新建地鐵隧道下穿既有隧道的結構影響分析

劉 斌

(中鐵十七局集團第六工程有限公司,福建福州 350014)

1 工程概況

某新建地鐵 4號線左線以斜交方式從地鐵 2號線下方通過,兩者之間的平面關系見圖 1,4號線右線在下穿 2號線時,4號線隧頂與 2號線隧底之間凈距為 3 m,4號線左線以19°3′的角度上穿 2號線左右線。 4號線隧道掘進時會對交叉隧道產生不利影響,有必要對下穿過程進行施工過程模擬,以保證隧道結構安全。

2 數值建模

建模過程中,混凝土管片采用殼體單元,土體三維實體單元模擬,材料參數見表 1。模型上邊界為地面,左、右、下邊界滿足與隧道凈距均大于 3D要求,綜合考慮后其長寬高分別為 90m×60m×50m。該處地層分別為素填土、卵石土、卵石土(中密)。

盾構施工是一個相當復雜的過程,包括刀盤掘削土體、盾構機推進、管片拼裝及盾尾注漿等,它們對周圍地層的影響可以采用應力釋放的方法來模擬。隧道模擬過程主要分為兩步:第一步,殺死開挖的土體單元,并對開挖輪廓線上的地層進行應力釋放,應力釋放為 30%;第二步,在保持頂進壓力不變的同時,完成剩余應力的釋放,并激活管片襯砌。隧道每開挖 4.5 m為一步,共 20個開挖步。

3 計算結果分析

3.1 對周圍地層影響

圖 2為隧道開挖后整個周邊地層的豎向位移,從圖中可以看出,4號線開挖,對周邊的地層以隆起為主,在 4號線隧道開挖面底部,具有最大的隆起,最大位移達到 2.4 cm;圖 3為 2隧道斜交處斷面處位移云圖,圖 4、圖 5分別是該斷面處上、中、下三處的位移隨開挖過程中的曲線圖,可以看出,隧道開挖過程中,2號線隧道上方和 2號線隧道下方的位移產生隆起現象,兩隧道自己的圍巖,在開挖到該斷面前隆起,開挖后產生沉降,并隨著開挖進程土體隆起。

從計算結果分析,4號線開挖,對周邊的地層影響較小,對地表的影響主要是隆起的影響,其值最大為 4 m m,在實際施工中可以根據現場情況作一些施工措施。在下穿施工通過 2號線時,可對既有 2號線隧道周邊地層作注漿加固處理,其范圍主要為 2號線和 4號線之間地層,縱向范圍前后30 m,橫向為左右 15 m。

圖 2 整體位移云圖

圖 3 中心剖面位移云圖

圖 4 2號線隧道上方位移變化曲線

圖 5 4號線隧道下方位移變化曲線

3.2 4號線開挖過程中管片內力分析

圖 6、圖 7為 4號線隧道掘進過程中其中心斷面的彎矩和軸力圖,其斷面具有最大正彎矩 53 k N·m和最大負彎矩64 k N·m;最大拉力 1.4×103k N,最大壓力 0.82×103k N;隧道管片厚度可以滿足設計要求。

圖 6 4號線中心斷面管片彎矩

圖 7 4號線中心斷面管片軸力

3.3 4號線下穿對 2號線隧道的影響

圖 8、圖 9為隧道掘進過程中位于 4號線上方交叉處 2號線隧道的斷面管片彎矩和軸力分布圖,其最大正彎矩為 30kN·m，最大負彎矩為 41kN·m,最大拉力為 130kN,最大壓力為 383kN,2號線管片同樣可以在 4號線開挖過程中滿足施工要求。

圖 8 2號線中心斷面管片彎矩

圖 9 2號線中心斷面管片軸力

4 結論和建議

在地鐵 4號線上穿和下穿地鐵 2號線的過程中,通過數值模擬,得到的結論和建議如下:

(1)地鐵 4號線下穿 2號線施工過程中,對周圍地層的影響表現地表隆起現象,其最大隆起值為 4mm;

(2)在開挖過程中,4號線管片和 2號線管片所承受的內力均可滿足其設計要求;建議在下穿施工通過 2號線時,可對既有 2號線隧道周邊地層作一些注漿加固處理,其范圍主要為 2號線和 4號線之間地層,縱向范圍前后 30m,橫向為左右 15m。

[1] 孫玉永,周順華,向科,等.近距離下穿既有隧道的盾構施工參數研究[J].中國鐵道科學,2010,31(1):54-58

[2] 張凱,賀婷.盾構近距離下穿地鐵運營隧道施工技術[J].隧道建設,2008,28(4):483-488