盾构软土地中解体近接既有隧道施工影响分区研究

摘要：在软土地层中，盾构地中对接工法隧道进行盾构解体时，因临空面大，围岩易变形坍塌，威胁既有隧道结构安全。为此，把盾构解体位置与上覆既有隧道间距纳入几何近接度的影响因素，用数值模拟与回归分析量化盾构解体施工影响范围并分区。结果显示：既有隧道管片沉降值与既有隧道和新建隧道之间的净距、既有隧道与盾构解体位置的间距均呈负相关。基于模拟结果推导影响分区表达式，明确以管片沉降值为准则的分区。研究成果可为类似盾构软土地中解体近接既有隧道工程施工安全提供一定的技术指导。

关键词：盾构解体；近接施工；既有隧道；影响分区；加固措施

1 引    言

盾构地中对接解体法是指两台盾构相向掘进至预定对接点进行拆解以实现隧道贯通的方法，相较于单向掘进可缩短工期并降低长距离施工风险。日本在该技术应用广泛，如东京外环道和东京湾横断公路工程，而我国大陆案例集中于海域岩层（如狮子洋隧道），软土地层尚无实践。沿海软土地区施工时，盾构解体形成的临空面可能导致围岩坍塌，威胁既有隧道安全。现有研究多关注单台盾构开挖影响，对双台盾构解体近接施工的分区研究不足。本文通过数值模拟分析近接影响分区，以指导软土地层盾构解体施工，确保既有隧道稳定。研究成果可为类似工程提供参考。

2  工程背景

本文以上海某盾构隧道工程的软土地质资料为基础[12]，开展盾构软土地中解体近接既有隧道施工的数值模拟研究，地层情况如表1所示。其中，新建盾构隧道与既有隧道之间最近相距3.9m。

3 影响分区有限元计算

利用ABAQUS有限元软件进行数值模拟计算。模型尺寸定为72m（长）×90m（宽）×72m（高），计算模型见图1所示。整体材料采用Mohr-CouLomb屈服准则作为塑性屈服破坏准则。土体物理力学参数见表1，采用实体单元（C3D8）模拟。模型的边界条件设置如下：模型四周为法向约束，底部为固定约束，顶部设置为自由表面。由于既有隧道已存在于土体中，因此既有隧道注浆层不考虑浆液的硬化过程，认为该注浆层已完全硬化。模型各部件参数如表2所示，且各部件均采用实体单元（C3D8）进行模拟。

开挖模拟步骤如下：（1）土体与既有隧道地应力平衡；（2）先行盾构开挖至对接位置，并进行保压措施以维持前方开挖面稳定；（3）后行盾构开挖至对接位置，此时两侧盾构贯通；（4）“杀死”1/2管片环宽度的盾构单元，此时两侧盾壳之间围岩为临空面。

4 近接影响分区建立

4.1 模拟结果分析

根据上述模拟计算结果，共统计30组既有隧道管片最大沉降值如表3所示。

从图1能够清晰地看出，当既有隧道与新建隧道之间的净距S逐渐增大，并且既有隧道逐渐远离盾构对接点时，盾构解体施工对既有隧道所产生的影响表现出逐步减小的趋势。同时，既有隧道管片结构的最大沉降值与净距S、间距L之间呈现出显著的负相关关系，即净距S和间距L的增大将导致既有隧道管片最大沉降值相应地减小。可见，当条件允许时，通过适当增加盾构解体位置与近接工程间的距离，可以有效降低近接施工风险。另外，在L=0D情况下，即使新建隧道与既有隧道的净距达到3倍的隧道直径，既有隧道的结构位移仍然无法满足变形控制值。而在L=0.5D情况下，解体位置与既有隧道仅增加0.5倍的隧道直径，在相同的净距下，相较于L=0D情况，既有隧道管片位移均大幅度减小，最大幅度减小了56.6%。可见，相较于增大净距，增加既有隧道与盾构解体位置的距离，其降低近接施工风险效果显著。特别的，在净距S达到2.0D及间距L达到1.0D后，沉降值变化曲线均有减缓趋势，这意味着在此情况下，盾构解体施工对既有隧道的影响大幅减弱，趋于稳定。因此，可取S=2.0D、L=1.0D为基准情况，即K=-10.505mm。

5.2 近接影响分区分析

（1）沉降值与几何近接度S/D回归分析

（3）近接影响分区划定

将U带入式（4），并参照近接影响度阈值I分别取值为1，2，3的条件，对其进行整合，进而划分出不同的影响分区。

6 结论

本文采用数值模拟和回归分析方法，针对盾构对接解体工法在隧道施工过程中所产生影响的范围，开展量化分区研究，主要得出以下结论：

（1）将盾构对接解体位置与上覆既有隧道的间距纳入几何近接度的影响因素中，对几何近接度的表达式进行了修正，使其适用于邻近既有隧道进行盾构解体的情况。建立近接影响判别表达式，确定了基于既有隧道结构位移的分区控制标准。

（2）考虑隧道间竖向净距及盾构对接解体工法隧道解体位置与既有隧道横向间距的影响，获得不同计算工况条件下既有隧道管片结构的最大竖向位移值。同时，通过对近接影响分区表达式的推导，明确了以既有隧道管片结构的沉降值为判别准则的强、次、弱、无影响区的分区界线。

参考文献

[1]  朱伟，钱勇进，王璐等.长距离盾构隧道掘进的主要问题及发展趋势[J].河海大学学报（自然科学版），2023，51（01）：138-149.

[2]  陈星欣，何明高，施文城，等.土岩复合地层盾构地中对接法刀盘拆卸不完全拱压力计算[J].岩土工程学报，2024，46（12）：2652-2660.

[3]  尹清锋，何明高，陈星欣，等.基于流固耦合的盾构地中对接法管片松动研究[J].地下空间与工程学报，2023，19（03）：935-945+954.

[4]  王彪，陈星欣，尹清锋，等.软土地层盾构地中对接法孔压扰动规律研究[J].岩土力学，2024，45（S1）：535549.