的影响并提出相应保护措施、施工方案及应急预案，以确保盾构施工过程中区间隧道和上部建筑物的安全。
本段区间地面较平坦，为湘江Ⅲ级冲积阶地。
新建地铁隧道下穿既有隧道的结构影响分析
２ 数 值建模
建模过程 中， 凝土管 片采 用壳体单 元 ， 混 土体 维实体 单元模 拟 ， 材料参数见表 １ 。模型上边界为地面 ， 、 、 左 右 下边 界满 足与隧道净距均 大于 ３ Ｄ要求 ， 综合考 虑后其长 宽高分 别 为 ９ ６ ５ ０ｍ ｘ ０ｍ× ０ｍ。该处地层 分别为 素填土 、 卵石土 、
【 关键词 】 地铁隧道； 下穿 ； 数值模拟
【 中图分类号】 Ｕ５．９ ４５４ １ 工程概况
某新建 地铁 ４号 线左线 以斜交方 式从 地铁 ２ 线 下方 通 过 ， 者 之 间 的 平 面 关 系 见 图 １４号 线 右 线 在 ＿穿 ２ 号线 两 ， Ｆ 时， ４号线 隧顶与 ２号线隧底之 间净距为 ３ ｍ， ４号线左线 以 １ 。 ９３ 的角 度上穿 ２号线左右线 。４号 线隧道掘 进时会对 交 叉隧道产生 不利 影 响， 必要 对下 穿过 程进 行施 工 过程模 有 拟， 以保证隧道结构安全。
写 卞 巴 地 １醺 ］ 幕
新 建地 铁 隧道 下 穿既 有 隧 道 的 结构 影 响分 析
刘 斌
（ 中铁 十七局 集 团第六『 程有 限公 司 ， ［ 福建 福州 ３ ０ １ ） ５０４
【 摘 要】 新建地铁隧道下穿既有运营地铁隧道会对隧道结构内力产生影响， 通过对隧道开挖过程进
行模拟 ， 到 ２者之 间的影响 范围和 内力分布规律 ， 得 可以为隧道的施工和设计提供 有益参考 。
３３ ． ４号线下穿对 ２号线隧道的影响
影 响表现地表隆起现象 ， 大隆起值 为 ４ｍ 其最 ｍ；
（） ２ 在开挖过程 中 ， ４号线管 片和 ２号线 管 片所承受 的
内力均可满足其设计 要求 ； 在下 穿施 工通过 ２号线 时 ， 建议
武汉盾构施工对地表及建筑物影响数值模拟预测研究
64工业安全与环保I ndus t r i al Saf et y a nd Envi r onm e nt alPr o t ect i on2013年第39卷第7期Jul y 2013武汉盾构施工对地表及建筑物影响数值模拟预测研究*薛志佳1，3赵云胜2何华刚2(1．大连理工大学土木工程学院岩土工程研究所辽宁大连116024；2．中国地质大学工程学院安全工程系武汉430074；3．中国地质大学工程学院勘查技术与工程系武汉430074)摘要为了探究武汉4号线拟建地铁工程盾构施工对地表及周围建筑物沉降的安全性影响，选取某工程地质剖面研究对地表沉降的影响，并特选取该地铁盾构工程埋深较浅处的邻近建筑物进行研究。
采用三维数值模拟软件进行实体化建模。
并根据相关规范编制安全性判读软件，将所得结果导入后得出结论：盾构施工对建筑物的影响在规范允许范围内。
关键词地铁盾构施工数值模拟安全性T he N um er i calS i m ul a t i on Pr e di ct i on f or t he I m pact of Wuha n Shi e l d C ons t r uct i onont he Sur f ac e and Bl l i ldi 雌X U E Zl fij ial3Z H A O Y um hen92H E H ung an92(1．1nst ／t ut eof ＆吣d 删Engineer ing ，&hoolofC i dlEngi nee ri ng ，D a l i an U nit 圯r s it yof T 翻m ol ogyDal i an ，丽吼刺116024)A bst r actI n or de r t o expl or e t he secu r i t y i m p l i c at i on s of t he pr opos e d s ub w aypm j ectshi e l d con st r uct i o n of W uhan L i ne 4o nt he del x 培i t i on st af ac e a ndt he 鲫删D u 砌I 唱bui ldi ngs ，anengi nee r i nggeol ogi c al pr ofi l e is sel ect ed t o st udy it s i m pacto nsur f ace st t h ei donce a nd al so speci al l y t he 删,undm g bI I dd 吨d t he s hanow pl ac e f ort he m e t r o shi e l d cons t r uct i on i s s de ct edf or r es ea rc h ．The t hr ee —di m ensi onal num er i c alsi m ul a t i on sof t w a r e is used f or phy si c al m odel i Il g ．The saf et y i nt er pr e t at i onsof t w a r e is c om pi l ed bas edO nr el ev ant r eg ul at i o ns a nd t he r es u l t s s how t hat t he i m pact sof shi e l d co nst r u ct i onar ei n t he al-l ow a bl e r a nge of speci 矗cat i on s ．K eyW or ds m et r oshi el d co nst r u ct i on num er i c al si m ul at i onsaf et y0引言虽然盾构法依据其安全性好、机械化程度高成为地铁施工的主要方法，但是地铁盾构施工不可避免地会对周围土体产生不同程度的扰动，导致地层损失和地应力的重新分布，引起地表沉降，进而会促使建筑物发生沉降。
盾构隧道近距离下穿暗挖隧道施工研究
由于暗挖隧道工期滞后，经专家评定，决定在暗 挖隧道只完成初期支护和仰拱，而未完成二衬的情况 下左线盾构于 ZDK9+931先行下穿。此计划技术难度 大、工序复杂，施工过程中的措施需要严格控制。图 1 为盾构与出入场线暗挖隧道平面关系图，并于 5-5截 面下穿隧道。图 2为崔万区间盾构与出入场线暗挖隧 道的三维关系示意图。
图 1 盾构与出入场线平面关系示意图
! " # $ 侯建林（1971-），男，高级工程师，本科。研究方向：地铁隧 道施工研究。
图 2 盾构与出入场线三维关系示意图
%%%
盾构隧道与暗挖隧道处于复合地层中，根据现场
钻探、原位测试成果的综合分析，拟建场地勘测深度
范围的土层岩性主要分为四层,自上而下分别为杂填
近年来，随着大中型城市地铁建设项目不断增 多，地铁隧道施工中也出现了各种复杂的施工条件， 尤其是盾构隧道下穿既有建筑或既有隧道的情况屡
. A见l不l 鲜R。i新gh建t隧s 道R对es既e有rv隧e道d.的影响主要是通过扰动
周围的土体，使周围的土体应力应变发生新的变化， 从而影响既有隧道的应力应变状态。目前，相关学者 在盾构下穿施工方法、试验及现场监控、数值模拟等 相关方面取得了一定成果。杨广武[1]、朱正国[2]等学者 通过数值模拟，研究论述了模拟施工力学行为对已建 隧道及地层变形的扰动。Ghabboussi[3]分别采用 2维和 3维有限单元法分析了在多孔地铁隧道上方近距离 修建垂直相交盾构隧道轴线的污水管道对已建隧道 的扰动情况。胡众[4]，郑余朝[5]，姜忻良[6]等学者通过数 值模拟分析了盾构推进过程中在建隧道的应力应变 分布规律。但在国内，由于实际施工条件与地质情况 复杂多变，施工队伍的工艺掌握程度参差不齐，对于 盾构机下穿既有隧道方面的研究仍然不足，缺乏对实 际案例真实准确的数值分析。因此，盾构隧道对于已 建成隧道周边位移的影响仍需进一步探索和研究。
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是运用有限元方法对盾构下穿过程引起的一系列力学 行为进行研究。
2 工程概况
该工程位于商业比较发达的地段，周围高楼林立， 交通流量极大。根据相关的资料和现场调查，上方既 有隧道为矿山法修建，其顶部埋深为 9. 4 m，左、右平 行隧道中心距约为 17 m，隧道截面为“马蹄形”。下穿 盾构隧道结构顶部的埋深为 17. 7 m，左、右平行隧道 的中心距为 13 m，隧道的外径为 6 m，内径为 5. 4 m， 管片厚度为 0. 3 m； 上、下交叉隧道外壁的最小净距为 2. 3 m。上、下隧道的平面位置如图 1（ 箭头指向为盾构 推进方向） 。场地主要地层的物理及力学参数如表 1。
置关系、距离和地层； 根据隧道埋深、交叉区域的大小、 地层情况及相邻地铁车站位置，确定整体模型的大小 为 137 m × 169 m × 35 m，如图 2 所示。本模型中的土 体采用 M-C 本构，结构采用线弹性本构。
图 2 三维建模情况
图 1 上、下隧道的平面位置关系
表 1 土层物理及力学参数
层厚 / 天然重度 / 弹性模 泊松 黏聚力 内摩擦 序号 地层描述 m （ kN / m3 ） 量 / MPa 比 / kPa 角 / （ °）
铁道建筑
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Railway Engineering
October，2012
文章编号： 1003-1995（ 2012） 10-0050-05
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
胡 军1，2 ，杨小平1，2 ，刘庭金1，2
（ 1． 华南理工大学 土木与交通学院，东 广州 510640； 2． 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）
1 盾构下穿引起上覆隧道沉降理论分析
盾构在推进时，有一定的超挖土量，在地层与管片 间会留有空隙，虽有同步注浆，但水泥浆强度的升高需 要一定的时间，且土层中有大量的孔隙，很难保证注浆 的质量，这会引起地层应力释放，因此四周土体会挤向 隧道，继而引起上覆地 层 沉 陷，同 时 由 于 隧 道 的“长 条”结构表现 出 一 定 的 柔 性，地 层 的 沉 陷 会 带 动 既 有 隧道结构发生位移和变形。
摘要： 针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。研究 结果表明： 在盾构推进至距既有隧道边缘 3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始 沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大； 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉 降量与之相反； 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大， 随既有隧道刚度增大而减小。为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道 边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。 关键词： 隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转 中图分类号： U455. 43 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2012． 10-16
本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背 景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下 穿既有隧道全过程进行动态模拟。研究盾构下穿时，
收稿日期： 2012-05-20； 修回日期： 2012-07-10 作者简介： 胡军（ 1986— ） ，男，湖北阳新人，硕士研究生。
上方隧道竖向位移、横向变形与盾构的推力、位置及自 身刚度的关系，从而找出盾构下穿时上方隧道位移、变 形变化的趋势并给出相应的建议。
随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的 情况时有发生。由于新线穿越既有线不可避免地会引 起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又 对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依 据 《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规 定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应 ＜ 20 mm； 根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降 差应 ＜ 4 mm。因此这类下穿工程对既有地铁的安全 形成了严峻的考验。分析盾构下穿既有隧道的力学行 为是非常必要的。
① 杂填土 2. 0 ② 冲洪积 2. 2
中粗砂 ③ 冲洪积粉 2. 2
质黏土 ④ 可塑状粉 9. 5
质黏土 ⑤ 硬塑状粉 2. 6
质黏土 ⑥ 红层强风 4. 1
化岩 ⑦ 红层中风 1. 1
化岩 ⑧ 红层微风 11. 3
目前还没有公认的理论公式可以用来准确地计算 盾构下穿引起的既有隧道的沉降，但是比较通行的方 法有模型试验和数值模拟两种。前者对试验条件要求 比较严格，否则将得不到符合工程的结果； 后者较易于 实现，且有了一定的经验基础，是可行的方法。本文就
2012 年第 10 期
盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析
姜忻良、赵 志 明 等［1］ 用 理 论 推 导 的 方 法，提 出 隧 道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式； 汪 洋、何川等［2］利 用 模 型 试 验 和 数 值 分 析 的 方 法，并 考 虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力 对上 覆 隧 道 的 位 移 和 附 加 应 力 的 分 布 规 律； 文 献 ［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进 与上方 近 接 隧 道 结 构 位 移 的 关 系； 陈 越 峰、张 庆 贺 等［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧 道的沉降规律； 张海波、殷宗泽等［7］运用三维数值模 拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此 的影响。