CN112948931B - 新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法 - Google Patents

新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法 Download PDF

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Abstract

新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法，涉及地铁隧道工程技术领域，采用Midas GTS建立三维有限元模型，首先采用生死单元对隧道动态开挖过程进行模拟，开挖两条平行的隧道作为既有隧道，沿着盾构掘进线路，在距离始发点不同距离处地表设置若干用于监测地表沉降的监测横断面，同时亦在既有线路洞内管片设置若干用于监测管片水平、竖向位移及应力值的监测断面；当工况为α＝90°、L＝5m时，模拟新建隧道盾构动态掘进时对既有隧道整体结构的影响最小，此种工况进行新建隧道盾构施工的安全性较高，本方法得到的模拟计算结果可以较好地指导实际施工，确保双线叠交隧道施工安全穿越既有构筑物。

Description

新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法
技术领域
本发明涉及地铁隧道工程技术领域，具体涉及新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法。
背景技术
目前我国已经成为了世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。截至2019年底，中国拥有快速轨道交通的城市共40个，累计开通运营线路208条，运营线网总长度达6736.2km。随着我国城市地下空间开发利用规模的扩大，这使得新建盾构隧道不可避免地与既有隧道形成交叠穿越的复杂工况。众多学者通过试验、理论分析、数值模拟等方法对交叠隧道复杂工况盾构施工等进行了研究，已取得不少研究成果。
目前国内外学者在隧道工程方面有了丰硕的研究成果，但主要集中在单线新建隧道对既有隧道的变形影响研究，对于双线交叠工况下，新建对既有隧道的变形影响研究并不多见，而对于它们之间的不同交角下合理净距的研究更是鲜有提及，鉴于此，应对新建和既有隧道交叠工况下，盾构施工时的合理净距，作进一步的探索研究。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法。
技术方案为：新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法，步骤如下：
(1)采用Midas GTS建立三维有限元模型，首先采用生死单元对隧道动态开挖过程进行模拟，开挖两条平行的隧道作为既有隧道，沿着盾构掘进线路，在距离始发点不同距离处地表设置若干用于监测地表沉降的监测横断面，同时亦在既有线路洞内管片设置若干用于监测管片水平、竖向位移及应力值的监测断面；设定一个新建和既有隧道交角及净距，然后动态开挖新建左/右线，每一步开挖长度可根据实际需要而定；重复进行开挖操作，当新建左/右线掘进结束后进行新建右/左线动态开挖；在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力；
(2)在保证既有线路、新建线路交叉角度不变的条件下，不断改变新建和既有线路隧道之间的净距L，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘制净距与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势判断合理的净距；
(3)改变既有线路、新建线路交叉角α，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘不同交叉角α时净距L与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势判断新建和既有隧道其他交叉角度时的合理净距及合理的交叉角度；
(4)通过步骤(2)和(3)的计算结果判断新建和既有隧道合理的交叉角度和不同交叉角度时合理的净距。
优选地，步骤(1)中生死单元对隧道动态开挖具体过程如下：
第一步、初始应力场：现有结构以及周围土体应力平衡、位移清零、设置地下水位；
第二步、新建隧道上方的既有隧道，模拟一次性开挖完，开挖结束即衬砌完成，位移清零但保留应力状态；
第三步、开挖左线第1环，钝化左线第1环土体单元，激活第1环盾壳，施加第1环土舱压力，其中模拟掘进距离2m/环；
第四步、开挖左线第2环，钝化左线第2环土体单元、钝化第1环土舱压力，激活第2环盾壳、第2环土舱压力；
第五步、开挖左线第3环，钝化左线第3环土体单元、钝化第2环土舱压力，激活第3环盾壳、第3环土舱压力；
第六步、开挖左线第4环，钝化左线第4环土体单元、钝化第3环土舱压力，激活第4环盾壳、第4环土舱压力；其中，模拟的盾构主机长度为8m；
第七步、开挖左线第5环，钝化左线第5环土体单元、第1环盾壳、钝化第4环土舱压力；激活第5环盾壳、第5环土舱压力、第1环管片、第1环注浆层、第1环注浆压力(盾构护盾长度为4环管片长度，开挖至第5环，才开始施加注浆层、注浆压力及激活第一环管片，因此管片、注浆层、注浆压力此时为第1环)，其中，注浆层先定义为液态注浆属性，之后再更改为固态注浆属性，同时钝化掉该环管片的注浆压力，此时应力完全由管片结构承担；
(8)第八步：按照开挖次序，重复第七步的步骤，以此类推，至左线全部开挖完成，再按照施工工序至右线全部开挖完成。
优选地，步骤(1)中三维有限元模型尺寸为X×Y×Z＝86m×86m×55m，其中X向是沿模型横向为86m，Y向是沿盾构施工掘进方向为86m，Z向是沿土层自上而下的分层方向为55m。
优选地，步骤(2)中净距L为1m、2m、3m、4m、5m、6m。
优选地，步骤(3)中交叉角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。
本发明的有益效果：
1：无论α多大，当L＝5m、6m时，地表沉降较L＝1m、2m、3m、4m时显著小，最大如L＝4m与相邻L＝5m地表沉降增幅可达60.81％；L＝1m～4m时，随着α的增加，地表沉降存在波动；L＝5m工况时，当模拟新建隧道盾构掘进时，新建隧道和既有隧道的拱顶、拱底管片应力分别呈现受压、受拉状态，且随着α的不断增加，应力最大值呈先减小后增加趋势，但增长幅度不断减小且局部存在波动；
2：当工况为α＝90°，L＝5m时，模拟新建隧道盾构动态掘进时对既有隧道整体结构的影响最小，此种工况进行新建隧道盾构施工的安全性较高，保证了施工的安全性和科学性，并减少了工程造价；
3：本方法得到的模拟计算结果可以较好地指导实际施工，确保双线叠交隧道施工安全穿越既有构筑物，利用本方法进行隧道施工环境土工效应的理论研究，可以促进地下工程等相关专业学科发展，同时可为隧道工程现场施工提供良好的咨询与建议。
附图说明
图1：本发明提供隧道横断面示意图。
图2：既有与新建线路平行时的模型图。
图3：盾构掘进(注浆硬化)示意图。
图4：不同Yd时的地表沉降曲线(L＝1m)。
图5：不同Yd下地表沉降最大值曲线(L＝1m)
图6：新建左线开挖完时既有隧道拱底沉降曲线。
图7：新建与既有隧道管片测点布置示意图。
图8：新建左线开挖时对既有线路及自身不同位置的管片最大应力值对比曲线。
图9：不同α下新建隧道盾构掘进时监测断面示意图。
图10：不同α下的地表沉降最大值对比曲线。
图11：新建与既有隧道交叠区域中心监测点示意图。
图12：不同L、α时地表沉降值曲线。
图13：L＝5m、6m时不同α下的地表沉降值曲线。
图14：新建左线开挖时既有隧道拱顶、拱底管片应力最大值曲线。
图15：新建左线、右线拱顶、拱底管片应力最大值曲线。
图16：观测点位置模型图。
图17：既有隧道左线拱顶、拱底沉降曲线。
图18：新建左线掘进完成时既有隧道结构水平位移曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施实例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于下述的实施例。
实施例一、以郑州市西区土层为例采用上述方法说明新建和既有隧道合理交叉角度以及合理净距的确定方法。
步骤如下：
(1)采用Midas GTS建立三维有限元模型，首先采用生死单元对隧道动态开挖过程进行模拟，开挖两条平行的隧道作为既有隧道，沿着盾构掘进线路，在距离始发点不同距离处地表设置若干用于监测地表沉降的监测横断面，同时亦在既有线路洞内管片设置若干用于监测管片水平、竖向位移及应力值的监测断面；设定一个新建和既有隧道交角及净距，然后动态开挖新建左/右线，每一步开挖长度可根据实际需要而定；重复进行开挖操作，当新建左/右线掘进结束后进行新建右/左线动态开挖；在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力；
(2)在保证既有线路、新建线路交叉角度不变的条件下，不断改变新建和既有线路隧道之间的净距L，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘制净距与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势判断合理的净距；
(3)改变既有线路、新建线路交叉角α，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘不同交叉角α时净距L与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势判断新建和既有隧道其他交叉角度时的合理净距及合理的交叉角度；
(4)通过步骤(2)和(3)的计算结果判断新建和既有隧道合理的交叉角度和不同交叉角度时合理的净距。
其中，步骤(1)中生死单元对隧道动态开挖具体过程如下：
第一步、初始应力场：现有结构以及周围土体应力平衡、位移清零、设置地下水位；
第二步、新建隧道上方的既有隧道，模拟一次性开挖完，开挖结束即衬砌完成，位移清零但保留应力状态；
第三步、开挖左线第1环，钝化左线第1环土体单元，激活第1环盾壳，施加第1环土舱压力，其中模拟掘进距离2m/环；
第四步、开挖左线第2环，钝化左线第2环土体单元、钝化第1环土舱压力，激活第2环盾壳、第2环土舱压力；
第五步、开挖左线第3环，钝化左线第3环土体单元、钝化第2环土舱压力，激活第3环盾壳、第3环土舱压力；
第六步、开挖左线第4环，钝化左线第4环土体单元、钝化第3环土舱压力，激活第4环盾壳、第4环土舱压力；其中，模拟的盾构主机长度为8m；
第七步、开挖左线第5环，钝化左线第5环土体单元、第1环盾壳、钝化第4环土舱压力；激活第5环盾壳、第5环土舱压力、第1环管片、第1环注浆层、第1环注浆压力(盾构护盾长度为4环管片长度，开挖至第5环，才开始施加注浆层、注浆压力及激活第一环管片，因此管片、注浆层、注浆压力此时为第1环)，其中，注浆层先定义为液态注浆属性，之后再更改为固态注浆属性，同时钝化掉该环管片的注浆压力，此时应力完全由管片结构承担；
(8)第八步：按照开挖次序，重复第七步的步骤，以此类推，至左线全部开挖完成，再按照施工工序至右线全部开挖完成。
以郑州市西区土层为背景，经优化选取后，如图1所示分为6个土层，并假设土体符合莫尔库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则。经查阅大量相关资料及文献确定以下参数：新建和既有隧道洞径D＝6.2m、左线、右线净距均为7m(即：既有或新建线路左线、右线两者内结构外边缘之间的水平距离)、既有隧道洞顶埋深为12m、最终确定地下水位埋深为20m(依据郑州市西区近些年来地下水位变化确定)，新建与既有隧道之间的竖向净距为6m，新建与既有隧道交角0°。
分别建立三种不同尺寸下的盾构动态掘进模型进行对比分析。其中Ⅰ类：X×Y×Z＝66m×86m×45m；Ⅱ类：X×Y×Z＝86m×86m×55m；Ⅲ类：X×Y×Z＝106m×86m×65m。均提取盾构动态掘进结束时(即新建左线、右线均开挖完)Y＝43m断面处的地表竖向沉降最大值如表1所示。为进一步说明不同尺寸下对计算精度的影响，分别计算不同模型尺寸下地表沉降量差值百分比如表2所示。通过对比分析上述表1、表2相应结果可得出：当模型尺寸为X×Y×Z＝86m×86m×55m时，计算时间和精度均达到了较好效果，故最终确定计算模型尺寸为Ⅱ类。其中X向是沿模型横向(水平)为86m，Y向是沿盾构施工掘进方向(纵向)为86m，Z向是沿土层自上而下(地表至下部边界)的分层方向(竖向)为55m。
表1模型尺寸对地表沉降最大值的影响
Figure BDA0002960153930000061
表2不同模型尺寸的地表沉降量差值百分比
沉降量差值百分比/％
Figure BDA0002960153930000071
图2为既有与新建线路平行时的模型图。注浆层的模拟用等代层(该材料包括土、水泥浆及土与水泥浆的混合体)代替，经计算后确认其厚度取150mm。等代层为三维实体单元，采用混合网格(六面体为主)类型且与土体网格类型一致，盾壳、管片模拟采用弹性本构模型，平面板单元，具体参数如表3、表4和表5所示。盾构掘进和注浆硬化过程如图3所示。
表3土层物理力学参数表
Figure BDA0002960153930000072
表4土体物理力学参数
Figure BDA0002960153930000073
Figure BDA0002960153930000081
表5材料物理力学参数
Figure BDA0002960153930000082
注：管片力学参数按《混凝土结构设计规范》(GB 50010.2010)选取，考虑到管片接头、错缝拼接方式等影响因素，乘以强度折减系数0.8％模拟实际工程中衬砌管片强度。
考虑新建和既有隧道7种不同交角α工况，即α＝0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。每种交角分别考虑竖向净距L＝1m、2m、3m、4m、5m、6m六种情况，用L代替，具体对应工况见表6。其中注浆压力和掘进压力HP(又称掌子面推力：主要考虑盾构机壳和周围土体间的摩擦力及掌子面的主动土压力)分别取250kPa、300kPa。本部分分别建立不同α、L下的三维数值模型，探讨不同α、L时新建与既有隧道之间的相互影响，继而确定两者间的合理净距L。主要从三个方面探讨：一、横向、纵向地表沉降；二、既有隧道结构位移；三、管片应力值。
表6不同交角下的工况对应表
Figure BDA0002960153930000083
实施例二、在实施例一的基础上，当α＝0°时对新建与既有隧道间合理净距的影响分析
一：地表及拱底沉降影响分析
(1)横向地表沉降影响分析：探讨α＝0°时的盾构掘进时对地表的影响。在数值计算模型盾构开挖方向(Y向)43m处设置一条地表监测断面，即Y＝43m。提取该断面在盾构掘进到不同位置时地表沉降结果，Yd表示盾构掘进的距离，分别取Yd＝0m、10m、20m、30m、43m、50m、60m、70m、80m。以L＝1m为例，根据数值模拟结果绘制地表沉降曲线如图4所示。图中新建左线、右线分别用XZ、XY代替。
从图4中明显看出，随着盾构向前掘进，沉降槽曲线逐渐形成，其形状由“浅而宽V形”向“深而窄V形”过渡。这是由于盾构“由远及近”掘进至监测断面时所产生的先前沉降，到达监测断面附近沉降急剧增加。图中看到从左线至右线开挖结束的过程中，沉降槽曲线从左线拱顶逐渐向隧道中心轴线移动(即新建隧道之间的中心轴线水平位置)。因为在盾构掘进的过程中对周围土体造成挤压变形，使得两隧道上方土体分别向两侧移动，导致两隧道之间土体剧烈扰动下沉且沉降逐渐增大，所以间接使沉降槽曲线逐渐向隧道中心轴线移动。提取图4中沉降最大值绘制对比曲线图5。
从图6中可以看出，新建左线地表沉降最大值随Yd变化依次为：1.21mm、2.41mm、4.39mm、6.83mm、8.92mm、10.14mm、10.64mm、10.86mm。相邻最大值间的增长幅度为：99.17％、82.16％、55.58％、30.60％、13.68％、4.93％、0.21％。可看出增幅逐渐降低且地表沉降最大值逐渐增大，当盾构掘进通过并远离监测断面约25m处时增长趋势急剧减小且逐渐趋于稳定。同理，分析后发现右线与左线规律基本相同，故不再赘述。
(2)既有隧道整体结构沉降影响分析：为探讨不同L下新建与上方既有隧道两者间的相互作用，故提取新建隧道盾构动态掘进结束时(即Y＝86m断面处)的既有隧道拱底沉降及沉降最大值，并绘制位移曲线，如图6所示。
从图6(a)中可发现，当L＝6m、5m时的既有左线拱底沉降远小于L＝1m、2m、3m、4m下的沉降，最大和最小沉降值分别为4.28mm、3.89mm；4.21mm、3.87mm，后者较前者分别相差9.11％、8.07％，缩小比例较小。当L＝1m、2m、3m、4m时相邻Yd间沉降最大增长比例为6.69％，最小增长比例为1.09％。当L＝1m、2m、3m、4m时的沉降曲线较为接近，盾构动态掘进结束时的既有左线拱底沉降曲线整体呈增大趋势且最大值与最小值最高可相差39.03％，整体扰动影响较大。因新建隧道整体距离上方既有隧道较近，对上方既有结构以及周围土体造成扰动，又因注浆层的硬化过程，先前开挖所导致的沉降增加趋势减小至稳定状态，距离监测断面愈近开挖对上方既有结构扰动愈大，反之较小，从而造成了既有左线整体沉降呈现持续增大的趋势。图(b)显示不同L下新建左线盾构施工对既有右线拱底沉降有所变化，可看到L＝5m、6m时的沉降曲线较为接近且相邻Yd间最大增长比例依次为2.50％、3.84％，相差较小。反而L＝1m、2m、3m、4m时的曲线较为分散且L＝4m时的整体沉降趋势偏大，相邻Yd间最大增长比例为4.66％。当L＝1m、2m、3m、4m、5m、6m时的拱底沉降曲线整体逐渐增大趋势且最大值与最小值最高可相差19.12％，较图(a)最高相差19.91％，差别较大。造成此现象的原因推测有两点：隧道的埋深、新建隧道土层交叉问题使得L＝5m、6m时沉降远小于L＝1m、2m、3m、4m；新建左线盾构施工时，由于既有右线的位置处于新建左线的斜上方大于7m的位置，使得对其影响减弱从而造成不同L下的拱底沉降整体小于位于正上方时的既有左线。
二、管片应力影响分析
由于α＝0°时，新建与既有隧道处于平行且完全重叠状态，为后续与其它角度的对比研究，后面均以Y＝43m断面处为例进行分析。管片测点位置简化如图7所示。其中A、B、C、D测点位置分别拱顶、拱底、左腰、右腰，其中i＝1、2、3、4，L为新建与既有隧道间竖向净距。
为分析在不同L下的新建隧道盾构开挖及对既有隧道管片应力值的变化规律，提取各个位置的管片应力最大值绘制成对比曲线如图9所示。为区别不同位置的最大应力值，作以下符号规定：新建左线：XZ；新建右线：XY；既有左线：JZ，既有：JY。其中如“JZ.拱顶”，则表示新建隧道开挖至Y＝43m断面处既有左线拱顶管片的应力值。
从图8(a)看出，新建左线盾构动态掘进时对既有左线以及自身拱顶、拱底管片应力最大值曲线均为拉应力，而对既有右线的拱顶、拱底管片应力最大值曲线呈现压应力。这是由于既有右线所处的位置(斜上方大于7m)相对新建左线较远影响较弱所引起压应力值大于拉应力值。当不同L时新建左线盾构掘进对既有左线拱顶、拱底管片应力值在相邻L间变化比例分别为(“+”为增长“-”为缩减)：0.80％、4.42％、8.32％、73.87％、7.06％；0.50％、3.07％、17.99％、85.82％、7.25％。可见当L＝4m、5m时两者拱顶、拱底之间比例均最大，而L＝1m、2m之间最小。当L＝1m、2m时新建隧道离既有线路最近，影响程度均大于其余L且因周围土体在外力作用下挤压变形所带来的被动土压力和注浆压力的影响，使得管片应力值均大于其余L。同理，经分析发现既有右线拱顶、拱底管片应力值最大变化与既有左线变化位置一致。当新建左线盾构掘进时对自身管片拱顶、拱底管片应力值最大变化比例分别为21.95％、24.47％，最小则为2.73％、4.95％。可以推测出新建隧道开挖时对自身管片变化幅度不均匀，这是由于盾构动态掘进所引起管片应力波动。同理，从(b)中可看出，不同L下新建左线盾构动态掘进时对既有线路左腰、右腰管片应力值均小于自身管片应力值。新建左线盾构掘进对既有左线、右线的左腰、右腰位置管片应力值相邻L间最大变化比例分别为46.70％、59.09％，最小分别为1.46％、1.42％。发生位置及原因与图(a)基本一致，不再赘述。
实施例三、在实施例一的基础上，对新建与既有交叉时对其合理净距的影响分析
本部分分别建立α＝15°、30°、45°、60°、75°、90°三维数值模型，探讨不同α时新建与既有隧道之间的相互影响，继而确定两者间的合理净距L。
一、横向地表沉降影响分析
(1)横向地表沉降影响分析：因不同α下的模型尺寸相同，所以选取监测断面与α＝0°基本保持一致，监测断面与新建隧道轴线中心垂直，如图9所示。
为与α＝0°时所取模型保持一致，故以不同α、L＝6m为例，探讨同一断面(Y＝43m)L＝6m、不同α下模拟新建隧道盾构掘进过程中的地表沉降规律，选取地表沉降最大值绘制成对比曲线，如图10所示。
从图10中可以看出：模拟新建左线盾构开挖时，不同α(从小到大)下的沉降最大值依次是：3.82mm、4.20mm、3.75mm、3.20mm、2.95mm、2.88mm、2.65mm；相邻a下沉降最大值的缩小幅度(后者较前者)依次为：9.95％、10.71％、14.67％、7.81％、2.37％、7.99％。明显看到当a＝15°时地表沉降值最大，但随着a的不断增大，地表沉降最大值逐渐较小且缩小幅度呈先增大后减小趋势。同理，则右线相邻a的缩小幅度依次为：12.08％、15.16％、9.58％、11.20％、3.67％、3.33％。沉降趋势与新建左线盾构掘进时的基本相同，但由于模拟盾构施工顺序为“先开挖左线后右线”，左线先前开挖对右线周围土体造成一定程度的先前沉降，右线开挖时沉降值累加且要远大于新建左线，最大相差52.38％。可看出随着a的不断增大，地表沉降值不断减小。可发现当a＝15°时，模拟新建左线、右线盾构掘进时的地表沉降值达到最大，随后其余a的地表沉降值呈比例减小；当a＝90°时，新建隧道开挖造成的地表沉降值最小。
(2)不同L、α下的横向地表沉降值影响分析：为进一步探讨不同L、α下地表沉降规律，选取沿模拟新建隧道盾构掘进方向的轴线中心上方地表沉降观测点，即对不同α下交叠区域内的隧道轴线中心上方(43m断面处)地表沉降监测点进行分析，以α＝90°为例，如图11所示。提取不同L和α组合工况下新建隧道开挖完沉降结果并绘制沉降值对比曲线，具体详见图12。
从图12上可以明显看到，无论是新建左线、右线盾构开挖，当α＝0°、L＝1m、2m、3m、4m时的地表沉降值最大为9.76mm、18.56mm，均发生在L＝3m处。但对于α＝30、45°、60°、75°，L＝1m、2m、3m、4m时局部存在不同程度波动，新建左线相邻L间最大相差分别为14.82％、10.49％、4.49％、20.52％，增长比例呈现不均匀性，经探讨发现右线亦如此。由此推测是由于不同交角下的模拟盾构施工时不同Yd所造成的。当L＝5m、6m不同α下的地表沉降值显著小于L＝1m、2m、3m、4m时的情况，新建左线、右线盾构开挖时地表沉降最小值分别：2.20mm、2.30mm；3.50mm、3.90mm。因为隧道埋深较大以及当L＝5m、6m时土层交叉，盾构施工时对上方土体扰动较弱导致的。可知当α＝60°时新建左线最小，而当α＝90°时右线最小。但L＝5m、6m新建右线开挖后α＝60°时沉降骤增且最高增长比例较新建左线开挖时为72.27％、79.13％，而α＝90°则为54.19％、61.83％。可见α＝90°时增长较慢，即当盾构施工时安全性大于α＝60°时工况，比较符合实际工程规律。可以发现α＝0°、15°、90°，L＝1m、2m、3m、4m时的地表沉降规律为随着L的不断增大，地表沉降曲线呈先增大后减小趋势。但其中α＝30°、45°、60°、75°时的沉降值存在波动。同时，可以发现无论α多大，当L＝5m、6m时的沉降要远小于其它L。为了详细分析L＝5m、6m不同α时的地表沉降规律，绘制图13。
从图13(a)中可以看出，L＝5m时，随着α的增加，新建左线盾构掘进的地表沉降值依次为：3.61mm、3.54mm、3.08mm、2.58mm、2.20mm、2.36mm、2.27mm，相邻α间的缩小比例最大为16.23％，最小为3.81％。可知当α＝30°、45°之间减小最快，而在α＝75°、90°之间减小最慢。同理，L＝6m时的地表沉降值在相邻α间缩小比例最大、最小分别为18.60％、2.03％，缩小比例最大位置在α＝15°、30°间，最小与新建左线位置一致。因为当α＝15°时，地表沉降值发生突变造成的。除α＝0°外，α＝15°、30°、45°、60°时，沉降值呈逐渐缩小趋势，α＝75°、90°时沉降值有所减小。这是由于新建线路与既有线路交叠区域的变化所引起的，与既有线路交叠区域愈大，影响愈大，反之愈小。同理可知图(b)，当α＝15°、30°、45°、60°时，沉降趋势与图(a)基本一致，但当α＝75°、90°，L＝5m、6m时沉降减小趋势较大，最大相差8.59％，最小5.11％。可见当新建右线开挖时，对不同α下、L＝5m、6m时的地表沉降影响与新建左线规律基本一致，均为L＝5m小于L＝6m时的总体地表沉降值曲线趋势。当α＝15°时，L＝6m时的地表沉降值达到最大；当α＝90°时，L＝5m的沉降值达到最小，与L＝6m相差10％且缩小比例较大。
二、管片应力影响分析
为了从管片结构应力变化角度分析新建与既有隧道交叠区域的相互作用，提取不同α下，L＝5m时(因为在前文探讨后发现L＝5m时盾构掘进对地表沉降的影响小于L＝6m)新建与既有隧道的管片应力最大值进行分析。与前述研究对应于α＝0°时选取的断面，即盾构沿新建隧道中心轴线方向进行开挖至与隧道交叠区域中心。分别提取此时新建与既有隧道的拱顶、拱底管片最大应力值，并绘制不同α下的应力值曲线进行对比分析。具体如图14、图15所示。
从图14(a)中可明显看到，在不同α，L＝5m工况下，模拟新建左线盾构掘进时上方既有隧道左线拱顶、拱底管片应力，分别呈现出拱顶压应力，拱底拉应力。这是由于在新建左线盾构开挖时引起的地表沉降使得既有左线拱顶上方土体向其表面移动，从而造成拱顶管片受压，相反拱底管片呈受拉状态。在不同α下(从小到大)既有左线拱顶管片应力最大值依次是：328.90kPa、228.30kPa、271.64kPa、302.56kPa、320.09kPa、314.72kPa、301.32kPa。相邻α下的管片应力最大值增幅([(后-前/前)]×100％)依次为：30.59％、18.98％、11.38％、5.79％、1.68％、4.26％。可见随着α的不断增加，应力最大值呈先减小后增加，但增长幅度是不断缩小的。当α＝60°时应力值达到最大，反而α＝75°、90°时的应力值呈减小趋势。同理，既有左线在相邻α下的拱底管片应力值增幅依次为：59.77％、198.32％、49.62％、30.16％、1.25％、6.06％。可以看到随着α的不断增大，管片应力最大值呈先增大后减小趋势。当α＝75°时应力值达到最大，当α＝15°时应力值最小。从图(b)中可以明显看出，新建左线盾构开挖时既有右线管片应力最大值明显小于既有左线。当α＝0°、90°时拱底管片应力呈现压应力，则α＝15°～75°为拉应力。随着α的不断增大，管片应力值曲线趋势与图(a)基本一致且当α＝45°时应力值达到最高86.60kPa。这是由于当α＝45°时，盾构开挖距离Yd最长从而导致应力递增大于其余α。拱顶管片应力呈现压应力，当α＝45°时的管片应力值达到最大200.01kPa，当α＝15°时达到最小104.90kPa，较符合实际规律。由于新建隧道开挖时对上方土体有挤压变形影响，使得上方土体发生沉降，从而导致土体向既有隧道移动，继而使拱顶、拱底管片分别呈现“上方受压，下方受拉”状态，较符合实际规律。新建右线开挖结束相对于新建左线开挖时，既有线路管片应力值发生了变化，但分析后发现新建右线开挖结束亦呈现此规律，故不再赘述。
图15显示，新建隧道盾构掘进至观测点断面时，左线和右线拱顶、拱底管片均呈拉应力。不同α下的新建左线拱顶管片应力值最大为25.84kPa、最小25.50kPa，两者相差1.32％，可见不同α下的应力值整体相差较小，从而推测盾构掘进至测点断面时拱顶管片应力值整体较为稳定。同理，新建右线拱顶管片应力值最大为25.95kPa、最小25.14kPa，相差3.12％，与左线拱顶管片规律相同。这是由于在模型中盾构掘进至监测断面时的管片还未安装，在下一施工阶段安装管片同时注浆及注浆压力从而使得监测的初始值普遍较小。同理经分析可知不同α下的新建左线、右线拱底管片与拱顶管片应力值规律相同，不再赘述。
三、既有隧道沉降影响分析
(1)既有隧道竖向位移影响分析：上述探讨分析后发现当α＝90°，L＝5m时的横向断面观测点地表沉降值、交叠区域均为最小，故在模拟新建隧道盾构施工时的相互作用影响最小。因此，选取α＝90°、L＝5m的模型，进一步探讨新建与既有隧道正交时对既有隧道整体结构的影响。选取此模型观测点的布置如图16所示。提取新建隧道盾构掘进时的上方既有隧道拱顶、拱底竖向位移并绘制位移曲线，如图17所示。
从图17可以看出，当新建左线、右线盾构掘进结束时，新建与既有隧道交叠区域上的观测点处沉降最大向两侧逐渐减小，沉降槽逐曲线渐形成且呈“V”形。这是由于新建隧道盾构掘进结束时，因对新建隧道上方土体造成扰动使得既有结构发生沉降，拱腰和拱肩对拱顶的约束作用使其变形受限，导致既有隧道左、右线拱顶、拱底沉降曲线呈现单峰状态。新建右线掘进结束时既有左线沉降均大于新建左线，这是由于新建隧道开挖时沉降累加所引起的。当新建左线盾构掘进结束时上方既有左线拱顶、拱底观测点沉降最大值分别为：2.17mm、2.23mm，后者较前者相差2.76％，相差较小。则新建右线掘进结束时既有左线的拱顶、拱底观测点最大值为：3.49mm、3.53mm，后者较前者增长1.15％，增长比例较小。由上可见，当α＝90°，L＝5m这种工况时，无论新建左线、右线开挖结束时对上方既有隧道的影响较小，尤其是交叠区域的拱顶、拱底沉降最大值仅相差0.04mm，相差很小。分析后发现既有右线拱顶、拱底位移亦呈现此规律，故不再赘述。
(2)既有隧道水平位移影响分析：提取相应节点位置结果并绘制水平位移曲线，如图18所示。
从图18上可以看到，当新建左线模拟盾构掘进至上方既有隧道附近时，既有隧道的拱腰均发生水平变形，均为正值(即整体沿模型中X正方向偏移)且形成“单峰”槽。从图(a)中可知既有左腰、右腰水平位移最大值分别为：0.57mm、0.54mm，相差0.03mm且前者较后者增长5.26％。在图(b)中既有右线左腰、右腰的水平位移最大值分别为：0.40mm、0.37mm，相差0.03mm且前者较后者增长7.5％。可发现新建左线掘进完成时，对上方既有左线影响大于既有右线且最大相差0.17mm。因为新建左线距既有右线较远，对其影响较弱从而导致水平位移小于位于正上方的既有左线。分析后发现新建右线掘进完成时对既有隧道拱腰位移影响亦呈现此规律，故不再赘述。可发现当α＝90°，L＝5m时的新建与既有隧道盾构动态掘进时，既有隧道拱顶、拱底沉降，拱腰的水平位移均较小，亦对上方既有隧道的影响最小。
综上所述，通过建立不同工况下模型并对其横向地表变形规律、上方既有隧道变形以及管片应力分析三个方面进行了系统研究。主要得出以下结论：(1)无论α多大，当L＝5m、6m时，地表沉降较L＝1m、2m、3m、4m时显著小，最大如L＝4m与相邻L＝5m地表沉降增幅可达60.81％；L＝1m～4m时，随着α的增加，地表沉降存在波动。L＝5m工况时，当模拟新建隧道盾构掘进时，新建隧道和既有隧道的拱顶、拱底管片应力分别呈现受压、受拉状态。且随着α的不断增加，应力最大值呈先减小后增加趋势，但增长幅度不断减小且局部存在波动；(2)当工况为α＝90°，L＝5m时，模拟新建隧道盾构动态掘进时对既有隧道整体结构的影响最小，此种工况进行新建隧道盾构施工的安全性较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法，其特征在于，步骤如下：
（1）采用Midas GTS建立三维有限元模型，首先采用生死单元对隧道动态开挖过程进行模拟，开挖两条平行的隧道作为既有隧道，沿着盾构掘进线路，在距离始发点不同距离处地表设置若干用于监测地表沉降的监测横断面，同时亦在既有线路洞内管片设置若干用于监测管片水平、竖向位移及应力值的监测断面；设定一个新建和既有隧道交角及净距，然后动态开挖新建左/右线，每一步开挖长度可根据实际需要而定；重复进行开挖操作，当新建左/右线掘进结束后进行新建右/左线动态开挖；在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力；
（2）在保证既有线路、新建线路交叉角度不变的条件下，不断改变新建和既有线路隧道之间的净距L，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘制净距与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势变化情况判断合理的净距；
地表及拱底沉降影响分析：探讨α=0°时的盾构掘进时对地表的影响，在数值计算模型盾构开挖方向，即Y向43m处设置一条地表监测断面，提取该断面在盾构掘进到不同位置时地表沉降结果，Yd表示盾构掘进的距离，分别取Yd=0m、10m、20m、30m、43m、50m、60m、70m、80m，根据数值模拟结果绘制地表沉降曲线；为探讨不同L下新建与上方既有隧道两者间的相互作用，提取新建隧道盾构动态掘进结束时，即Y=86m断面处的既有隧道拱底沉降及沉降最大值，并绘制位移曲线；
管片应力影响分析：由于α=0°时，新建与既有隧道处于平行且完全重叠状态，为后续与其它角度的对比研究，后面均以Y=43m断面处进行分析；为分析在不同L下的新建隧道盾构开挖及对既有隧道管片应力值的变化规律，提取各个位置的管片应力最大值绘制成对比曲线；
（3）改变既有线路、新建线路交叉角α，然后动态开挖新建左线、右线，在左线、右线动态掘进时记录不同断面处地表沉降、既有线路管片位移及应力，根据不同净距下地表、既有隧道管片变形和应力分别绘不同交叉角α时净距L与地表沉降、既有隧道管片变形、既有隧道管片应力的关系曲线，根据曲线变化趋势判断新建和既有隧道其他交叉角度时的合理净距及合理的交叉角度，建立α=15°、30°、45°、60°、75°、90°三维数值模型，探讨不同α时新建与既有隧道之间的相互影响，继而确定两者间的合理净距L；
横向地表沉降影响分析：因不同α下的模型尺寸相同，所以选取监测断面与α=0°基本保持一致，监测断面与新建隧道轴线中心垂直；为与α=0°时所取模型保持一致，以不同α、L=6m，分析同一断面即Y=43m，L=6m、不同α下模拟新建隧道盾构掘进过程中的地表沉降规律，选取地表沉降最大值绘制成对比曲线；模拟新建左线盾构开挖时，在不同α从小到大下，沉降最大值依次是：3.82mm、4.20mm、3.75mm、3.20mm、2.95mm、2.88mm、2.65mm；相邻α下沉降最大值的缩小幅度依次为：9.95%、10.71%、14.67%、7.81%、2.37%、7.99%，当α=15°时地表沉降值最大，但随着α的不断增大，地表沉降最大值逐渐缩小且缩小幅度呈先增大后减小趋势，同理，则右线相邻α的缩小幅度依次为：12.08%、15.16%、9.58%、11.20%、3.67%、3.33%，沉降趋势与新建左线盾构掘进时的基本相同，但由于模拟盾构施工顺序为“先开挖左线后右线”，左线先前开挖对右线周围土体造成的先前沉降，右线开挖时沉降值累加且要大于新建左线，最大相差52.38%，随着α的不断增大，地表沉降值不断减小，发现当α=15°时，模拟新建左线、右线盾构掘进时的地表沉降值达到最大，随后其余α的地表沉降值呈比例减小；当α=90°时，新建隧道开挖造成的地表沉降值最小；
不同L、α下的横向地表沉降值影响分析：为分析不同L、α下地表沉降规律，选取沿模拟新建隧道盾构掘进方向的轴线中心上方地表沉降观测点，即对不同α下交叠区域内的隧道轴线中心上方，即43m断面处地表沉降监测点进行分析，提取不同L和α组合工况下新建隧道开挖完沉降结果并绘制沉降值对比曲线；当L=5m、6m时，不同α下的地表沉降值小于L=1m、2m、3m、4m时的情况，新建左线、右线盾构开挖时地表沉降最小值分别：2.20mm、2.30mm；3.50mm、3.90mm，当α=60°时新建左线最小，而当α=90°时右线最小；发现α=0°、15°、90°，L=1m、2m、3m、4m时的地表沉降规律为随着L的不断增大，地表沉降曲线呈先增大后减小趋势，但其中α=30°、45°、60°、75°时的沉降值存在波动，同时，发现无论α多大，当L=5m、6m时的沉降要小于其它L；
管片应力影响分析：为了从管片结构应力变化角度分析新建与既有隧道交叠区域的相互作用，提取不同α下，L=5m时新建与既有隧道的管片应力最大值进行分析；
既有隧道沉降影响分析：当α=90°，L=5m时的横向断面观测点地表沉降值、交叠区域均为最小，故在模拟新建隧道盾构施工时的相互作用影响最小，因此选取α=90°、L=5m的模型，分析新建与既有隧道正交时对既有隧道整体结构的影响；当新建左线盾构掘进结束时上方既有左线拱顶、拱底观测点沉降最大值分别为：2.17mm、2.23mm，后者较前者相差2.76%，则新建右线掘进结束时既有左线的拱顶、拱底观测点最大值为：3.49mm、3.53mm，后者较前者增长1.15%，由上可见，当α=90°，L=5m这种工况时，交叠区域的拱顶、拱底沉降最大值仅相差0.04mm，既有右线拱顶、拱底位移亦呈现此规律；
既有隧道水平位移影响分析：提取相应节点位置结果并绘制水平位移曲线；新建左线掘进完成时，对上方既有左线影响大于既有右线且最大相差0.17mm，新建右线掘进完成时对既有隧道拱腰位移影响亦呈现此规律，当α=90°，L=5m时的新建与既有隧道盾构动态掘进时，对上方既有隧道的影响最小；
（4）通过步骤（2）和（3）的计算结果判断新建和既有隧道合理的交叉角度和不同交叉角度时合理的净距，即无论α多大，当L=5m、6m时，地表沉降较L=1m、2m、3m、4m时小，最大在L=4m与相邻L=5m地表沉降增幅可达60.81%；L=1m~4m时，随着α的增加，地表沉降存在波动；L=5m工况时，当模拟新建隧道盾构掘进时，新建隧道和既有隧道的拱顶、拱底管片应力分别呈现受压、受拉状态；且随着α的不断增加，应力最大值呈先减小后增加趋势，但增长幅度不断减小且局部存在波动；当工况为α=90°，L=5m时，模拟新建隧道盾构动态掘进时对既有隧道整体结构的影响最小。
2.根据权利要求1所述的新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法，其特征在于，步骤（1）中生死单元对隧道动态开挖具体过程如下：
第一步、初始应力场：现有结构以及周围土体应力平衡、位移清零、设置地下水位；
第二步、新建隧道上方的既有隧道，模拟一次性开挖完，开挖结束即衬砌完成，位移清零但保留应力状态；
第三步、开挖左线第1环，钝化左线第1环土体单元，激活第1环盾壳，施加第1环土舱压力，其中模拟掘进距离2m/环；
第四步、开挖左线第2环，钝化左线第2环土体单元、钝化第1环土舱压力，激活第2环盾壳、第2环土舱压力；
第五步、开挖左线第3环，钝化左线第3环土体单元、钝化第2环土舱压力，激活第3环盾壳、第3环土舱压力；
第六步、开挖左线第4环，钝化左线第4环土体单元、钝化第3环土舱压力，激活第4环盾壳、第4环土舱压力；其中，模拟的盾构主机长度为8m；
第七步、开挖左线第5环，钝化左线第5环土体单元、第1环盾壳、钝化第4环土舱压力；激活第5环盾壳、第5环土舱压力、第1环管片、第1环注浆层、第1环注浆压力，其中，注浆层先定义为液态注浆属性，之后再更改为固态注浆属性，同时钝化掉该环管片的注浆压力，此时应力完全由管片结构承担；
（8）第八步：按照开挖次序，重复第七步的步骤，以此类推，至左线全部开挖完成，再按照施工工序至右线全部开挖完成。
3.根据权利要求1所述的新建和既有地铁隧道双线叠交工况下盾构施工合理夹角与净距的确定方法，其特征在于，步骤（1）中三维有限元模型尺寸为X×Y×Z=86m×86m×55m，其中X向是沿模型横向为86m，Y向是沿盾构施工掘进方向为86m，Z向是沿土层自上而下的分层方向为55m。
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Dalong Jin等.Analysis of the settlement of an existing tunnel induced by shield tunneling underneath.Tunnelling and Underground Space Technology.2018,第81卷第209-220页. *
王辉等.叠交隧道设计参数对既有隧道稳定性影响的动态模拟研究.现代隧道技术.2017,第54卷(第01期),第116-122,152页. *

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