隧道上跨既有地鐵隧道影響分析

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摘要:某市新建地鐵4號(hào)線工程隧道上跨既有地鐵3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道，兩者結(jié)構(gòu)豎向最小凈距為1．42m，土體較薄，地質(zhì)較弱。新建地鐵隧道在施工過(guò)程中不能影響下方地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全和正常營(yíng)運(yùn)，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。經(jīng)過(guò)理論分析和模擬計(jì)算，通過(guò)采用地面壓載、控制頂進(jìn)推力、洞內(nèi)注漿等措施，盡量減弱兩者間的相互影響，從而有效保證了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及地鐵運(yùn)營(yíng)列車的安全。

關(guān)鍵詞:上跨，最小凈距，結(jié)構(gòu)安全，地面壓載，頂進(jìn)推力

引言

上跨既有隧道施工會(huì)給周圍地層的位移場(chǎng)和附加應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，使下方既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的豎向變形和附加內(nèi)力，從而影響既有地鐵隧道的安全性及正常使用功能。雖然臨近既有隧道施工的工程越來(lái)越多，也產(chǎn)生了相應(yīng)的一些理論研究和成功工程案例［1-7］，但由于各地區(qū)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境不同且隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性，既有工程成功經(jīng)驗(yàn)可以作為借鑒參考，卻不能復(fù)制套用。本文以某市新建地鐵4號(hào)線工程隧道上跨既有地鐵3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道作為背景，通過(guò)理論解析和數(shù)值分析等方法對(duì)新建隧道上跨既有隧道施工過(guò)程中，由于開(kāi)挖卸荷引起的既有隧道變形進(jìn)行分析，并結(jié)合既有隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上跨施工合理控制措施進(jìn)行了優(yōu)化，將研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程中，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1工程概況

某市地鐵4號(hào)線區(qū)間為雙單線隧道，盾構(gòu)區(qū)間上穿既有3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)，上跨范圍為右DK25+873．77～右DK25+895．15。隧道底部距離3號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向凈距約1．42m，區(qū)間覆土厚度約4．82m，3號(hào)線采用盾構(gòu)法施工，線間距15m，區(qū)間結(jié)構(gòu)外徑6．2m，內(nèi)徑5．5m，管片厚度350mm(見(jiàn)圖1，圖2)。該范圍主要土層為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂(見(jiàn)表1)。

2有限元數(shù)值模擬數(shù)值模擬計(jì)算采用

MIDAS-GTS有限元軟件。以實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，分別建立新建及既有雙線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的模型。

2．1建模模型

采用有限單元法，材料本構(gòu)關(guān)系及土層單元選取:各個(gè)土層均采用彈塑性的三維實(shí)體單元，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;隧道結(jié)構(gòu)管片采用混凝土彈性單元模型，車站采用混凝土板單元模擬。模型尺寸:100m(沿新建4號(hào)線方向)×50m(沿既有3號(hào)線方向)×50m(高度)。水平與豎直方向邊界條件均為位移約束。模型劃分為四面體網(wǎng)格。結(jié)合新建盾構(gòu)隧道施工的全過(guò)程實(shí)際情況，在自重應(yīng)力場(chǎng)下逐步開(kāi)挖。邊界條件為:模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制豎直位移，上面為地表，取為自由邊界。四周為法向約束，頂面為自由面，底面為垂向約束;荷載主要考慮土體自重及地面壓載。計(jì)算中作如下假定:1)計(jì)算中將初始應(yīng)力場(chǎng)假定為自重應(yīng)力場(chǎng)，并將土層視作彈塑性連續(xù)體，在施工中連續(xù)變形。2)施工新建隧道的掌子面頂推力，除了平衡前方土水壓力、殼體外壁水平摩阻力以外，還提供盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)推力，在計(jì)算中忽略摩阻力并保持頂推力恒定。

2．2盾構(gòu)模擬開(kāi)挖

盾構(gòu)管片周邊土體二次注漿加固的模擬通過(guò)等效材料參數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。盾構(gòu)機(jī)自重約330t，作用在隧道下方半圓的范圍內(nèi)，縱向作用長(zhǎng)度9m，盾構(gòu)掌子面根據(jù)土壓平衡施加面壓力考慮，盾構(gòu)推力在1300t～1800t之間，施工過(guò)程同步注漿取值20kPa。地面壓載按照滿足1倍隧道直徑的覆土高度(6．2m－4．7m=1．5m)取30kPa，作用在開(kāi)挖斷面前后各10m范圍。模型施工過(guò)程的計(jì)算為138步(見(jiàn)圖3)。具體施工步驟:左線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺每步1．5m→施作管片、注漿→左線隧道施工完成，進(jìn)行右線隧道施工→右線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖→施作管片、隧道注漿→整個(gè)隧道施工完成。先右線后左線的方案反之(見(jiàn)表2)。

3有限元模擬結(jié)果

4號(hào)線施工產(chǎn)生的最大地層豎向位移點(diǎn)位于后開(kāi)挖的右線隧道上方，4號(hào)線雙線隧道開(kāi)挖完成后，地面產(chǎn)生“W”形沉降槽(見(jiàn)圖4)。在3號(hào)線區(qū)間隧道上部選擇6個(gè)豎向變形觀測(cè)點(diǎn)，分析4號(hào)線施工對(duì)3號(hào)線造成的影響，由測(cè)量結(jié)果可知，由于壓載作用和新建隧道的盾構(gòu)機(jī)前部自重大于其開(kāi)挖土的重量，在盾構(gòu)刀盤等通過(guò)既有隧道上方時(shí)，會(huì)使3號(hào)線隧道略微下沉，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)以后，由于卸荷效應(yīng)，既有隧道產(chǎn)生隆起，隨著4號(hào)線施工產(chǎn)生卸載，3號(hào)線區(qū)間隧道上浮，在4號(hào)線施工斷面離開(kāi)節(jié)點(diǎn)位置后，觀測(cè)點(diǎn)豎向變形趨于穩(wěn)定(見(jiàn)圖5)。6個(gè)工況中既有3號(hào)線區(qū)間隧道豎向、水平方向(沿4號(hào)線方向)的變形(見(jiàn)圖6，圖7)。4號(hào)線施工對(duì)既有3號(hào)線隧道產(chǎn)生最大豎向變形位于上跨位置，上浮約7．1mm;4號(hào)線施工對(duì)既有3號(hào)線隧道產(chǎn)生最大水平橫向變形位于上跨位置，變形約8．1mm。先施工的區(qū)域，在第一次盾構(gòu)施工的過(guò)程中發(fā)生一次變形，而后的另一條隧道盾構(gòu)穿過(guò)也會(huì)產(chǎn)生較大的附加變形。在同樣的頂進(jìn)推力情況下，4號(hào)線盾構(gòu)隧道按先左線后右線施工順序的工況4～工況6，對(duì)既有3號(hào)線隧道的影響比4號(hào)線盾構(gòu)隧道先右線后左線施工的工況1～工況3更小。數(shù)值模擬中由于4號(hào)線盾構(gòu)隧道施工，產(chǎn)生的3號(hào)線區(qū)間與3號(hào)線和平路站端墻的位移差較小，均在1mm以內(nèi)，可見(jiàn)3號(hào)線區(qū)間與3號(hào)線和平路站端墻接口處并不控制計(jì)算，考慮到區(qū)間與車站剛度差異明顯，建議在施工中加強(qiáng)接口處和變形縫環(huán)監(jiān)控量測(cè)，若測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果差異較大，則應(yīng)采取加強(qiáng)管片的措施。隨著頂進(jìn)推力減小，既有3號(hào)線區(qū)間隧道的變形減小，采用1800t頂進(jìn)推力的兩組計(jì)算，最大豎向變形均大于7mm;采用1500t頂進(jìn)推力的兩組計(jì)算，最大豎向變形約為6．5mm;采用1300t頂進(jìn)推力的兩組計(jì)算，最大豎向變形約為3．5mm。

4盾構(gòu)上跨施工控制措施

4．1多孔多次注漿

在區(qū)間穿越處采用多孔多次注漿，多孔多次注漿在二次注漿后進(jìn)行，注漿范圍根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源位置確定。擬采用雙液漿(水泥—水玻璃)，1d強(qiáng)度不小于0．3MPa，28d強(qiáng)度不小于3．0MPa。初凝時(shí)間:正常情況下初凝時(shí)間不大于40s，特殊情況下可根據(jù)地層條件和掘進(jìn)速度調(diào)整。注漿順序:在加固范圍內(nèi)由中間向兩側(cè)對(duì)稱注漿，在加固范圍內(nèi)按照編號(hào)1—2—3—4—5—6—7的順序注漿，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整為多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，注漿完畢后封閉注漿孔。注漿壓力:多孔注漿壓力不應(yīng)大于0．7MPa。注漿量:單孔0．2m3～0．3m3，需根據(jù)所處地層情況和注漿記錄，評(píng)估注漿效果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況確定注漿的次數(shù)。

4．24號(hào)線隧道內(nèi)部壓重

在施工中的4號(hào)線隧道內(nèi)采用鐵塊進(jìn)行壓重，壓重范圍為穿越3號(hào)線前5環(huán)開(kāi)始布置，直到穿越后的第5環(huán)。在堆載區(qū)使用設(shè)備將機(jī)車和車架架立，保證軌枕與隧道底距離為56cm，在軌枕以下空間堆置鋼鐵件，堆載的重量為每環(huán)4t。堆載鋼鐵件不得影響正常施工(見(jiàn)圖8)。

5結(jié)論與建議

本文針對(duì)新建地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道近距離上跨既有3號(hào)線工程，采用數(shù)值模擬的方法，分析臨近施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的變形影響及范圍，通過(guò)6個(gè)工況模擬施工過(guò)程，得到結(jié)論與建議如下:1)4號(hào)線盾構(gòu)上跨既有隧道的施工過(guò)程中，因淺覆土壓載和盾構(gòu)機(jī)自重之和，大于其開(kāi)挖土體的重量，在新建隧道盾構(gòu)刀盤通過(guò)既有線上方時(shí)，會(huì)使3號(hào)線隧道略微下沉，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)以后，由于卸荷效應(yīng)，既有隧道產(chǎn)生隆起。2)先施工的區(qū)域，在第一次盾構(gòu)施工的過(guò)程中發(fā)生一次變形，而后的另一條隧道盾構(gòu)穿過(guò)也會(huì)產(chǎn)生較大的附加變形。因此，推薦先施工遠(yuǎn)離3號(hào)線車站的4號(hào)線左線盾構(gòu)隧道，而后再施工4號(hào)線右線盾構(gòu)隧道，以減小對(duì)既有隧道及車站的影響。3)頂進(jìn)推力在一定程度上控制既有結(jié)構(gòu)變形量值，在接近和通過(guò)上跨位置的施工中應(yīng)控制頂進(jìn)推力，建議值為1300t～1500t。

參考文獻(xiàn):

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作者：黃弢 蒙蛟 楊靜靜 單位：中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司