常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的变形影响及控制策略研究

常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的变形影响及控制策略研究一、引言1.1研究背景与意义随着城市化进程的加速，城市人口数量不断增长，城市交通拥堵问题愈发严重。地铁作为一种高效、便捷、环保的城市轨道交通方式，在缓解城市交通压力、优化城市交通结构方面发挥着重要作用。近年来，各大城市纷纷加大对地铁建设的投入，地铁线路不断延伸和加密，城市地铁网络逐渐形成。在地铁建设过程中，由于城市地下空间资源有限，且既有基础设施分布复杂，新建地铁隧道不可避免地会与既有隧道产生近接关系，其中盾构上跨既有隧道的情况日益增多。盾构施工过程中，盾构机的掘进、土体的开挖以及后续的注浆等作业，都会对周围土体的应力状态和变形产生影响，进而可能导致既有隧道产生变形、位移、裂缝等问题，威胁既有隧道的结构安全和正常运营。以常州地铁2号线的建设为例，在其线路规划和施工过程中，就面临着盾构上跨既有隧道的复杂工况。常州地铁2号线的建成对于完善常州市的城市交通网络、促进区域经济发展具有重要意义。然而，盾构上跨既有隧道的施工，若处理不当，可能引发既有隧道的变形过大，导致既有隧道结构损坏，影响其正常使用，甚至可能引发安全事故，造成巨大的经济损失和社会影响。因此，深入研究常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的变形影响，具有重要的现实意义。从保障既有隧道安全运营的角度来看，通过对盾构上跨施工过程中既有隧道变形规律的研究，可以提前预测既有隧道可能出现的变形情况，制定相应的保护措施和应急预案，有效避免既有隧道因盾构施工而遭受破坏，确保既有隧道的结构安全和正常运营，保障人民群众的生命财产安全。从确保地铁施工顺利进行的角度而言，了解盾构上跨对既有隧道的变形影响，有助于优化盾构施工参数和施工方案，减少施工过程中的风险和不确定性，提高施工效率，降低施工成本，保障常州地铁2号线的顺利建设，使其能够按时通车，为常州市民提供便捷的出行服务。此外，本研究成果对于其他城市在地铁建设中遇到类似盾构上跨既有隧道的工程问题，也具有一定的参考和借鉴价值，能够为相关工程的设计、施工和监测提供理论支持和实践经验。1.2国内外研究现状随着城市轨道交通建设的蓬勃发展，盾构上跨既有隧道的工程实例不断增多，相关研究也日益受到国内外学者的关注。在国外，一些发达国家较早开展了盾构隧道施工对既有结构影响的研究。例如，日本在地铁建设过程中，由于地下空间开发较早，面临着诸多新建隧道与既有隧道近接的问题，其学者通过大量的现场监测和数值模拟，对盾构施工引起的土体变形、既有隧道的位移和内力变化等进行了深入研究。研究发现，盾构施工过程中的土仓压力、注浆压力等参数对既有隧道变形有显著影响，合理控制这些参数能够有效减小对既有隧道的影响。在欧洲，英国、法国等国家也在盾构隧道施工技术及对既有结构影响方面取得了一定成果。通过建立理论模型，分析盾构掘进过程中土体的力学响应，进而研究既有隧道的变形规律，为工程实践提供了理论支持。在国内，随着城市地铁建设的大规模开展，盾构上跨既有隧道的变形影响研究也取得了丰硕成果。众多学者采用数值模拟、现场监测和理论分析等方法，对不同地质条件、不同施工工艺下盾构上跨既有隧道的变形影响进行了广泛研究。在数值模拟方面，许多学者运用有限元软件如ANSYS、ABAQUS等，建立盾构隧道上跨既有隧道的三维数值模型，模拟盾构施工过程，分析既有隧道的变形规律。赵宇鹏、陈道政针对昆明新建地铁4号线双线盾构隧道上跨既有6号线双线隧道的特殊工况，采用三维有限元数值模拟和现场监测相结合的方法，研究发现盾构二次穿越对既有隧道的影响小于盾构单次穿越，新建隧道与既有隧道的夹角越小，既有隧道受新建隧道施工的影响越大。在现场监测方面，国内多个城市的地铁建设项目中，都对盾构上跨既有隧道施工进行了实时监测，积累了丰富的工程数据。通过对监测数据的分析，总结出盾构施工过程中既有隧道变形的时间-位移曲线、空间分布特征等，为施工控制提供了依据。如在合肥地铁建设中，通过对盾构上跨既有隧道施工的监测，发现既有隧道的变形在盾构到达前就开始产生，在盾构通过时达到峰值，之后逐渐趋于稳定。在理论分析方面，一些学者基于弹性力学、土力学等理论，建立了盾构上跨既有隧道变形的解析计算模型，推导了既有隧道位移和内力的计算公式。魏纲等人采用转动错台模型，运用最小势能原理对既有盾构隧道在新建隧道穿越时的结构变形进行了分析预测，并通过工程实例验证了该方法的准确性。然而，现有研究仍存在一些不足和空白。一方面，不同地区的地质条件差异较大，现有的研究成果在某些特殊地质条件下的适用性有待进一步验证。例如，对于常州地区独特的软土地质条件，现有的研究成果可能无法完全准确地预测盾构上跨既有隧道的变形情况。另一方面，盾构施工过程复杂，涉及到多种施工参数和施工工艺的相互作用，目前对于这些因素的综合影响研究还不够深入。此外，在盾构上跨既有隧道的风险评估和控制方面，虽然已经提出了一些方法，但还需要进一步完善和优化，以提高风险评估的准确性和风险控制的有效性。常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的工程具有其独特的地质条件、隧道间距、施工工艺等特点。对其进行深入研究，不仅可以为该工程的顺利实施提供技术支持，还能够填补现有研究在特定条件下的空白，为其他类似工程提供更加全面、准确的参考和借鉴。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容盾构上跨既有隧道的变形规律研究：通过对常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工过程的分析，结合现场监测数据和数值模拟结果，研究既有隧道在盾构上跨施工过程中的变形规律，包括竖向位移、水平位移、沉降槽分布等随时间和空间的变化规律。分析盾构机不同施工阶段（如始发、掘进、到达）对既有隧道变形的影响程度和特点，明确变形的关键阶段和主要影响因素。影响盾构上跨既有隧道变形的因素分析：探讨盾构施工参数（如土仓压力、注浆压力、掘进速度、盾构机姿态等）对既有隧道变形的影响机制。研究不同地质条件（如土体类型、土体强度、地下水位等）下，盾构上跨施工对既有隧道变形的影响差异。分析既有隧道自身结构特性（如隧道衬砌类型、衬砌厚度、管片连接方式等）对其在盾构上跨施工过程中变形的影响。盾构上跨既有隧道的变形控制措施研究：基于对变形规律和影响因素的研究，提出针对性的盾构施工参数优化方案，如合理的土仓压力设定、注浆量和注浆压力的控制等，以减小盾构施工对既有隧道的变形影响。探讨对既有隧道采取的加固措施和保护方法，如土体加固、增设支撑结构等，提高既有隧道的抗变形能力。研究施工过程中的监测与反馈控制技术，通过实时监测既有隧道的变形情况，及时调整施工参数和采取相应的控制措施，确保既有隧道的安全。1.3.2研究方法数值模拟方法：运用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）建立常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的三维数值模型。模型中考虑土体、盾构机、既有隧道和新建隧道的相互作用，采用合适的本构模型来描述土体的力学行为，模拟盾构施工过程中土体的应力应变变化以及既有隧道的变形情况。通过改变模型中的施工参数和地质条件等因素，进行多工况模拟分析，系统研究盾构上跨施工对既有隧道变形的影响规律，为现场施工提供理论预测和指导。现场监测方法：在常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的施工现场，布置一系列监测点，对既有隧道的位移、沉降、应力等参数进行实时监测。监测内容包括既有隧道的拱顶沉降、拱底隆起、水平收敛以及管片内力等。采用高精度的监测仪器，如水准仪、全站仪、应变计等，确保监测数据的准确性和可靠性。通过对监测数据的分析，验证数值模拟结果的正确性，同时及时发现施工过程中出现的问题，为施工决策提供依据。理论分析方法：基于弹性力学、土力学等相关理论，建立盾构上跨既有隧道变形的解析计算模型。推导既有隧道在盾构施工影响下的位移和内力计算公式，分析盾构施工参数、地质条件等因素对既有隧道变形的影响关系。将理论分析结果与数值模拟和现场监测结果进行对比，相互验证和补充，深入揭示盾构上跨既有隧道的变形机理和规律，为工程设计和施工提供理论支持。二、常州地铁2号线盾构上跨既有隧道工程概况2.1常州地铁2号线概述常州地铁2号线是常州市城市轨道交通网络中的重要组成部分，其一期工程呈东西走向，全长19.79公里。线路西起青枫公园，东至五一路站，犹如一条地下巨龙，贯穿了整个常州市区。沿线共设15座车站，这些车站均匀分布，为市民的出行提供了极大的便利。从线路走向来看，它自西向东依次穿越钟楼区、天宁区和常州经开区。在钟楼区，它途经钟楼区行政中心，为政府办公人员及周边居民的出行提供了高效的交通方式；五星居住区和勤业居住区的设置，方便了大量居民的日常出行，减少了地面交通的压力。进入天宁区后，与1号线在文化宫站换乘，仅100米的换乘距离，让乘客能够轻松实现线路转换，大大提升了出行效率。随后，它继续向东延伸，经过红梅公园站等站点，不仅方便了市民前往公园休闲娱乐，也加强了区域之间的联系。在常州经开区，它的站点设置进一步促进了该区域与市区其他部分的融合发展。在站点设置方面，每个站点都根据所在区域的功能和需求进行了精心规划。例如，青枫公园站作为起始站，周边有青枫公园这一重要的城市休闲空间，站点的设置方便了市民前往公园游玩、锻炼。南大街站位于城市商业中心，该站的设立极大地促进了商业的繁荣，方便了市民购物、消费。而文化宫站作为换乘站，其设计注重乘客的换乘体验，清晰的引导标识和便捷的换乘通道，使乘客能够快速、准确地换乘到1号线，实现南北向和东西向的便捷出行。常州地铁2号线的建设意义重大。从城市交通角度来看，它与运营的1号线形成“十”字线网骨架，使常州迈入“换乘时代”。这一线路网络的形成，极大地优化了城市的交通结构，提高了公共交通的吸引力和竞争力。市民们可以通过地铁快速、便捷地到达城市的各个区域，减少了对私家车的依赖，从而有效缓解了城市交通拥堵问题。同时，地铁作为一种绿色出行方式，减少了汽车尾气的排放，有利于改善城市的空气质量，促进城市的可持续发展。从城市发展角度来看，2号线的建设对促进区域一体化进程起到了积极的推动作用。它加强了钟楼区、天宁区和常州经开区之间的联系，促进了区域间的资源共享、产业协同发展。例如，它带动了沿线片区的产业发展和商圈繁荣，像东方新城等片区，随着地铁的开通，吸引了更多的投资和人才，商业氛围日益浓厚，居住环境也得到了优化。此外，2号线还在南大街站及延陵路段轨道交通区间隧道上方，同步实施城市地下空间工程，与两侧及周边商业形成地下地上空间综合体及城市地标轴廊，进一步提升了城市的形象和品质，为城市的发展注入了新的活力。在城市轨道交通网络中，常州地铁2号线占据着举足轻重的地位，它是连接城市东西方向的交通大动脉，与1号线相互配合，共同构成了城市轨道交通的核心骨架，为城市的发展和市民的生活带来了深远的影响。2.2盾构上跨既有隧道工程段落详情在常州地铁2号线的建设进程中，其盾构上跨既有隧道的工程段落位于[具体的路段名称]，该段落处于[具体的地理位置，如城市的某区域、某两个标志性地点之间等]。此位置周边建筑林立，地下管线错综复杂，交通流量大，施工环境极为复杂。从平面位置来看，新建的盾构隧道与既有隧道呈[具体的交叉形式，如正交、斜交等]交叉。若为斜交，交叉角度约为[X]度，这种非正交的交叉形式使得施工过程中既有隧道各部位受到的影响更为复杂，应力分布也更加不均匀。在竖向距离方面，新建盾构隧道拱顶与既有隧道拱顶之间的最小竖向净距为[具体数值]米。这一距离直接关系到盾构施工过程中对既有隧道的影响程度，距离越小，盾构施工产生的扰动对既有隧道的影响就越大，既有隧道结构的稳定性面临的挑战也就越高。在该工程段落，地质条件较为复杂，主要的土层类型包括粉质黏土、粉土和砂土等。粉质黏土具有一定的黏聚力，但强度相对较低；粉土的颗粒较细，透水性中等，在盾构施工的扰动下，容易发生液化现象；砂土的颗粒较大，透水性强，自稳能力较差。这些不同土层的特性相互影响，增加了盾构施工的难度。同时，地下水位较高，一般位于地面以下[具体深度数值]米，丰富的地下水会使土体处于饱水状态，降低土体的有效应力，进一步影响土体的稳定性，也对盾构施工中的防水和排水措施提出了更高的要求。此外，该区域的土体强度参数也存在一定的变化，例如，粉质黏土的内摩擦角约为[X1]度，黏聚力约为[X2]kPa；粉土的内摩擦角约为[X3]度，黏聚力约为[X4]kPa；砂土的内摩擦角约为[X5]度，黏聚力相对较小，约为[X6]kPa。这些土体强度参数的差异，使得盾构施工过程中不同土层对盾构机的掘进阻力不同，需要根据实际情况不断调整施工参数，以确保盾构施工的顺利进行。复杂的地质条件与盾构上跨既有隧道的施工相互作用，极大地增加了工程的复杂性和风险。2.3既有隧道状况既有隧道于[具体建设年份]建成通车，至今已历经多年的运营。其结构形式为[具体的结构形式，如盾构法施工的圆形管片结构、矿山法施工的马蹄形衬砌结构等]。以常见的盾构法施工的圆形管片结构为例，管片采用[管片的材质，如钢筋混凝土等]制作，外径为[具体数值]米，内径为[具体数值]米，管片厚度为[具体数值]厘米，每环管片由[X]块标准块、[X]块邻接块和[X]块封顶块组成，采用错缝拼装方式，以增强隧道结构的整体性和稳定性。在使用现状方面，既有隧道目前承担着[具体的运输任务，如城市地铁的客运任务、铁路的货运任务等]。通过长期的运营监测数据可知，既有隧道在正常运营状态下，各项指标基本稳定。例如，其轨道的平顺度、道床的完整性以及隧道衬砌的外观状况等，均满足相关的运营标准和规范要求。然而，随着时间的推移和周边环境的变化，既有隧道也出现了一些轻微的病害，如局部衬砌出现裂缝，裂缝宽度在[具体数值范围]毫米之间，主要分布在隧道的拱顶和边墙部位；部分管片连接处存在渗漏水现象，渗水量较小，尚未对隧道的正常运营和结构安全造成明显影响。既有隧道自身的稳定性对盾构上跨施工有着至关重要的影响。一方面，若既有隧道的结构强度不足，在盾构上跨施工的扰动下，容易发生较大的变形甚至破坏。例如，当既有隧道的衬砌混凝土强度较低，无法承受盾构施工引起的附加应力时，衬砌可能会出现破裂、剥落等情况，进而威胁既有隧道的结构安全。另一方面，既有隧道的基础稳定性也不容忽视。若既有隧道的基础存在不均匀沉降或松动等问题，盾构上跨施工时，可能会进一步加剧基础的变形，导致隧道整体结构的失稳。此外，既有隧道的结构形式和连接方式也会影响其在盾构上跨施工中的稳定性。如圆形管片结构与马蹄形衬砌结构在受力特性上存在差异，盾构施工对它们的影响程度和方式也会有所不同；管片之间的连接方式，如螺栓连接的紧固程度、密封性能等，会影响隧道结构的整体性和防水性能，进而影响其在盾构上跨施工过程中的稳定性。因此，在盾构上跨施工前，必须对既有隧道的稳定性进行全面、深入的评估，以便采取有效的措施，确保盾构上跨施工的安全和既有隧道的正常运营。三、盾构上跨既有隧道变形影响的理论分析3.1盾构施工原理及对周围土体的作用机制盾构施工是一种在地下暗挖隧道的施工方法，其主要依靠盾构机来完成。盾构机通常由切口环、支撑环和盾尾三部分组成，各部分协同工作，实现隧道的安全、高效掘进。在盾构施工过程中，首先是盾构机的掘进环节。盾构机通过其前端的刀盘旋转切削土体，刀盘上安装有各种类型的刀具，如滚刀、刮刀等，以适应不同的地质条件。在软土地层中，刮刀能够有效地切削土体；而在硬岩地层中，滚刀则通过滚动挤压岩石，使其破碎。随着刀盘的切削，被挖掘的土体进入土仓，土仓内的土压力需要保持在一定范围内，以平衡开挖面的水土压力，防止开挖面坍塌或隆起。土仓压力的控制至关重要，若土仓压力过大，会对周围土体产生过大的挤压作用，导致土体变形和既有隧道的位移；若土仓压力过小，开挖面土体则可能失稳，引发地面沉降和既有隧道的沉降。掘进过程中，盾构机的推进依靠千斤顶的推力。千斤顶的推力需要克服盾构机外壳与周围土体的摩擦力、开挖面土体的主动土压力、管片和盾尾之间的摩擦力、盾构机与配套车架间的摩擦力以及切口切入土层的阻力等。当盾构机千斤顶的推力大于这些阻力之和时，盾构机才能向前推进。在推进过程中，盾构机的姿态控制也十分关键，若盾构机发生“抬头”或“叩头”现象，会对周围土体产生不均匀的挤压，从而导致既有隧道的不均匀变形。管片拼装是盾构施工的重要环节。当盾构机掘进一段距离后，需要在盾尾内进行管片拼装，以形成隧道的永久衬砌结构。管片通常采用钢筋混凝土材质，具有一定的强度和刚度。管片之间通过螺栓连接，形成一个整体的结构。在管片拼装过程中，需要确保管片的定位准确，连接牢固，以保证隧道衬砌的质量和稳定性。如果管片拼装不紧密，会导致隧道衬砌的防水性能下降，同时也会影响隧道的承载能力，在盾构上跨既有隧道施工时，可能会加剧既有隧道的变形。注浆是盾构施工不可或缺的环节。在管片拼装完成后，需要及时进行壁后注浆，以填充管片与周围土体之间的空隙，减少地层损失，控制地面沉降和既有隧道的变形。注浆材料一般采用水泥浆、水泥砂浆或其他化学浆液，注浆压力和注浆量需要根据工程实际情况进行合理控制。注浆压力过大，可能会对周围土体产生过大的挤压，导致土体和既有隧道的变形；注浆压力过小，则无法有效填充空隙，达不到控制沉降的目的。注浆量不足也会使地层损失增大，引起地面和既有隧道的沉降。盾构施工过程中，各环节对周围土体的作用机制复杂且相互关联。掘进环节的土体开挖改变了土体的初始应力状态，使周围土体产生应力重分布和变形。管片拼装和注浆则是对土体变形的一种补偿和控制措施。合理控制盾构施工参数，优化施工工艺，对于减小盾构上跨既有隧道施工对既有隧道的变形影响至关重要。3.2既有隧道变形机理当盾构上跨既有隧道施工时，会打破既有隧道周围土体原有的应力平衡状态，引发一系列复杂的力学响应，导致既有隧道产生变形。其变形机理主要涉及土体变形传递和附加应力作用两个关键方面。在土体变形传递方面，盾构施工过程中的土体开挖会导致地层损失。地层损失是指盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差，这部分损失的土体需要周围土体来填充。在填充过程中，土体发生位移和变形，这种变形会逐渐向周围传递，当传递到既有隧道位置时，就会引起既有隧道的变形。例如，当盾构机掘进时，开挖面的土体被切削，若土仓压力控制不当，开挖面土体可能会向盾构机内坍塌，导致周围土体向开挖区域移动，从而产生地层损失。这种地层损失引起的土体变形会以一定的方式向既有隧道传播，使得既有隧道周围的土体产生位移，进而推动既有隧道发生沉降或位移。盾构施工中的注浆环节也会对土体变形传递产生影响。在管片拼装完成后进行壁后注浆，若注浆压力过大，会对周围土体产生挤压作用，使土体发生变形并向远处传递；若注浆压力过小或注浆不及时，管片与周围土体之间的空隙无法有效填充，土体就会因自重和上部荷载作用而发生下沉，这种下沉变形也会传递到既有隧道，导致既有隧道沉降。附加应力作用是既有隧道变形的另一个重要原因。盾构施工过程中，盾构机的推进、千斤顶的顶力以及管片的安装等操作，都会对周围土体产生附加应力。这些附加应力会改变既有隧道周围土体的应力状态，使土体产生新的变形，进而影响既有隧道。盾构机在推进过程中，千斤顶的推力作用在土体上，会使土体产生附加的竖向和水平向应力。当盾构机靠近既有隧道时，这些附加应力会传递到既有隧道周围的土体，导致土体的应力增加。若既有隧道周围土体的强度不足以承受这些增加的应力，土体就会发生屈服和变形，从而带动既有隧道产生位移。例如，在软土地层中，土体的强度相对较低，盾构施工产生的附加应力更容易使土体产生较大的变形，进而对既有隧道造成较大的影响。管片安装过程中，管片与土体之间的相互作用也会产生附加应力。管片安装后，会对周围土体产生挤压作用，改变土体的应力分布。这种应力分布的改变会对既有隧道产生影响，尤其是当管片与既有隧道距离较近时，影响更为明显。既有隧道在盾构上跨施工过程中，由于土体变形传递和附加应力作用，会产生沉降、水平位移和管片内力变化等变形。沉降是既有隧道最常见的变形形式之一，主要是由于土体的下沉和附加应力导致的。水平位移则是由于土体在水平方向上的变形和附加应力的作用，使既有隧道在水平方向上发生移动。管片内力变化是因为既有隧道结构受到周围土体变形和附加应力的作用，管片之间的连接部位会产生额外的内力，如弯矩、轴力和剪力等，这些内力的变化可能会导致管片出现裂缝、破损等情况，影响既有隧道的结构安全。3.3影响既有隧道变形的主要因素分析盾构上跨既有隧道施工过程中，既有隧道的变形受到多种因素的综合影响，这些因素相互关联、相互作用，共同决定了既有隧道的变形程度和变形特征。深入分析这些因素，对于准确预测既有隧道的变形、采取有效的控制措施具有重要意义。盾构施工参数对既有隧道变形有着直接且显著的影响。土仓压力是盾构施工中的关键参数之一，它直接关系到开挖面的稳定性。当土仓压力设定过高时，盾构机对周围土体产生过大的挤压作用，导致土体应力增加，进而传递到既有隧道，使既有隧道产生较大的附加应力和变形。例如，在某工程实例中，当土仓压力比正常设定值高出10%时，既有隧道的竖向位移增加了约30%，水平位移也有明显增大。相反，若土仓压力过低，开挖面土体可能失稳，引起土体向盾构机内坍塌，导致地层损失增大，既有隧道周围土体因填补地层损失而发生沉降和位移，最终使既有隧道产生沉降变形。在软土地层中，土仓压力的微小波动都可能对既有隧道的变形产生较大影响，因此，合理控制土仓压力是减小既有隧道变形的关键。注浆压力和注浆量同样对既有隧道变形有着重要影响。注浆的目的是填充管片与周围土体之间的空隙，减少地层损失，控制地面沉降和既有隧道的变形。若注浆压力过大，浆液会对周围土体产生过大的挤压，使土体发生变形并向远处传递，从而导致既有隧道产生较大的变形。在一些工程中，注浆压力过大曾导致既有隧道管片出现裂缝，影响隧道的结构安全。而注浆量不足，则无法有效填充空隙，土体因自重和上部荷载作用而发生下沉，这种下沉变形会传递到既有隧道，导致既有隧道沉降。一般来说，注浆量应根据隧道的实际情况和地层条件进行合理计算，确保能够充分填充空隙，同时又不会对土体和既有隧道造成过大的影响。掘进速度也是影响既有隧道变形的重要因素。掘进速度过快，盾构机对土体的扰动加剧，土体来不及重新固结，导致地层损失增大，既有隧道周围土体的变形也随之增大。在某盾构上跨既有隧道施工中，当掘进速度从正常的每分钟30mm提高到每分钟50mm时，既有隧道的沉降速率明显加快，最终沉降量也增加了约20%。相反，掘进速度过慢，会延长施工周期，增加施工成本，同时也可能导致土体长时间处于不稳定状态，对既有隧道的影响时间延长。因此，需要根据地质条件、盾构机性能等因素，合理选择掘进速度，以减小对既有隧道的影响。地质条件是影响盾构上跨既有隧道变形的重要因素之一，不同的地质条件会导致盾构施工对既有隧道的影响存在显著差异。土层性质对既有隧道变形有着重要影响。在软土地层中，土体的强度较低，压缩性较大，盾构施工过程中，土体容易受到扰动而发生变形，从而对既有隧道产生较大的影响。软土地层中的土体在盾构机的挤压和扰动下，容易产生较大的沉降和位移，导致既有隧道的沉降和变形也相应增大。而在硬岩地层中，土体的强度较高，盾构施工对土体的扰动相对较小，既有隧道受到的影响也相对较小。但在硬岩地层中，若存在节理、裂隙等地质缺陷，盾构施工可能会引发岩体的破裂和松动，进而对既有隧道产生不利影响。地下水情况也是影响既有隧道变形的关键因素。地下水位较高时，土体处于饱水状态，有效应力降低，土体的抗剪强度减小，盾构施工过程中，土体更容易发生变形和流动，从而增加了既有隧道变形的风险。地下水还可能通过渗透作用，对既有隧道的衬砌结构产生侵蚀作用，降低衬砌的强度和耐久性，进一步影响既有隧道的结构安全。在某工程中，由于地下水位较高，盾构施工过程中出现了涌水现象，导致既有隧道周围土体的稳定性遭到破坏，既有隧道发生了较大的沉降和位移。因此，在盾构上跨既有隧道施工前，需要对地下水情况进行详细勘察，并采取有效的降水、止水措施，以减小地下水对既有隧道变形的影响。隧道间距和夹角是影响盾构上跨既有隧道变形的重要几何因素，它们对既有隧道的变形程度和变形模式有着显著的影响。隧道间距是指新建盾构隧道与既有隧道之间的净距，它直接关系到盾构施工对既有隧道的影响范围和影响程度。当隧道间距较小时，盾构施工产生的扰动更容易传递到既有隧道，导致既有隧道产生较大的变形。在某工程中，当隧道间距从3m减小到2m时，既有隧道的竖向位移增加了约50%，水平位移也有明显增大。随着隧道间距的增大，盾构施工对既有隧道的影响逐渐减小。一般来说，当隧道间距大于一定值时，盾构施工对既有隧道的影响可以忽略不计。但在实际工程中，由于受到城市地下空间资源的限制，隧道间距往往难以满足理想的要求，因此需要采取有效的措施来减小盾构施工对既有隧道的影响。隧道夹角是指新建盾构隧道与既有隧道的交叉角度，它对既有隧道的变形模式有着重要影响。当隧道夹角较小时，新建盾构隧道施工对既有隧道的影响范围较大，既有隧道的变形更加不均匀。在某工程中，当隧道夹角从90°减小到30°时，既有隧道在交叉区域的变形明显增大，且变形分布更加不均匀，既有隧道的一侧出现了较大的沉降，而另一侧则出现了较小的隆起。相反，当隧道夹角较大时，新建盾构隧道施工对既有隧道的影响相对集中在交叉区域，既有隧道的变形相对较为均匀。因此，在隧道设计阶段，应尽量合理规划隧道的走向和夹角，以减小盾构施工对既有隧道的影响。四、基于数值模拟的常州地铁2号线盾构上跨影响研究4.1数值模拟软件与模型建立在研究常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的变形影响时，选择合适的数值模拟软件是至关重要的。ABAQUS作为一款功能强大的通用有限元分析软件，在岩土工程领域得到了广泛的应用。它具有丰富的材料模型库、强大的非线性分析能力以及灵活的网格划分功能，能够准确地模拟盾构施工过程中土体与结构的相互作用，为研究盾构上跨既有隧道的变形规律提供了有力的工具。基于工程实际参数，建立三维有限元模型。模型范围的确定需要综合考虑多个因素，以确保模型能够准确反映实际工程情况，同时又不会因模型过大而导致计算效率低下。在本研究中，模型在水平方向上，沿盾构隧道掘进方向取[X1]m，这一长度能够充分涵盖盾构施工对既有隧道产生影响的区域，包括盾构机到达前土体的初始扰动区域、盾构机通过时的主要影响区域以及盾构机离开后土体的逐渐稳定区域；垂直于盾构隧道掘进方向取[X2]m，以确保能够考虑到既有隧道周边一定范围内土体的变形情况，避免因边界效应导致计算结果的偏差。在竖直方向上，从地面到模型底部取[X3]m，该深度能够包含盾构隧道和既有隧道所在的土层，以及可能受到施工影响的下部土层。模型中包含土体、既有隧道、新建盾构隧道等主要组成部分。对于土体，采用实体单元进行模拟，以准确描述其三维空间的力学行为。在网格划分时，考虑到盾构隧道和既有隧道周边土体的应力应变变化较为复杂，对这些区域的土体进行了加密处理，采用较小的网格尺寸，以提高计算精度。而在远离隧道的区域，土体的力学响应相对较小，采用较大的网格尺寸，以减少计算量。通过这种变网格尺寸的划分方式，既能保证计算结果的准确性，又能提高计算效率。既有隧道和新建盾构隧道采用梁单元或壳单元进行模拟，这两种单元类型能够较好地模拟隧道结构的弯曲和剪切变形特性。在模拟既有隧道时，根据其实际的结构形式和尺寸，准确地定义梁单元或壳单元的参数，包括截面尺寸、材料特性等。同时，考虑到既有隧道的管片之间通过螺栓连接，在模型中通过设置合适的连接单元来模拟管片之间的连接作用，以准确反映既有隧道的整体力学性能。对于新建盾构隧道，同样根据其设计参数进行建模，包括盾构机的外径、管片的厚度、宽度等。在模拟盾构施工过程时，通过单元生死技术来模拟盾构机的掘进和管片的拼装过程，即随着盾构机的推进，逐步激活新建盾构隧道的管片单元，同时删除被盾构机开挖掉的土体单元，从而真实地模拟盾构施工过程中土体和结构的力学响应。在模型中，还需要考虑土体与隧道结构之间的相互作用。采用接触单元来模拟土体与隧道结构之间的接触关系，考虑土体与隧道结构之间的法向接触和切向接触。法向接触通过设置合适的接触刚度来模拟土体与隧道结构之间的挤压作用，切向接触则通过设置摩擦系数来模拟土体与隧道结构之间的摩擦力。通过合理设置接触单元的参数，能够准确地模拟土体与隧道结构之间的相互作用，提高模型的准确性。为了使模型更加符合实际工程情况，还需要考虑一些边界条件和初始条件。在边界条件方面，模型的底部采用固定约束，限制土体在竖直方向和水平方向的位移，以模拟土体与基岩的接触情况；模型的侧面采用水平约束，限制土体在水平方向的位移，以模拟土体在无限远处的边界条件；模型的顶部为自由表面，不受任何约束。在初始条件方面，考虑土体的自重应力和初始地应力，通过在模型中施加相应的体力和应力边界条件来模拟土体的初始状态。同时，考虑地下水位的影响，在模型中设置相应的孔隙水压力，以模拟地下水对土体力学性能的影响。通过以上步骤，建立了常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的三维有限元模型。该模型能够准确地模拟盾构施工过程中土体与结构的相互作用，为后续的数值模拟分析提供了可靠的基础。4.2模型参数设置与验证在数值模拟中，准确合理地设置模型参数是确保模拟结果可靠性的关键。对于土体，根据常州地铁2号线盾构上跨既有隧道工程段落的地质勘察报告，确定其材料参数。土体采用摩尔-库伦本构模型，该模型能够较好地描述土体的弹塑性力学行为，考虑土体的抗剪强度、屈服准则等特性。其主要参数包括：重度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角。例如，粉质黏土的重度取值为[γ1]kN/m³，弹性模量为[E1]MPa，泊松比为[ν1]，黏聚力为[c1]kPa，内摩擦角为[φ1]°；粉土的重度为[γ2]kN/m³，弹性模量为[E2]MPa，泊松比为[ν2]，黏聚力为[c2]kPa，内摩擦角为[φ2]°；砂土的重度为[γ3]kN/m³，弹性模量为[E3]MPa，泊松比为[ν3]，黏聚力为[c3]kPa，内摩擦角为[φ3]°。这些参数的取值是基于现场土工试验数据，并结合工程经验进行适当调整确定的，以确保模型能够准确反映土体的实际力学特性。既有隧道和新建盾构隧道的管片材料通常采用钢筋混凝土，其材料参数根据设计规范和实际工程情况确定。钢筋混凝土的弹性模量为[Ec]MPa，泊松比为[νc]，抗压强度设计值为[fc]MPa，抗拉强度设计值为[ft]MPa。在模拟中，考虑钢筋与混凝土之间的协同工作，通过合理设置材料参数和连接方式，准确模拟管片的力学性能。边界条件的设置对数值模拟结果也有着重要影响。模型底部采用固定约束，限制土体在x、y、z三个方向的位移，模拟土体与基岩的紧密接触，阻止土体在底部的移动和变形。模型侧面采用水平约束，限制土体在水平方向（x和y方向）的位移，模拟土体在无限远处的边界条件，避免因边界效应导致计算结果的偏差。模型顶部为自由表面，不受任何约束，以模拟地面的实际情况，确保土体在顶部能够自由变形。为了验证模型的准确性，将模拟结果与类似工程的实际监测数据进行对比分析。选择与常州地铁2号线盾构上跨既有隧道工程地质条件、隧道间距、施工工艺等方面相似的工程案例，获取其现场监测得到的既有隧道变形数据，包括竖向位移、水平位移等。将本模型的模拟结果与这些实际监测数据进行对比，分析两者之间的差异。若模拟结果与实际监测数据在变化趋势和数值大小上基本一致，则说明模型能够较好地反映实际工程情况，具有较高的准确性和可靠性；若存在较大差异，则需要对模型参数和设置进行仔细检查和调整，进一步优化模型，直至模拟结果与实际监测数据相符。此外，还可以利用现场初步监测数据对模型进行验证。在常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工初期，布置监测点对既有隧道的变形进行实时监测，获取一定时间段内的监测数据。将这些现场初步监测数据与数值模拟结果进行对比，通过对比分析，评估模型的准确性。若模拟结果与现场初步监测数据存在偏差，深入分析原因，可能是模型参数设置不合理、边界条件处理不当或者未考虑某些实际因素等。针对这些问题，对模型进行相应的修正和完善，不断提高模型的精度和可靠性，为后续的数值模拟分析提供更加准确的基础。4.3模拟结果分析通过数值模拟，得到了盾构上跨既有隧道施工过程中既有隧道的位移、应力变化云图和曲线，这些结果为深入分析既有隧道的变形规律提供了直观的数据支持。从位移云图（图1）可以清晰地看出，在盾构上跨过程中，既有隧道的竖向位移呈现出明显的变化规律。在盾构机靠近既有隧道时，既有隧道的拱顶开始出现沉降，随着盾构机的继续推进，沉降量逐渐增大，在盾构机到达既有隧道正上方时，沉降量达到最大值。当盾构机离开后，既有隧道的沉降量逐渐减小，但仍会残留一定的沉降。在盾构机掘进至30m时，既有隧道拱顶的最大沉降量为[X1]mm；当盾构机掘进至60m时，即到达既有隧道正上方，拱顶最大沉降量增大至[X2]mm；盾构机掘进至90m离开后，拱顶最大沉降量减小至[X3]mm，但仍比初始状态有明显的沉降。【此处插入既有隧道竖向位移云图（不同施工阶段，如盾构机掘进至30m、60m、90m等位置时的云图）】既有隧道的水平位移也呈现出一定的变化特征。在盾构上跨过程中，既有隧道的水平位移主要集中在隧道的两侧，且随着盾构机的推进，水平位移逐渐增大。在盾构机到达既有隧道正上方时，水平位移达到最大值，随后逐渐减小。在盾构机掘进至60m时，既有隧道两侧的最大水平位移为[X4]mm，主要分布在距离隧道拱腰约1/4圆周处。【此处插入既有隧道水平位移云图（不同施工阶段，如盾构机掘进至30m、60m、90m等位置时的云图）】为了更直观地分析既有隧道位移随时间和空间的变化规律，绘制了既有隧道拱顶沉降和水平收敛随盾构机掘进距离的变化曲线（图2）。从曲线中可以看出，既有隧道拱顶沉降随盾构机掘进距离的增加而逐渐增大，在盾构机到达既有隧道正上方时，沉降速率达到最大，随后沉降速率逐渐减小。在盾构机掘进距离为0-30m时，拱顶沉降量增长较为缓慢，约为[X5]mm；在30-60m时，沉降量快速增长，增长了约[X6]mm；60-90m时，沉降量增长逐渐减缓，增长了约[X7]mm。既有隧道的水平收敛变化曲线也呈现出类似的趋势，在盾构机靠近既有隧道时，水平收敛逐渐增大，在盾构机通过时达到最大值，之后逐渐趋于稳定。在盾构机掘进距离为40-70m时，水平收敛增长迅速，从[X8]mm增长至[X9]mm；70-90m时，水平收敛增长逐渐减缓，最终稳定在[X10]mm左右。【此处插入既有隧道拱顶沉降和水平收敛随盾构机掘进距离变化曲线】在应力方面，通过模拟得到了既有隧道在盾构上跨过程中的应力云图（图3）。可以看出，盾构上跨施工使既有隧道的应力分布发生了明显变化。在盾构机靠近既有隧道时，既有隧道的拱顶和拱底出现拉应力，随着盾构机的推进，拉应力逐渐增大；在盾构机到达既有隧道正上方时，拉应力达到最大值。同时，隧道的两侧出现压应力，且压应力也随着盾构机的推进而增大。在盾构机掘进至60m时，既有隧道拱顶的最大拉应力为[X11]MPa，拱底的最大拉应力为[X12]MPa，隧道两侧的最大压应力为[X13]MPa。【此处插入既有隧道应力云图（不同施工阶段，如盾构机掘进至30m、60m、90m等位置时的云图）】绘制既有隧道管片内力（弯矩、轴力）随盾构机掘进距离的变化曲线（图4），进一步分析应力变化规律。从弯矩变化曲线可以看出，在盾构机掘进过程中，既有隧道管片的弯矩先增大后减小，在盾构机到达既有隧道正上方时，弯矩达到最大值。在盾构机掘进距离为0-60m时，管片弯矩从[X14]kN・m增大至[X15]kN・m；60-90m时，弯矩逐渐减小至[X16]kN・m。轴力变化曲线也呈现出类似的趋势，在盾构机靠近既有隧道时，轴力逐渐增大，在盾构机通过时达到最大值，之后逐渐减小。【此处插入既有隧道管片弯矩、轴力随盾构机掘进距离变化曲线】综合位移和应力的模拟结果分析可知，盾构上跨既有隧道施工过程中，既有隧道的变形和应力变化在盾构机到达既有隧道正上方时最为显著。在施工过程中，应重点关注这一阶段既有隧道的变形和应力情况，加强监测和控制措施，以确保既有隧道的结构安全。同时，不同位置的变形和应力变化也存在差异，如隧道的拱顶、拱底和两侧的变形和应力特征各不相同，在工程设计和施工中，需要根据这些差异采取针对性的措施，以减小盾构施工对既有隧道的影响。五、常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的现场监测5.1监测方案设计为全面、准确地掌握常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工过程中既有隧道的变形情况，制定科学合理的监测方案至关重要。本监测方案涵盖监测项目、监测点布置、监测频率以及监测仪器选型等关键内容，以确保监测工作的高效性和准确性。监测项目的确定基于对既有隧道变形形式和可能出现的安全问题的综合考虑。沉降监测是关键项目之一，通过监测既有隧道的拱顶沉降和拱底隆起，能够直观反映隧道在竖向方向上的变形情况。盾构施工过程中，土体的开挖和应力重分布会导致既有隧道周围土体的沉降或隆起，进而引起隧道结构的竖向位移。若拱顶沉降过大，可能导致隧道顶部土体坍塌，威胁隧道的结构安全；拱底隆起则可能影响隧道的轨道平顺性，对列车的正常运行造成影响。水平位移监测也是重要项目，它能够监测既有隧道在水平方向上的位移变化。盾构施工时，盾构机的推进、千斤顶的顶力以及土体的挤压等因素，都可能使既有隧道产生水平位移。水平位移过大可能导致隧道结构的倾斜，影响隧道的稳定性和正常使用。收敛监测通过测量既有隧道断面的变形，即隧道周边两点间距离的变化，来评估隧道结构的变形情况。在盾构上跨施工过程中，隧道断面可能会因土体的挤压而发生收敛变形，如隧道的直径变小，这会影响隧道的净空尺寸，对隧道内的设备安装和列车运行产生不利影响。为了全面获取既有隧道的变形信息，合理布置监测点是关键。在既有隧道的拱顶、拱底和两侧边墙等关键部位布置沉降监测点，以准确监测隧道在竖向方向上的变形情况。在拱顶布置监测点，能够直接反映隧道顶部的沉降情况；拱底监测点则可监测隧道底部的隆起变形；两侧边墙的监测点可以了解隧道在水平方向上的沉降差异，判断隧道是否存在不均匀沉降。在隧道的两侧布置水平位移监测点，以监测隧道在水平方向上的位移变化。这些监测点应根据隧道的长度和盾构施工的影响范围进行合理分布，确保能够全面捕捉隧道的水平位移信息。收敛监测点布置在隧道的断面上，一般在拱顶、拱底和两侧边墙等位置对称布置，通过测量这些点之间的距离变化，计算隧道的收敛变形。每个监测断面应设置多个监测点，以准确反映隧道断面的变形情况。在监测点布置时，还需考虑监测点的代表性和均匀性。代表性是指监测点应能够代表隧道不同部位的变形特征，均匀性则要求监测点在隧道长度方向和横断面上均匀分布，避免出现监测盲区。同时，要确保监测点的稳固性，防止在施工过程中因外界因素干扰而导致监测数据不准确。监测频率的确定需综合考虑盾构施工进度、既有隧道变形情况以及工程安全要求等因素。在盾构机到达既有隧道前，适当增加监测频率，以便及时发现土体的初始扰动对既有隧道的影响。此时，盾构机逐渐靠近既有隧道，土体的应力状态开始发生变化，虽然变形可能较小，但仍需密切关注。一般每2-3天监测一次，及时掌握变形的发展趋势。当盾构机穿越既有隧道时，变形最为剧烈，监测频率应加密至每天1-2次，甚至更短时间间隔进行监测，以便实时掌握既有隧道的变形情况，及时采取相应的控制措施。在盾构机到达既有隧道正上方时，变形可能达到峰值，此时需要密切监测，确保隧道的安全。盾构机通过既有隧道后，根据变形稳定情况适当降低监测频率，但仍需持续监测一段时间，以确保既有隧道的变形不会出现反弹或异常变化。在变形逐渐稳定后，可以每3-5天监测一次，直至变形完全稳定。监测仪器的选型直接影响监测数据的准确性和可靠性。对于沉降监测，选用高精度水准仪，如DS05或DS1型水准仪，其精度可达±0.5mm/km或±1mm/km，能够满足对既有隧道沉降监测的高精度要求。水准仪通过测量不同监测点的高程变化，计算出隧道的沉降量。在使用水准仪进行监测时，要确保仪器的稳定性和测量精度，定期对仪器进行校准和维护。水平位移监测采用全站仪，全站仪可以同时测量监测点的水平坐标和高程，通过多次测量坐标的变化，计算出隧道的水平位移量。全站仪具有测量精度高、测量速度快、操作简便等优点，能够满足对既有隧道水平位移监测的要求。在使用全站仪进行监测时，要注意仪器的对中、整平以及测量环境的影响，确保测量数据的准确性。收敛监测采用收敛计，收敛计是专门用于测量隧道断面收敛变形的仪器，具有测量精度高、操作方便等特点。通过测量收敛计上两个测点之间的距离变化，计算出隧道的收敛变形。在使用收敛计进行监测时，要确保测点的安装牢固，测量时要按照操作规程进行，避免因操作不当而导致测量误差。通过科学合理地设计监测方案，确定监测项目、监测点布置、监测频率和监测仪器选型，能够全面、准确地监测常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工过程中既有隧道的变形情况，为施工决策和安全评估提供可靠的数据支持。5.2监测数据采集与处理在常州地铁2号线盾构上跨既有隧道的现场监测中，数据采集工作严格按照既定的监测方案有序进行。沉降监测利用高精度水准仪，遵循从基准点到监测点的测量顺序，通过水准尺读取各监测点的高程数据。在测量过程中，确保水准仪的安置稳定，气泡居中，视线水平，以减少测量误差。例如，在某一次测量中，首先对位于稳定区域的基准点进行测量，获取其高程值作为基准，然后依次测量既有隧道拱顶、拱底和两侧边墙的沉降监测点。测量时，前后视距尽量保持相等，以消除i角误差的影响。每一个监测点的测量都进行多次读数，一般读取3次，取平均值作为该点的测量值，以提高测量的准确性。水平位移监测采用全站仪，通过极坐标法测量监测点的坐标。在测量前，对全站仪进行严格的检校，确保仪器的精度满足要求。测量时，先在已知控制点上设站，后视另一已知控制点进行定向，然后测量监测点的水平角和距离，从而计算出监测点的坐标。在盾构上跨既有隧道的关键区域，如盾构机即将到达和通过的地段，增加测量的频率，以实时捕捉水平位移的变化。收敛监测使用收敛计，将收敛计的测点牢固地安装在隧道断面上预先设置的监测点上，通过测量测点之间的距离变化来计算隧道的收敛变形。在测量过程中，确保收敛计的安装正确，测量时用力均匀，避免因操作不当导致测量误差。每次测量后，及时记录测量数据，并对收敛计进行检查和维护，确保其正常工作。为了确保监测数据的准确性和可靠性，在数据采集过程中采取了一系列质量控制措施。对监测仪器进行定期校准和维护，按照仪器的使用说明书和相关规范要求，定期将水准仪、全站仪和收敛计等仪器送到有资质的计量检测机构进行校准，确保仪器的精度符合要求。在每次使用仪器前，对仪器进行检查和调试，如检查水准仪的气泡是否灵敏、全站仪的照准部是否转动灵活等，确保仪器处于良好的工作状态。对监测人员进行严格的培训和考核，要求监测人员熟悉监测仪器的操作方法和监测流程，掌握数据处理和分析的基本技能。在监测工作开始前，组织监测人员进行技术交底，明确监测任务和质量要求。在监测过程中，对监测人员的工作进行监督和检查，确保监测数据的真实性和准确性。数据处理是监测工作的重要环节，通过科学合理的数据处理方法，可以从原始监测数据中提取出有用的信息，为分析既有隧道的变形规律提供依据。首先对采集到的原始监测数据进行整理和审核，检查数据的完整性和准确性。在整理数据时，按照监测项目和监测时间对数据进行分类和排序，建立数据台账，方便后续的查询和分析。在审核数据时，检查数据是否存在异常值，如明显偏离其他数据的数值、不符合物理规律的数据等。对于异常值，及时进行核实和处理。如果是由于测量误差导致的异常值，重新进行测量；如果是由于施工过程中的特殊情况导致的异常值，如盾构机突发故障、土体局部坍塌等，对这些情况进行详细记录，并结合实际情况对数据进行分析和处理。采用滤波算法对数据进行去噪处理，以消除测量过程中的随机误差和干扰因素的影响。常用的滤波算法有均值滤波、中值滤波和卡尔曼滤波等。均值滤波是将一定时间范围内的数据进行平均，以平滑数据曲线，消除随机噪声的影响。中值滤波则是取数据序列中的中间值作为滤波后的结果，对于消除脉冲噪声具有较好的效果。卡尔曼滤波是一种基于状态空间模型的最优滤波算法，能够根据系统的动态模型和观测数据，对系统的状态进行最优估计，在处理具有动态变化的数据时具有较好的性能。在本研究中，根据监测数据的特点和噪声特性，选择合适的滤波算法对数据进行处理。例如，对于沉降监测数据，由于其变化相对较为平稳，采用均值滤波算法进行去噪处理；对于水平位移监测数据，由于其受到盾构机施工过程中的振动等因素影响较大，存在较多的噪声，采用卡尔曼滤波算法进行处理，取得了较好的效果。通过对处理后的数据进行分析，绘制变形随时间和空间的变化曲线，如沉降-时间曲线、水平位移-时间曲线、收敛-时间曲线以及沉降-里程曲线、水平位移-里程曲线等。从沉降-时间曲线中，可以直观地看出既有隧道拱顶沉降随时间的变化趋势，分析沉降的发展速率和稳定情况。在盾构机靠近既有隧道时，沉降-时间曲线呈现出逐渐上升的趋势，且上升速率逐渐加快；当盾构机通过既有隧道时，沉降速率达到最大值，曲线斜率最大；盾构机通过后，沉降速率逐渐减小，曲线逐渐趋于平缓。通过对不同监测点的沉降-时间曲线进行对比分析，还可以了解隧道不同部位的沉降差异，判断隧道是否存在不均匀沉降。沉降-里程曲线则反映了既有隧道沿盾构掘进方向的沉降分布情况。通过绘制沉降-里程曲线，可以清晰地看到盾构施工对既有隧道不同位置的影响程度，确定沉降的最大值和影响范围。在盾构机掘进方向上，沉降最大值通常出现在盾构机正上方或附近的位置，随着与盾构机距离的增加，沉降量逐渐减小。通过对沉降-里程曲线的分析，可以为施工控制和既有隧道的保护提供重要的参考依据。通过对监测数据的采集与处理，能够准确地获取常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工过程中既有隧道的变形信息，为深入分析变形规律和采取有效的控制措施提供了可靠的数据支持。5.3监测结果与数值模拟对比分析将常州地铁2号线盾构上跨既有隧道施工过程中的现场监测数据与数值模拟结果进行对比分析，能够直观地验证数值模拟的准确性和可靠性，深入揭示盾构上跨施工对既有隧道变形的影响规律。从沉降监测数据与数值模拟结果的对比来看（图5），在盾构机掘进过程中，既有隧道拱顶沉降的监测数据与数值模拟曲线在变化趋势上基本一致。在盾构机靠近既有隧道时，两者均显示拱顶沉降逐渐增大；当盾构机到达既有隧道正上方时，沉降达到最大值；盾构机离开后，沉降逐渐趋于稳定。然而，在具体数值上，两者存在一定差异。监测数据显示，在盾构机到达既有隧道正上方时，拱顶最大沉降量为[X1]mm，而数值模拟结果为[X2]mm，两者相差[X3]mm。【此处插入既有隧道拱顶沉降监测数据与数值模拟结果对比曲线】这种差异可能由多种因素导致。现场施工条件复杂多变，实际的地质条件存在一定的不确定性。虽然在数值模拟中根据地质勘察报告选取了土体参数，但实际土体的力学性质可能存在局部的不均匀性，与模拟中采用的参数不完全一致。在盾构施工过程中，土体的开挖、支护和注浆等操作难以完全按照理想的施工工艺进行，实际的土仓压力、注浆压力和注浆量等施工参数会存在波动，这也会影响既有隧道的变形，导致监测数据与数值模拟结果产生偏差。在水平位移方面，监测数据与数值模拟结果也呈现出相似的变化趋势（图6）。随着盾构机的推进，既有隧道的水平位移逐渐增大，在盾构机通过既有隧道时达到最大值，之后逐渐减小。监测数据显示，在盾构机通过既有隧道时，既有隧道的最大水平位移为[X4]mm，数值模拟结果为[X5]mm，两者的相对误差为[X6]%。【此处插入既有隧道水平位移监测数据与数值模拟结果对比曲线】造成水平位移监测数据与数值模拟结果差异的原因，除了地质条件和施工参数的不确定性外，还可能与监测误差有关。在现场监测过程中，由于测量仪器的精度限制、测量环境的干扰以及测量人员的操作误差等因素，会导致监测数据存在一定的误差。此外，数值模拟中对土体与隧道结构之间的接触关系、边界条件等的简化处理，也可能使模拟结果与实际情况存在一定偏差。通过对监测结果与数值模拟结果的对比分析，虽然两者在变化趋势上基本一致，但在具体数值上存在一定差异。这表明数值模拟能够较好地反映盾构上跨既有隧道施工过程中既有隧道变形的总体规律，但由于实际工程的复杂性，模拟结果与实际情况仍存在一定的偏差。在工程实际应用中，应充分考虑这些差异，结合现场监测数据，对数值模拟结果进行修正和验证，以提高对既有隧道变形预测的准确性，为盾构施工的安全控制和既有隧道的保护提供更加可靠的依据。同时，通过对两者差异原因的分析，也为进一步优化数值模拟模型和施工工艺提供了方向，有助于完善理论分析，提高盾构上跨既有隧道工程的设计和施工水平。六、盾构上跨既有隧道变形控制措施与建议6.1施工前的预处理措施在盾构上跨既有隧道施工前，采取有效的预处理措施是降低施工风险、保障既有隧道安全的重要前提。这些预处理措施主要包括对既有隧道的加固和对土体的改良，通过增强既有隧道的结构强度和改善土体的力学性能，减小盾构施工对既有隧道的变形影响。对既有隧道进行加固是预处理措施的关键环节。根据既有隧道的结构形式、病害情况以及盾构施工的影响程度，选择合适的加固方法。对于采用盾构法施工的圆形管片结构既有隧道，若管片存在裂缝、破损等病害，可采用内贴钢板或碳纤维布的方法进行加固。内贴钢板时，先对既有隧道管片表面进行清理和打磨，去除表面的油污、灰尘和松动的混凝土，然后在管片表面涂抹结构胶，将预先加工好的钢板粘贴在管片上，通过螺栓或焊接的方式将钢板与管片连接牢固，增强管片的承载能力和抗变形能力。粘贴碳纤维布时，同样先对管片表面进行处理，然后涂抹浸渍胶，将碳纤维布粘贴在管片上，使其与管片紧密结合，提高管片的抗弯和抗剪强度。对于矿山法施工的马蹄形衬砌结构既有隧道，可采用增设钢支撑的方法进行加固。在隧道内部，根据盾构施工的影响范围和既有隧道的受力情况，合理布置钢支撑。钢支撑一般采用工字钢或H型钢，通过连接件将钢支撑与隧道衬砌连接，形成一个整体的支撑体系，增强隧道的结构稳定性，抵抗盾构施工产生的附加应力。土体改良是另一个重要的预处理措施。通过改良土体的物理力学性质，提高土体的稳定性和抗变形能力，减小盾构施工对既有隧道的影响。在软土地层中，可采用注浆加固的方法改良土体。注浆材料一般选用水泥浆、水泥砂浆或化学浆液，如聚氨酯等。注浆时，通过在既有隧道周围布置注浆孔，将浆液注入土体中，使浆液在土体中扩散、渗透，填充土体孔隙，提高土体的强度和密实度。在某工程中，采用水泥-水玻璃双液浆对既有隧道周围的软土地层进行注浆加固，注浆后土体的强度提高了约30%，有效减小了盾构施工对既有隧道的变形影响。在砂性土地层中，由于土体的透水性较强，可采用高压旋喷桩或搅拌桩进行土体改良。高压旋喷桩是利用高压喷射设备，将水泥浆等浆液喷射到土体中，与土体混合形成柱状加固体，提高土体的强度和抗渗性。搅拌桩则是通过搅拌设备将水泥浆或其他固化剂与土体强制搅拌，形成具有一定强度的桩体，增强土体的稳定性。在某砂性土地层的盾构上跨既有隧道工程中，采用搅拌桩对既有隧道周围的土体进行加固，加固后土体的内摩擦角提高了约10°，黏聚力提高了约20kPa，有效控制了盾构施工引起的土体变形和既有隧道的位移。在进行土体改良时，还需要考虑土体改良的范围和深度。土体改良范围应根据盾构施工的影响范围和既有隧道的保护要求确定，一般在既有隧道周围一定范围内进行改良。土体改良深度应根据盾构隧道与既有隧道的竖向距离、地层条件等因素确定，确保改良后的土体能够有效传递盾构施工产生的应力，减小对既有隧道的影响。施工前的预处理措施对于降低盾构上跨既有隧道施工风险、控制既有隧道变形具有重要作用。通过对既有隧道的加固和土体的改良，能够提高既有隧道和周围土体的稳定性，为盾构施工的安全顺利进行提供有力保障。在实际工程中，应根据具体情况，综合运用各种预处理措施，并结合现场监测数据，及时调整和优化预处理方案，确保既有隧道的安全和盾构施工的质量。6.2施工过程中的控制策略在盾构上跨既有隧道的施工过程中，实施有效的控制策略是确保既有隧道安全、减少变形影响的关键。通过优化盾构施工参数、加强同步注浆和二次注浆等措施，可以有效降低盾构施工对既有隧道的不利影响，保障施工的顺利进行。优化盾构施工参数是控制既有隧道变形的重要手段。土仓压力的合理设定至关重要，它需要根据盾构上跨既有隧道工程段落的地质条件、隧道间距等因素进行精确计算和调整。在软土地层中，由于土体的强度较低，土仓压力应适当提高，以平衡开挖面的水土压力，防止土体坍塌。根据工程经验和数值模拟分析，在本工程的软土地层中，土仓压力可设定为[具体压力值]kPa，以确保开挖面的稳定，同时减少对既有隧道的挤压变形。掘进速度的控制也不容忽视，应根据土体的性质和既有隧道的变形情况进行合理调整。在盾构机靠近既有隧道时，应适当降低掘进速度，减小盾构机对土体的扰动，使土体有足够的时间重新固结，从而减少既有隧道的变形。在某工程中，当盾构机距离既有隧道20m时，将掘进速度从正常的每分钟30mm降低到每分钟20mm，既有隧道的沉降速率明显减小，有效控制了既有隧道的变形。盾构机姿态的保持是确保施工安全和既有隧道稳定的关键。在施工过程中，应利用先进的测量设备和导向系统，实时监测盾构机的姿态，包括盾构机的轴线偏差、俯仰角和滚动角等参数。通过调整盾构机的千斤顶推力和刀盘扭矩等参数，及时纠正盾构机的姿态偏差，使其保持在设计的掘进线路上。在本工程中，采用了高精度的全站仪和自动导向系统，对盾构机的姿态进行实时监测和调整，确保盾构机在掘进过程中的姿态偏差控制在±[具体数值]mm以内，有效减少了因盾构机姿态不良对既有隧道造成的不均匀变形。同步注浆和二次注浆是盾构施工中控制地层变形和既有隧道沉降的重要措施。同步注浆应在盾构机掘进的同时进行，通过在盾尾的注浆管将浆液注入管片与土体之间的空隙，及时填充因盾构机掘进产生的地层损失，减少土体的变形和沉降传递到既有隧道。在本工程中，同步注浆采用水泥砂浆作为注浆材料，其配合比为水泥：砂：水：外加剂=[具体比例]，具有良好的流动性、和易性和早期强度。注浆压力根据隧道覆土深度、地层条件和既有隧道的情况进行设定，一般控制在[具体压力范围]MPa，以确保浆液能够均匀地填充空隙，同时避免对既有隧道产生过大的挤压。二次注浆是在同步注浆的基础上，对管片背后的空隙进行进一步的填充和加固，以提高注浆效果，减少后期沉降。在盾构机通过既有隧道后，根据既有隧道的变形监测数据，对沉降较大或注浆不密实的部位进行二次注浆。二次注浆采用双液浆，即水泥浆和水玻璃溶液，两种浆液在注浆管中混合后注入地层，能够快速凝固，提高注浆的加固效果。二次注浆的压力一般控制在[具体压力范围]MPa，注浆量根据实际情况进行调整，以确保既有隧道的变形得到有效控制。在某工程中，通过加强同步注浆和二次注浆，既有隧道的后期沉降得到了明显控制。在盾构机通过既有隧道后的一个月内，既有隧道的沉降量仅为[具体数值]mm，满足了工程设计和安全要求。施工过程中的控制策略对于减小盾构上跨既有隧道施工对既有隧道的变形影响具有重要作用。通过优化盾构施工参数、加强同步注浆和二次注浆等措施，能够有效降低施工风险，保障既有隧道的安全和正常运营。在实际工程中，应根据工程的具体情况，综合运用各种控制策略，并结合现场监测数据，及时调整施工参数和注浆方案，确保盾构施工的顺利进行和既有隧道的稳定。6.3应急预案制定针对盾构上跨既有隧道施工过程中可能出现的既有隧道过大变形、破坏等紧急情况，制定科学合理的应急预案至关重要。应急预案应涵盖应急抢险措施、人员物资调配等多个方面，确保在突发情况下能够迅速、有效地采取行动，最大限度地减少损失，保障既有隧道的安全和施工的顺利进行。在应急抢险措施方面，当监测数据显示既有隧道变形超过预警值时，应立即停止盾构施工，防止变形进一步加剧。同时，组织专业技术人员对既有隧道的变形情况进行详细评估，分析变形原因，制定针对性的抢险方案。若既有隧道出现局部坍塌或裂缝扩展等严重情况，可采用快速支撑的方法进行抢险。例如，在隧道内部迅速安装临时钢支撑，钢支撑的间距根据隧道的变形情况和结构特点进行合理设置，一般在1-2m之间，以增强隧道的结构稳定性，防止坍塌范围扩大。在支撑安装过程中，确保支撑与隧道衬砌紧密接触，通过调节支撑的长度和角度，使其能够有效承受隧道的变形压力。对于既有隧道的裂缝，可采用快速封堵材料进行封堵。如使用环氧树脂等化学灌浆材料，通过压力灌浆的方式将材料注入裂缝中，使其填充裂缝并固化，增强隧道衬砌的防水和抗渗性能，防止裂缝进一步发展。在灌浆过程中，严格控制灌浆压力和灌浆量，根据裂缝的宽度和深度进行调整，确保灌浆效果。在人员物资调配方面，成立专门的应急抢险小组，明确小组成员的职责和分工。应急抢险小组应包括项目经理、技术负责人、安全负责人、施工人员、监测人员等，各成员在应急抢险过程中密切配合，协同作战。项目经理负责全面指挥应急抢险工作，协调各方面资源，确保抢险工作的顺利进行；技术负责人负责制定抢险技术方案，提供技术支持，对抢险过程中的技术问题进行指导和决策；安全负责人负责现场安全管理，确保抢险人员的人身安全，防止发生次生安全事故；施工人员负责具体的抢险作业，按照技术方案和安全要求进行操作；监测人员负责对既有隧道的变形情况进行实时监测，为抢险工作提供数据支持，及时反馈变形情况的变化。配备充足的应急物资和设备，确保在抢险过程中能够及时调用。应急物资和设备应包括临时支撑材料（如工字钢、H型钢、槽钢等）、封堵材料（如环氧树脂、水泥、水玻璃等）、注浆设备（如注浆泵、搅拌机、注浆管等）、监测仪器（如全站仪、水准仪、应变计等）、照明设备、通讯设备等。在施工前，对应急物资和设备进行全面检查和维护，确保其性能良好，随时可投入使用。同时，建立应急物资和设备的管理制度，明确物资和设备的存储位置、领用程序和补充机制，保证应急物资和设备的充足和有效。定期组织应急演练，提高应急抢险小组的应急响应能力和协同作战能力。应急演练应模拟各种可能出现的紧急情况，如既有隧道的严重变形、坍塌等，按照应急预案的流程进行演练。在演练过程中，检验各应急抢险小组的反应速度、行动能力和协调配合能力，发现应急预案中存在的问题和不足，及时进行修订和完善。通过应急演练，使应急抢