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摘要：呼和浩特地铁2号线盾构隧道下穿海亮广场地下人行通道是国内首个盾构下穿矩形顶管隧道工程，没有经验可以借鉴，下穿引起的矩形顶管隧道纵向变形特性有待进一步研究。为此，采用三维精细化数值模拟、现场监测等方法，针对分盾构隧道下穿诱发引起的矩形顶管隧道结构纵向变形进行研究，在此基础上，研究不同的盾构间距、穿越夹角以及穿越垂直净距对地矩形顶管结构变形的影响规律，主要取得以下结论：单线盾构施工引起的矩形顶管隧道结构沉降槽基本符合高斯分布，呈“V”型，两条隧道穿越引起的沉降槽曲线呈非对称“W”型，最大沉降值达到17.02mm，位于盾构隧道正上方；盾构下穿矩形顶管隧道，顶管管节将发生错台及张开变形。最大张开量发生在结构变形的反弯点与沉降极值点处，最大错台量发生盾构机正上方；盾构间距对张开量影响最大，穿越角度以及盾构与通道距离对其影响较小。
关键词：盾构隧道；下穿；矩形顶管隧道；结构纵向变形
0 引言
随着城市轨道交通与矩形顶管法隧道的大规模建设，必然导致城市地铁隧道与矩形顶管隧道之间的近接交叉穿越问题。例如，呼和浩特市城市轨道交通2号线一期工程（海亮广场站～新华广场站）双线盾构区间隧道近距离下穿矩形顶管法修建的锡林南路与中山路口互通式地下通道工程。该工程是国内首个盾构隧道下穿矩形顶管隧道的近接穿越工程，是一种新型的近接穿越形式，没有经验可以借鉴。
矩形顶管管节横向一次浇筑预制形成且没有纵缝，管节纵向连接通常采用F型承插接头，该种F型承插接头通常不设置螺栓，主要起到防水的功效，属于柔性接头，对地基的不均匀沉降极为敏感，极易发生接缝张开的弯曲变形和节间错台的剪切变形。穿越引起过度的纵向不均匀变形将导致接头局部防水失效引起整体防水效果大大降低，从而出现渗漏、滴水甚至漏砂漏泥等病害，影响正常使用，危及结构安全，甚至引发工程灾害。
目前，国内外学者针对采用顶管法修建的地下结构的接头力学行为开展了相关研究工作，Zhang等[1]以拱北隧道为依托，建立了圆形顶管隧道接头模型，并对橡胶圈结构进行优化。朱合华等[2]利用薄壳理论和温克尔假定建立曲线顶管结构与围岩相互作用的三维力学模型，推导了管节法向和纵向变形解析式。关于盾构穿越引起既有结构接头的变形和破坏方面也有一些研究，Wang等[3]建立包括盾构隧道管片和螺栓的三维精细化模型，模拟分析纵向不均匀沉降条件下盾构管片接头和纵向螺栓的破坏机理问题。刘文俊等[4]分析了广州地铁二八线延长线14标同福西站矿山通道下穿施工对既有顶管通道的影响规律，但未考虑管节接头的特点。有些研究人员和学者也给出了盾构穿越既有地下结构施工安全控制措施，例如千斤顶顶升、洞内注浆、土体改良、调整掘进参数等[5-8]。由上可知，针对盾构隧道穿越引起的矩形顶管隧道的工程案例未见相关报道，穿越引起的既有矩形顶管纵向变形相关研究属于空白。
为此，以呼市地铁区间盾构下穿海亮广场矩形顶管行人过街通道工程为依托，通过现场监测、三维精细化数值等方法，针对穿越引起的既有矩形顶管隧道的纵向变形特性进行研究。预期研究成果对于盾构近接穿越矩形顶管隧道工程具有重要的工程参考价值。
1 工程概况
呼市地铁2号线中~新盾构区间隧道倾斜大约65°角度下穿海亮广场行人过街通道。该通道是由矩形顶管法修建，通道宽度和高度分别为6.9m和4.2m，通道混结构厚度为0.45m，通道埋深约为5.36 m。通道两侧各存在一个换乘厅，采用明挖法施工。盾构隧道外径3.1m，管节厚度0.35m，盾构区间隧道间距9.8m。土压平衡式盾构区间隧道先后下穿该通道，盾构拱顶距通道底板距离约2.4m。盾构穿越段的地层主要为素填土，圆砾，细砂，粉质粘土，粗砂。
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图1 地下通道总平面图
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图2 盾构下穿矩形顶管横断面图
2 现场监控量测
2.1 测点方案
为及时掌握新建盾构隧道掘进过程中既有矩形顶管隧道的纵向变形的动态演化规律，根据监测数据及时调整盾构机的施工参数，将既有矩形顶管隧道的变形值控制在允许的范围内，在既有矩形顶管隧道结构内底板上布置变形监测点。
综合考虑工程现场条件及矩形顶管隧道管节接头特点，共布设64个变形监测点，其中矩形顶管隧道通道1布设34个测点，通道2布设30个测点。具体监测点的布置如图3所示：
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图3 测点平面布置图
2.2 实测数据分析
3.1 实测数据分析
盾构左线和右线分别于2019年3月25日和2019年6月23日穿越既有通道，针对现场采集的矩形顶管最终沉降数据进行分析，采用Peck公式拟合得到既有通道结构沉降分布曲线，如图4所示。
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（a）单线隧道下穿通道
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（b）双线隧道下穿通道
图4 既有顶管隧道纵向沉降分布曲线
由图4可知，盾构穿越既有通道时出现明显的沉降。矩形顶管隧道结构沉降分布呈“V”型，最大沉降值为14.95mm，位于盾构下穿段正下方。盾构右线穿越既有通道时，受盾构左线施工影响，既有通道结构沉降分布呈“W”型，最大沉降值为17.02mm，位于盾构左线的正上方位置处。其中，既有矩形顶管隧道的沉降主要由左线盾构隧道引起，右线盾构隧道引起的沉降较小。主要原因是，左线盾构施工时，没有经验可以借鉴，土舱压力设置偏小，导致既有矩形顶管隧道沉降较大，右线下穿施工时，及时调整了土仓压力。
3 三维数值模拟
受既有矩形顶管行人通道外装修的影响，无法获得矩形顶管接缝的变形实测数据。为此，采用数值模拟法进一步分析盾构穿越引起矩形顶管隧道的纵向变形特性，针对穿越引起的矩形顶管F形承插接头的变形特性进行研究。
3.1 数值模型
根据实际穿越工程，建立三维地层—结构模型，模型尺寸为60 m×80 m×30m（长×宽×高），如图5（a），地下人行通道两侧设置换乘厅，盾构隧道与地下人行通道的夹角为65°，盾构间距以及盾构与地下人行通道的距离均按照实际确定，两者的相对位置见图5（b）。盾构管节外径3.1m、内径2.75m，管节厚度0.45m，盾构管节宽度1.5m，共53个管节。
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（a）模型整体
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（b）盾构与通道相对位置
图5 数值模型
2.2 模型计算参数
根据岩土勘察报告，将地层简化为三层，从上到下依次为素填土、砂砾、粉质粘土，采用摩尔-库伦本构模型，地层力学参数见表1。矩形顶管隧道管节和盾构管片均采用弹性模型，重度为24kN/m3，弹性模量31GPa，泊松比0.2。
表1 地层力学参数
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矩形顶管管节接缝设置接触接头单元，单元的法向刚度和剪切刚度均为10MPa/m，粘聚力为5kPa，内摩擦角为2°[8, 9]。
3.2 数值模型有效性验证
将数值模拟结果与监测结果进行对比，对数值模拟参数进行标定，从而确保数值模拟结果的可靠性。
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图6 数值模拟结果与实测结果的对比
由图6可知，既有矩形顶管隧道的纵向沉降槽形态、大小与数值计算结果基本吻合，说明数值模型参数选取基本合理。
3.3. 穿越引起的矩形顶管接头变形
3.3.1 错台量纵向分布特性
过大的错台量将会导致接头防水失效及结构破坏，修复困难。
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图7 模型错台变形整体示意图
由图7可知，对既有矩形顶管隧道错台变形影响最大的参数就是盾构机的下穿位置，距离盾构隧道型心越近，错台量越大。以隧道型心为中心线向两侧扩散，并逐渐递减。
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图8 矩形顶管通道1错台量变化
根据规范控制标准：既有结构差异沉降累积值不可高于4mm，由图8可知，盾构开挖施工结束后，最大错台发生在管节接缝3的位置上，最大错台量为0.94mm，未超出错台控制限值。
3.3.2 张开量纵向分布特性
过大的张开变形亦会导致接头局部防水失效引起整体防水效果大大降低，从而出现渗漏、滴水甚至漏砂，影响正常使用寿命，甚至危及结构的安全。
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图8 顶管管节张开变形局部示意图
由图8可知，张开多发生于结构变形的反弯点与沉降极值点处，这些部位矩形顶管管节容易发生张开引起的防水失效。
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图9 矩形顶管通道1张开量变化
由规范可知，既有结构累计张开量不可超过2mm，由图9可得，最大张开量为0.54mm，张开量处于安全范围内。
4 穿越几何参数分析
4.1 盾构区间间距的影响
通过改变盾构区间间距（L）设置6组工况，令L分别为7.4 m，8.0 m，8.6m，9.8 m（原型），10.0 m，10.4 m，得到不同结构竖向位移，如图10所示，最大的沉降、错台和张开量见表3。
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（a）盾构间距8.0m
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（b）盾构间距9.8m
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（c）盾构间距10.4m
图10 不同盾构间距时通道结构竖向位移云图
表3 不同盾构间距时变形统计
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由图2、表3所示，结构沉降随着盾构间距的增大而减小，盾构间距为7.4m时，既有通道结构最大沉降值为14.94mm，满仍足规范规定的限值20mm。错台量随着盾构间距的增大而增大，最大错台量都发生在较大沉降槽峰值左侧的隧道弯曲反弯点的位置，其中L＝10.4m时的错台量最大，为0.95mm，仍低于4mm的限值。
4.2 盾构穿越夹角的影响
当盾构穿越角度θ分别为50°、55°、60°、75°和80°时，得到典型θ下的通道结构竖向位移如图5所示。不同θ下最大的沉降、错台和张开量见表4。
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（a）穿越夹角50°
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（b）穿越夹角60°
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（c）穿越夹角75°
图11 不同穿越夹角时通道结构竖向位移云图
表4 不同穿越夹角时变形统计
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不同盾构穿越夹角时沉降曲线仍为“W”型，但随着穿越夹角的增大而减小，盾构接近垂直穿越时既有通道结构变形越小。θ＝50°时最大沉降值为14.56mm，仍然满足20mm的沉降限值要求。改变穿越夹角对最大错台值的影响较小，但是对最大错台量的位置却有较大影响。θ是50°和55°时最大错台发生在较大沉降槽左侧反弯点的位置，但是随着穿越角度的增大，θ是65°、75°、80°的最大错台发生在两个沉降槽之间，最大错台量为0.99mm，满足4mm的错台限值要求。张开量受穿越角度的影响较小，最大张开量仍然位于较大沉降槽左侧的边界处。
4.3 盾构与通道间距的影响
当盾构与通道间距H分别为2.0m，2.8m，3.2m和3.6m时，得到典型H下的通道结构竖向位移如图12所示。不同H下最大的沉降、错台和张开量见表5。
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（a）盾构与通道间距2.0m
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（b）盾构与通道间距2.8m
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（c）盾构与通道间距3.6m
图12 不同盾构与通道间距时通道结构竖向位移云图
表5 不同盾构与通道间距时变形统计
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当盾构与通道间距发生变化时沉降曲线仍然呈现为“W”型，随盾构与通道间距的增加，既有通道结构沉降逐渐减小。H=2.0m时的最大沉降值最大，为17.21mm，但仍小于20mm。错台量随盾构与通道间距的增大，呈现出先减小后增大的过程。最大错台量发生在较大沉降槽的左侧反弯点位置。H＝3.6m产生的错台量最大，为0.96mm。
5 结论
1）单线盾构施工引起的矩形顶管隧道结构沉降槽基本符合高斯分布，呈“V”型，两条隧道穿越后，沉降槽曲线呈非对称的“W”型，最大沉降值达到17.02mm，最大沉降点位置位于盾构隧道正上方
2）盾构下穿矩形顶管隧道，顶管管节发生错台及张开变形。最大张开量发生在结构变形的反弯点与沉降极值点处，最大错台量发生盾构机正上方。
2）既有矩形顶管隧道纵向变形受左右线盾构间距、穿越夹角以及盾构与通道垂直净距的影响，其中通道结构沉降与盾构间距、穿越夹角、盾构和地下通道间距成反比的线性关系。
参考文献
[1]朱合华, 吴江斌, 潘同燕. 曲线顶管的三维力学模型理论分析与应用[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(4): 492–495.
[2]刘文俊, 傅鹤林, 温树杰, 郭宏霞. 近距离下穿施工对既有矩形顶管通道的影响分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2017, 45(5): 684–691.
[3]彭立敏, 王哲, 叶艺超, 杨伟超. 矩形顶管技术发展与研究现状[J]. 隧道建设, 2015, 35(1): 1–8.
[4]许有俊, 文中坤, 闫履顺, 白雪光, 刘忻梅. 多刀盘土压平衡矩形顶管隧道土体改良试验研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(2): 288–296.
[5]房倩，张顶立.浅埋暗挖地铁车站下穿既有线结构施工方法研究[J].中国铁道科学，2007，28(5)：71-77.
[6]王剑晨, 张顶立, 张成平, 房倩, 苏洁, 杜楠馨. 北京地区浅埋暗挖法下穿施工既有隧道变形特点及预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(5): 947–956.
[7]张旭, 张成平, 韩凯航, 王剑晨. 隧道下穿既有地铁车站施工结构沉降控制案例研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(4): 759–766.
[8]中华人民共和国住房和城乡建设部．城市综合管廊工程技术规范(GB50838)[S]．北京: 中国计划出版社，2015．
基金项目： 国家自然基金项目（51868062）；内蒙古自然科学基金项目（2020BS05031）
作者简介：伍绍红（1972-），男，高级工程师，研究方向为轨道交通建设。