CN112160757A - 一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，包括：在既有隧道注浆环作用下，考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应力的加速折减和环向地基土加固作用，根据既有和新建隧道位置建立新建隧道‑注浆环‑既有隧道三者共同作用的力学模型；根据力学模型，计算既有隧道任一点的竖向附加载荷，并代入沉降计算公式，求得既有隧道竖向位移；在不同工况下，绘制既有隧道竖向位移的变形图，并将其与《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中的I级控制标准进行对比，若隧道位移值ω小于5mm，则为合理，反之不合理。适用于新建隧道近距离穿越既有隧道过程中，既有隧道注浆加固效果的评估方法。
Description
技术领域
本发明属于地下工程技术领域，特别涉及一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，适用于下穿段上部既有隧道采用了注浆环加固，用于评估注浆环对既有隧道加固效果的工况。
背景技术
城市浅地层的地铁线路相互交错，工程中常出现盾构近距离穿越既有隧道线路的情况。在新建隧道下穿既有隧道的过程中，采用一定的保护手段对上部既有隧道进行变形和位移控制显得尤为重要，直接影响到上方既有隧道的安全。实际工程中常采用既有隧道环向注浆的方式对既有隧道进行保护。
针对既有隧道注浆环的加固效果评估，目前国内外学者主要通过数值模拟法、实测数据分析法和室内模型试验法展开相关研究。数值模拟法的精度很大程度上取决于建模水平、边界条件以及参数的选取，精确度无法得到有效保证。隧道洞内注浆形成壁后注浆环的过程涉及到土体浆液的渗透、压密、劈裂等多种作用方式，影响机理复杂，较难实现直接的研究与分析且在实际工程中往往将注浆环与其他控制措施结合使用，不同控制措施的效果相互叠加，难以通过实测数据法进行注浆环效果的单独分析。现场实测数据分析时需要考虑的控制因素较多且相互间的关系较复杂。缩尺寸模型试验无法避免缩尺寸效应的影响，同时对外界因素的扰动较为敏感，精确度同样无法得到有效保证。目前针对洞内注浆技术的研究主要集中在注浆环对控制隧道沉降的效果验证上。但实际工程中往往同时采用多种控制技术进行既有隧道的变形控制，因此洞内壁后注浆对控制沉降的效果会跟其他控制措施产生的效果叠加在一起。目前还没有针对洞内壁后注浆进行单独的影响规律及效果研究。另外，目前还没有一种理论计算方法可以对注浆环的控制沉降效果进行研究。
综上所述，对既有隧道注浆环作用下既隧道位移的计算研究较少，目前还没有针对洞内壁后注浆进行单独的影响规律及效果研究。另外，随着城市地铁线路的快速发展，新建隧道在修建过程中很可能会近距离穿越既有地铁线路，但目前还没有一种理论计算方法可以对注浆环的控制沉降效果进行研究，亟需进行完善与优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，以解决现有的数值模拟法、实测数据分析法、缩尺寸模型实验方法在既有隧道注浆环加固效果评估中存在的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：
本发明实施例提供一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，包括：
根据新建隧道和既有隧道的相对位置建立三维坐标系，在既有隧道外部设置注浆环，在盾构体上设置刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、盾尾附加注浆压力p和土体损失这四个因素作用，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型；
根据建立的力学模型，在考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应力的加速折减和环向地基土加固作用，采用分段计算的方式计算既有隧道轴线处的竖向附加载荷；
根据既有隧道的沉降计算公式，将所述竖向附加载荷代入，求得既有隧道竖向位移；
在不同工况下，绘制既有隧道竖向位移的变形图；
通过所述变形图，得出注浆作用下既有隧道的位移ω；
将位移ω与《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中的I级控制标准进行对比，若隧道位移值ω小于5mm，则为合理，反之不合理。
根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果是：
1、本发明实施例可以计算对比在有无注浆环情况下，既有隧道随下穿盾构掘进而发生的竖向位移值，从而分析注浆环对控制既有隧道隆起变形的作用大小。
2、本发明实施例提出的纵向地基土非均匀刚度的隧道竖向变形计算方法考虑了隧道的剪切和错台变形，与实际的隧道结构受力变形模式更加符合，使得计算结果更加准确。
3、计算方法中充分考虑了注浆环的局部支撑加固作用，对非均匀刚度的既有隧道下方土体土体纵向位移进行了计算，能够真实地反映注浆环对隧道竖向位移的影响。
4、本发明实施例计算方法应用范围广泛，可以单独对下穿隧道段盾构掘进引起的既有隧道竖向变形值进行计算，也可研究不同布置方案(角度)、不同长度、不同厚度注浆环作用下的既有隧道竖向位移，对现实工程中下穿隧道的方案设计与注浆环的选取和布置具备一定的参考价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的计算方法的流程图；
图2位本发明实施提供的评估方法流程图；
图3为本发明实施例提供的计算模型三维图；
图4为本发明实施例提供的计算模型正面图；
图5为本发明实施例提供的计算模型侧面图；
图6为本发明实施例提供的不同附加应力求解示意图；
图7为本发明实施例提供的折减前后隧道所受附加应力对比；
图8为本发明实施例提供的注浆加固环对地基土的加固作用；
图9为本发明实施例提供的计算方法可靠性验证图；
图10为实施例中不同注浆环长度条件下既有隧道隆起值变化曲线；
图11为实施例中不同注浆环厚度条件下隧道隆起值曲线。
附图标记说明：既有隧道1；新建隧道2；注浆环3；左侧非加固段4；注浆加固段5；右侧非加固段6；界面1 7；界面2 8。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
步骤S101，根据新建隧道和既有隧道的相对位置建立三维坐标系，在既有隧道外部设置注浆环，在盾构体上设置刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、盾尾附加注浆压力p和土体损失这四个因素作用，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型；
步骤S102，根据建立的力学模型，在考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应力的加速折减和环向地基土加固作用，采用分段计算的方式计算既有隧道轴线处的竖向附加载荷；
步骤S103，根据既有隧道的沉降计算公式，将所述竖向附加载荷代入，求得既有隧道竖向位移。
步骤S104，在不同工况下，绘制既有隧道竖向位移的变形图；
步骤S105，通过所述变形图，得出注浆作用下既有隧道的位移ω；
步骤S106，将位移ω与《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中的I级控制标准进行对比，若隧道位移值ω小于5mm，则为合理，反之不合理。
在研究之前首先做如下假设：(1)假设地基土是各向同性、均质连续的半无限弹性体，而且在深度和水平方向上都无限延伸；(2)注浆环作用在其有效支撑范围L内均匀分布。
具体的，所述步骤S101具体如下：
在地面上垂直既有隧道轴线方向建立x轴，平行于既有隧道轴线方向建立y轴，竖直向下建立z轴；下穿隧道轴线位于xoz平面，上部为既有隧道，下部为新建隧道，新建隧道垂直下穿既有隧道，既有隧道轴线埋深为h，半径为Rs，新建隧道轴线埋深为H，半径为R；新建隧道前端切削面位于y＝0处，在既有隧道内进行洞内注浆会紧贴管片外壁形成一段注浆加固环，该加固环设置在新建隧道和既有隧道之间，在隧道纵向上注浆加固环关于交叉点对称设置，假设注浆环角度为180°，注浆环厚度为t，且沿隧道环向及纵向均呈均匀分布。注浆环加固段长度为L；新建盾构体切削面上设置沿z着轴正向的刀盘附加推力q，沿新建盾构体环向设置盾构侧摩阻力f，新建盾构体尾部设置径向的附加注浆压力p，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型。
上述参数进一步解释如下：x轴沿着盾构掘进方向，轴线竖直投影与x轴重合，则y坐标为距离盾构轴线的水平距离，单位符号为m；y垂直于盾构掘进方向，则x坐标为距离盾构切削面的水平距离，单位符号为m；z轴沿着竖直方向，z坐标为地表以下的计算深度，单位符号为m；p为盾尾附加注浆压力，单位符号为kPa；f为盾构侧摩阻力，单位符号为kPa；q为盾构刀盘附加推力，单位符号为kPa；H和R分别为新建隧道处盾构的轴线埋深和半径，单位符号为m；h和Rs分别为既有隧道轴线埋深和半径，单位符号为m；L和t分别为注浆环加固段长度和厚度；
具体的，步骤S102具体如下：
基于Mindlin解，可得刀盘附加推力q、盾构侧摩阻力f、附加注浆压力p在既有隧道上某点(x,y,z)产生的沿竖直方向的附加应力。
步骤S1021，计算q产生的竖向附加应力σz-q
式中：R1和R2均为中间变量，无实意，具体关系为
μ为土的泊松比；r和θ分别为计算点距原点距离和所在角度。
步骤S1022，计算f产生的竖向附加应力σz-f
式中：L2为盾构机长度；R3和R4均为中间变量，无实意，具体关系为
s为积分变量。
步骤S1023，计算p产生的竖向附加应力σz-p1和σz-p2
式中：mt为盾尾注浆影响长度，R5和R6均为中间变量，无实意，具体关系为
步骤S1024，土体损失引起的附加应力σz-s
下穿段上部盾构掘进引起的既有隧道位置处任一点的土体竖向位移值Uz：
其中：
式中：B、λ、δ均为中间变量，k为地基基床系数，有
E0为土的变形模量，有
Es为地基土压缩模量，b为地基梁宽度，EtIt为隧道等效抗弯刚度，μ为土体泊松比；d为土体移动焦点到新建隧道中心点的距离；η为最大土体损失百分率(％)，η(x)为沿x轴方向土体损失百分率变化函数。
进而得到土体损失在既有隧道上产生的附加应力σz-s为：
σz-s＝k·Uz (10)
步骤S1025，引入应力折减系数Q用于表示应力在注浆加固环中的传递折减程度，即：
通过应力折减计算公式进行应力σ′2的计算，即有：
σ′2＝Qσ2 (12)
式中：σ′2为折减后加固段土体附加应力，Q为应力折减系数，σ2为折减前加固段土体附加应力。(x0,y0,z0)为在注浆环表面任意一点坐标，(x0’,y0’,z0’)为各应力通过注浆环传递折减后作用在注浆环内表面对应作用点坐标。
步骤S1026，环向地基土加固作用如下：
由于注浆加固作用，在注浆环段的地基土强度将会提高，地基土的弹性模量E以及地基基床系数k会增大，令注浆加固段的地基基床系数为k1，弹性模量为E1，泊松比为μ1，左右非加固段的地基基床系数为k2，弹性模量为E2，泊松比为μ2。注浆环加固段的隧道环数为从m0环到n0环。
设左侧非加固段管片表面、加固段注浆环外表面、右侧非加固段管片表面所受的附加应力依次为σ1、σ2、σ3。
(1)如图6(a)所示，非注浆环加固段的附加应力求解时，可直接在管片下半圆表面任取一个竖向附加应力σβ，其作用点与水平直径的角度为β(0≤β≤180°)，则计算点的坐标满足：
通过积分可得左右非加固段的附加荷载P1和P3为：
(2)如图6(b)所示，注浆环加固段的附加应力求解时，需要在注浆环外表面任取一个竖向附加应力σβ，其作用点与水平直径的角度为β(0≤β≤180°)，则计算点的坐标满足：
通过积分可得注浆环外表面的附加荷载P2为：
式(14)乘上应力折减系数Q即可求得注浆段直接作用在管片外壁的附加荷载P′2为：
P′2＝QP2 (17)
具体地，步骤S103具体如下：
在受到附加应力的影响下，既有隧道相邻管片之间会产生相对转角和错台变形，两者共同导致了隧道纵向上的总变形，使得每一片相邻管片环之间均会产生环间拉力和环间剪切力用于抵抗变形。从隧道纵向变形做功和能量转化角度分析，盾构掘进产生的附加应力将会用于克服地层抗力、克服管片环间的剪切力、克服环间拉力而分别做功。即满足：
Wσ＝WR+WS+WT (18)
式中：Wσ为附加应力做功总量，WR为克服地层抗力做功，WS为克服环间剪切力做功，WT为克服环间拉力做功。
其中，
式中：N为既有隧道上受到附加应力影响中心点单侧的管片环数，ks为隧道环间剪切刚度，kt为隧道环间抗拉刚度，k为地基基床系数，j为管片环刚体转动效应比例系数，Dt为管片环环宽，m和m+1为相邻两环管片环的序号，D为既有隧道直径，w(y)为盾构隧道的竖向位移函数，P(y)为沿既有隧道纵向的总竖向附加荷载函数；
盾构隧道的竖向位移函数ω(y)为：
式中：
A为位移函数中的待定系数矩阵，有A＝{a0,a1…an}T，n为傅里叶级数的展开阶数；
对土体刚度矩阵[Ks]及{P}T的展开形式进行调整，调整后的土体刚度矩阵[Ks′]及附加荷载作用效应{P′}T为：
由公式(28)可得待定系数矩阵AT：
AT＝([Kr]+[K′s])-1{P′}T (26)
将AT代入公式(18)中可得盾构隧道的竖向位移函数ω(y)为：
ω(y)＝{Tn(y)}AT (27)
上述步骤S102中各个应力分量的计算以及步骤S103中既有隧道竖向位移的计算均通过Matlab实现。
在Matlab程序计算过程中需要输入的主要参数包括土体参数、盾构及注浆环相关参数、隧道参数三大块。
1、土体参数：
土的泊松比μ；地基土的压缩模量Es，符号单位为kPa；盾构掘进引起的最大土体损失率η；
2、既有盾构及注浆环相关参数：
既有隧道轴线埋深为h，符号单位为m；既有隧道的半径为Rs，单位符号为m；注浆环加固段长度为L，单位符号为m；注浆环的厚度为t，符号单位为m；注浆环的加固的管片环数为从m0至n0之间；刀盘附加推力为q，单位符号为kPa；盾构侧摩阻力为f，单位符号为kPa；盾尾附加注浆压力为p，单位符号为kPa；盾尾注浆影响范围为mt，单位符号为m；土体移动焦点到新建隧道中心点的距离为d，单位符号为m。
3、新建隧道参数：
新建隧道轴线埋深为H，符号单位为m；新建隧道的半径为R，符号单位为m；管片的环宽Dt，符号单位为m；选取的单侧受影响的衬砌环环数为N，表明计算的影响范围隧道环数为2N。环间剪切刚度ks，符号单位为kN/m；环间抗拉刚度kt，符号单位为kN/m；隧道的等效抗拉强度EtIt，符号单位为kN·m2；刚体转动导致的下沉量占总的下沉量的比例j；地基梁宽度b，符号单位为m。
另外，
地基土的变形模量由
计算所得；
地基基床系数根据Vesic公式可得
下列结合说明书附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图2为评估方法流程图，本发明提供的盾构隧道下穿过程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，有如图步骤，首先确定评估项目，后收集本项目有关的既有隧道以及新建隧道数据，根据经验取适当注浆环长度及厚度代入计算软件，通过Matlab程序计算，绘制注浆环作用下既有隧道变形图，将研究所得的位移ω与参照《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中I级控制标准，若隧道位移值ω小于5mm，为合理，则用取值注浆环厚度及长度指导既有隧道注浆加固条件下新建隧道施工；若不满足，则调整注浆环厚度或者注浆环长度参数重新代入计算，直至结果合理。
如图3、4、5所示，为本发明下穿隧道注浆环工作力学模型图，图3为三维图，图4为正面图，图5为侧面图，既有隧道位于下穿段上部，新建盾构隧道位于上部，为保护既有隧道的安全，既有隧道外部采用注浆环进行支撑加固，注浆环会设置于既有隧道与新建隧道水平位置交点处，其中，盾体总长为L2，注浆环的有效长度L，符号单位均为m；沿盾构前进方向建立x轴，沿横断面方向建立y轴，以竖直方向建立z轴；新建盾构隧道埋深为H，半径为R，既有隧道埋深为h，半径为Rs，符号单位均为m。q为刀盘附加推力，f为盾构侧摩阻力，p为附加注浆压力，符号单位均为kPa。
图6为不同附加应力求解示意图，图6(a)为非加固段附加应力求解示意图，图6(b)为加固段附加应力求解示意图。
如图7所示，注浆加固环沿隧道纵向的加固范围有限，既有隧道中间段为注浆环加固区域，距离穿越中心点两侧远端则没有注浆加固环的保护。在既有隧道下方界面17高度处，盾构引起的土体附加应力还未受到注浆环的局部折减影响，整体应力曲线σ(x)沿隧道纵向呈现正态分布，而当附加应力从界面17传递到界面28的过程中，由于注浆土弹性模量要大于周围土层，故附加应力在注浆土中的传递折减会比一般软土中更大，整体应力σ′(x)将在注浆加固段内出现更明显的折减，从而在注浆加固段边缘出现应力的突变。
如图8所示，为注浆加固环对地基土的加固作用示意图。由于注浆加固作用，在注浆环段的地基土强度将会提高，地基土的弹性模量E以及地基基床系数k会增大，令注浆加固段的地基基床系数为k1，弹性模量为E1，泊松比为μ1，左右非加固段的地基基床系数为k2，弹性模量为E2，泊松比为μ2。注浆环加固段的隧道环数为从m0环到n0环。
如图9所示为有无注浆环工况下通过有限元模拟及Matlab计算所得既有隧道沉降量的对比。由图可知：(1)在未设置注浆环时，本文计算方法与有限元模拟所得曲线整体较为吻合，变化趋势相同，最大沉降值均发生在隧道穿越中心点处，本文计算所得最大沉降值为2.61mm，而有限元方法所得最大沉降值为2.63mm，差值仅为0.02mm，满足准确性要求；(2)在设置注浆环时，理论计算方法所得的沉降曲线要比有限元所得曲线更加平缓，但总体变形趋势相同，中心最大沉降值分别为0.89mm和0.98mm，差值相对较小，另外，两种方法所得沉降范围大致相同，均为沿穿越中心两侧各20m的范围内；(3)在既有隧道上设置注浆环能够有效减小新建隧道的扰动影响，能够减小既有隧道沉降量，根据有限元计算结果显示，穿越中心沉降值由2.63mm下降到了0.98mm，减小率达到62.7％，根据本文理论计算方法所得结果显示，穿越中心沉降值由2.61mm下降到0.89mm，减小率达到65.9％。综上所述，通过有限元模拟及本文理论方法所得的既有隧道沉降曲线相互吻合，设置注浆环前后所体现的变化规律也保持一致，再一次证明了本发明计算方法的可靠性。故可认为本文方法在计算注浆环影响下新建隧道下穿对既有隧道造成的沉降值时具备一定的准确性，可以用于分析注浆环设置对降低穿越扰动的效果，对指导实际工程设计具备一定的参考价值。
上述计算过程中涉及标准案例的原始参数具体如下：
(1)土体参数：土的泊松比μ2＝0.35；地基土的弹性模量E2＝10MPa；盾构掘进引起的最大土体损失率η＝1.5％。
(2)盾构及注浆环相关参数：
盾构轴线埋深(新建隧道)为H＝20m；盾构的半径为R＝3.1m；；注浆环的长度为L＝30m，厚t＝1.5m；注浆环的加固的管片环数m0、n0分别为-10和10；盾尾附加注浆压力为p＝120kPa；盾构侧摩阻力为f＝110kPa；盾构刀盘附加推力为q＝45kPa；盾尾注浆影响范围为mt＝7.5m；土体移动焦点到新建隧道中心点的距离d＝2.48m；注浆环弹性模量E1＝32MPa，泊松比μ1＝0.27
(3)隧道参数：
既有隧道轴线埋深为h＝10m；既有隧道的半径为Rs＝3.1m；管片的环宽Dt＝1.5m；隧道直径D＝6.2m；选取的单侧受影响的衬砌环环数为N＝250；环间剪切刚度ks＝7.45×105kN/m；环间抗拉刚度kt＝1.94×106kN/m；隧道的等效抗拉强度EtIt＝1.1×108kN·m2；刚体转动导致的下沉量占总的下沉量的比例j＝0.3；地基梁宽度b＝6.2m。
图10主要研究注浆环长度L变化对隧道竖向位移的影响，在算例的标准工况下，分别取L＝0m、15m、30m、45m为研究工况，注浆环满足沿穿越中心点对称布置的要求，保持其他参数不变。图10为不同注浆段长度L工况下既有隧道竖向位移曲线对比。由图可知：(1)在穿越中心附近主要的沉降影响区域，各工况沉降曲线均满足正态分布形式，隧道最大沉降值均发生在穿越中心点处，当L依次为0m、15m、30m、45m时，对应的中心最大沉降值分别为2.61mm、1.22mm、0.89mm、0.76mm；(2)注浆环的设置能够有效减小既有隧道的沉降量，但随着注浆段长度L的增大，效果会逐渐减弱，这表明新建隧道下穿对既有隧道产生影响的主要区域位于穿越中心点两侧附近，对非主要影响区域进行注浆环的设置会降低注浆环的防护性价比；(3)注浆环的设置可以有效减小既有隧道的沉降影响范围。
上述图10是在案例的标准工况下，通过参数的选择代入及Matlab程序的计算并最终绘制而成。
图11主要研究注浆环厚度t变化对隧道竖向位移的影响，在算例的标准工况下，分别取t＝1m、1.5m、2m、2.5m为研究工况，保持其他参数不变。图11为不同注浆环厚度t工况下既有隧道竖向位移曲线对比。由图可知：(1)随着注浆环厚度t的增大，既有隧道沉降值不断减小，当t分别为1m、1.5m、2m、2.5m时，其对应的穿越中心最大沉降值为1.65mm、0.89mm、0.63mm、0.51mm；(2)注浆环厚度的增加可以加强对既有隧道的防护作用，减小既有隧道的沉降量，但防护性价比逐渐降低；(3)注浆环厚度的变化对隧道沉降范围的影响不大，主要影响区间始终都为穿越中心两侧各20m的范围内。
上述图9、10、11是在案例的标准工况下，通过参数的选择代入及Matlab程序的计算并最终绘制而成。
本发明中涉及的部分参数及引用的剪切错台和刚体转动变形模型来源于论文“魏纲,俞国骅,杨波.新建盾构隧道下穿既有隧道剪切错台变形计算[J].湖南大学学报(自然科学版),2018,45(9):103-112.”和“魏纲,张鑫海.基坑开挖引起下卧盾构隧道转动与错台变形计算[J].中南大学学报:自然科学版,2019,50(9):2273-2284.”土体损失部分引起的附加应力计算参照论文“魏纲.盾构法隧道施工引起的土体变形三维解[C]//第二届全国工程安全与防护学术会议论文集.北京:中国岩石力学与工程学会,2010:369-374.”，其余少部分参数根据实际工程经验合理确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，包括：
根据新建隧道和既有隧道的相对位置建立三维坐标系，在既有隧道外部设置注浆环，在盾构体上设置刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、盾尾附加注浆压力p和土体损失这四个因素作用，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型；
根据建立的力学模型，在考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应力的加速折减和环向地基土加固作用，采用分段计算的方式计算既有隧道轴线处的竖向附加载荷；
根据既有隧道的沉降计算公式，将所述竖向附加载荷代入，求得既有隧道竖向位移；
在不同工况下，绘制既有隧道竖向位移的变形图；
通过所述变形图，得出注浆作用下既有隧道的位移ω；
将位移ω与《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中的I级控制标准进行对比，若隧道位移值ω小于5mm，则为合理，反之不合理。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，根据新建隧道和既有隧道的相对位置建立三维坐标系，在既有隧道外部设置注浆环，在盾构体上设置刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、盾尾附加注浆压力p和土体损失这四个因素作用，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型，具体包括：
在地面上垂直既有隧道轴线方向建立x轴，平行于既有隧道轴线方向建立y轴，竖直向下建立z轴；下穿隧道轴线位于xoz平面，上部为既有隧道，下部为新建隧道，新建隧道垂直下穿既有隧道，既有隧道轴线埋深为h，半径为Rs，新建隧道轴线埋深为H，半径为R；在既有隧道内进行洞内注浆会紧贴管片外壁形成一段注浆加固环，该加固环设置在新建隧道和既有隧道之间，注浆环厚度为t，且沿隧道环向及纵向均呈均匀分布；注浆环加固段长度为L；新建盾构体切削面上设置沿x着轴正向的刀盘附加推力q，沿新建盾构体环向设置盾构侧摩阻力f，新建盾构体尾部设置径向的附加注浆压力p，建立新建隧道-注浆环-既有隧道三者共同作用的力学模型。
3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，根据建立的力学模型，在考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应力的加速折减和环向地基土加固作用，采用分段计算的方式计算既有隧道轴线处的竖向附加载荷，具体包括：
根据建立的力学模型，在考虑新建隧道开挖影响的四个因素的基础上，结合既有隧道注浆环对附加应的加速折减和环向地基土加固作用，分别计算刀盘附加推力q、盾壳侧摩阻力f、盾尾附加注浆压力p和土体损失这四个因素在既有隧道管片表面处某点(x,y,z)产生的沿竖直方向的附加应力，为了便于计算，将盾尾附加注浆压力p分解为竖向附加应力p1和水平向附加应力p2，经过计算可得刀盘附加推力q产生的竖向附加应力σz-q、盾壳侧摩阻力f产生的竖向附加应力σz-f、盾尾附加注浆压力p产生的附加应力σz-p1和σz-p2、土体损失产生的附加应力σz-s，最后将各个附加应力进行求和可得到新建隧道开挖引起的总竖向附加应力σz，通过对注浆环表面积分得到竖向附加荷载。
4.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，刀盘附加推力q产生的竖向附加应力σz-q的计算过程如下：
式中：R1和R2均为中间变量，具体关系为
μ为土的泊松比；r和θ分别为计算点距原点距离和所在角度。
5.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，盾构侧摩阻力f产生的竖向附加应力σz-f的计算过程如下：
式中：L2为盾构机长度；R3和R4均为中间变量，具体关系为
s为积分变量。
6.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，附加注浆压力p产生的竖向附加应力σz-p1和σz-p2的计算过程如下：
式中：mt为盾尾注浆影响长度，R5和R6均为中间变量，具体关系为
7.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，土体损失引起的附加应力σz-s的计算过程如下：
下穿段上部盾构掘进引起的既有隧道位置处任一点的土体竖向位移值Uz：
其中：
式中：B、λ、δ均为中间变量，k为地基基床系数，有
E0为土的变形模量，有
Es为地基土压缩模量，b为地基梁宽度，EtIt为隧道等效抗弯刚度，μ为土体泊松比；d为土体移动焦点到新建隧道中心点的距离；η为最大土体损失百分率(％)，η(x)为沿x轴方向土体损失百分率变化函数；
进而得到土体损失在既有隧道上产生的附加应力σz-s为：
σz-s＝k·Uz (10)
8.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，所述既有隧道注浆环对附加应力的加速折减具体如下：
引入应力折减系数Q用于表示应力在注浆加固环中的传递折减程度，即：
通过应力折减计算公式进行应力σ′2的计算，即有：
σ′2＝Qσ2 (12)
式中：σ′2为折减后加固段土体附加应力，Q为应力折减系数，σ2为折减前加固段土体附加应力。(x0,y0,z0)为在注浆环表面任意一点坐标，(x0’,y0’,z0’)为各应力通过注浆环传递折减后作用在注浆环内表面对应作用点坐标。
9.根据权利要求3所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，所述环向地基土加固作用具体如下：
由于注浆加固作用，在注浆环段的地基土强度将会提高，地基土的弹性模量E以及地基基床系数k会增大，令注浆加固段的地基基床系数为k1，弹性模量为E1，泊松比为μ1，左右非加固段的地基基床系数为k2，弹性模量为E2，泊松比为μ2，注浆环加固段的隧道环数为从m0环到n0环；
设左侧非加固段管片表面、加固段注浆环外表面、右侧非加固段管片表面所受的附加应力依次为σ1、σ2、σ3；
非注浆环加固段的附加荷载求解时，可直接在管片下半圆表面任取一个竖向附加应力σβ，其作用点与水平直径的角度为β，则计算点的坐标满足：
通过积分可得左右非加固段的附加荷载P1和P3为：
注浆环加固段的附加荷载求解时，需要在注浆环外表面任取一个竖向附加应力σβ，其作用点与水平直径的角度为β(0≤β≤180°)，则计算点的坐标满足：
通过积分可得注浆环外表面的附加荷载P2为：
式(14)乘上应力折减系数Q即可求得注浆段直接作用在管片外壁的附加荷载P2′为：
P′2＝QP2 (17)
10.根据权利要求1所述的一种盾构隧道下穿工程中既有隧道注浆加固效果的评估方法，其特征在于，所述既有隧道的沉降计算公式具体如下：
盾构掘进产生的附加应力将会用于克服地层抗力、克服管片环间的剪切力、克服环间拉力而分别做功，即满足：
Wσ＝WR+WS+WT (18)
式中：Wσ为附加应力做功总量，WR为克服地层抗力做功，WS为克服环间剪切力做功，WT为克服环间拉力做功。
其中，
式中：N为既有隧道上受到附加应力影响中心点单侧的管片环数，ks为隧道环间剪切刚度，kt为隧道环间抗拉刚度，k为地基基床系数，j为管片环刚体转动效应比例系数，Dt为管片环环宽，m和m+1为相邻两环管片环的序号，D为既有隧道直径，w(y)为盾构隧道的竖向位移函数，P(y)为沿既有隧道纵向的总竖向附加荷载函数。
盾构隧道的竖向位移函数ω(y)为：
式中：
A为位移函数中的待定系数矩阵，有A＝{a0,a1…an}T，n为傅里叶级数的展开阶数；
对土体刚度矩阵[Ks]及{P}T的展开形式进行调整，调整后的土体刚度矩阵[K′s]及附加荷载作用效应{P′}T为：
由公式(28)可得待定系数矩阵AT：
AT＝([Kr]+[K′s])-1{P′}T (26)
将AT代入公式(18)中可得盾构隧道的竖向位移函数ω(y)为：
ω(y)＝{Tn(y)}AT (27)。
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