近距離上穿既有地鐵施工機(jī)理與變形控制研究

夏國政，高雪艷，王福臨

(1.煙威高速公路管理處，山東 煙臺 264003；2. 魯東大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺 264025)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的城市軌道交通正在如火如荼地建設(shè)中，地鐵在城市軌道交通中扮演了越來越重要的角色[1-4]。在地鐵施工中，受制于地形和周圍環(huán)境，地鐵施工不可避免的會對周圍既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定的影響，這其中新建地鐵上穿既有地鐵施工也愈發(fā)常見，新建地鐵施工會對既有地鐵的運(yùn)營產(chǎn)生一定的影響，在設(shè)計(jì)和施工中必須引起足夠的重視[5-7]。本次地鐵上穿施工埋深較淺，不僅會對既有隧道產(chǎn)生影響，也會對地表產(chǎn)生較大影響。Peck通過處理大量現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隧道開挖造成的地表沉降曲線符合正態(tài)分布[8-10]，地表沉降形狀如圖1所示，他認(rèn)為沉降是由于地層體積損失造成的，同時基于土體不排水、體積不可壓縮的假設(shè)條件，推導(dǎo)出了隧道施工引起的地表沉降公式：

(1)

其中：

(2)

圖1 地表沉降

式中，S(x)為隧道開挖引起的地表沉降量；Vloss為隧道單位長度的土體體積損失率[11]；i為地表沉降曲線的拐點(diǎn)，也即為沉降槽寬度系數(shù)。Peck給出了Vloss和i的計(jì)算公式分別為：

Vloss=πR2η

(3)

(4)

國內(nèi)外學(xué)者對于隧道近接施工問題開展了大量的研究，Hasan等[12]針對伊斯坦布爾某過江隧道項(xiàng)目的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工工程，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段，重點(diǎn)介紹了通過近接施工造成的影響。Wan等[13]基于北京地鐵7號線下穿既有北京地鐵10號線雙井站的施工工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了下穿開挖對既有地鐵主體結(jié)構(gòu)上的變形和力，得出了下穿施工的優(yōu)化方案。陳瑜嘉等[14]依托青島地鐵隧道近距離下穿某高層建筑工程，采用三維數(shù)值模擬方法分析了不同埋深對隧道破壞的影響。石曉燕等[15]基于深圳某基坑降水工程，采用有限元軟件PLAXIS，探討了基坑開挖后工程樁降水對臨近雙向水平隧道的應(yīng)力及變形的影響。

本文對某新建地鐵隧道上穿既有隧道施工工程采用FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性，研究了上穿施工過程對既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變影響，進(jìn)而提出了典型工況下的變形控制措施。

1 工程概況

某新建地鐵施工多次下穿和上穿地鐵隧道，沿線多處重大風(fēng)險(xiǎn)源。既有地鐵隧道采用盾構(gòu)法開挖建造，其外徑為7.0 m，厚度為0.3 m。新建地鐵隧道亦采用盾構(gòu)法施工，尺寸與既有隧道相同，新建隧道的覆土厚度為5 m，同時新舊平行隧道的凈距僅為3 m，現(xiàn)場勘測得到的地質(zhì)狀況如圖2所示。

圖2 隧道地質(zhì)狀況

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，本次數(shù)值模擬采用三維模型來計(jì)算，隧道的尺寸同現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，考慮到邊界效應(yīng)，模型長72 m、寬62 m、高68 m，地層自上而下的土質(zhì)分別為：素填土、砂巖、中風(fēng)化花崗巖，模型及地層分層情況如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

具體數(shù)值計(jì)算分析方法如下：

(1) 邊界條件：模型圍巖體頂部為自由面，其余面豎直方向位移約束。

(2) 開挖方法：先開挖既有隧道，既有隧道施工完成后，再開挖新建隧道，單次開挖長度為2 m，隧道初期支護(hù)采用C25混凝土，二襯采用C30混凝土，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬。

2.3 材料參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘探的結(jié)果和以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，本次模擬的土體參數(shù)的選取情況如表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

2.4 數(shù)值計(jì)算可靠性分析

將對隧道拱頂下沉進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，具體監(jiān)測必測項(xiàng)目及監(jiān)測頻率見表2，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

表2 新建隧道拱頂監(jiān)測

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置

選取新建隧道拱頂沉降量的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證本次數(shù)值計(jì)算的可靠性，如圖5所示。從圖5中可以看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的變化趨勢相似，在開挖初始，由于距離監(jiān)測斷面較遠(yuǎn)，擾動很小，產(chǎn)生的拱頂沉降很小且變化平緩，當(dāng)開挖到監(jiān)測斷面附近時，拱頂沉降值驟增，而后隨著開挖掌子面的遠(yuǎn)離，拱頂沉降變化趨于平穩(wěn)并取得最大值，數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實(shí)測值的最大誤差僅為17.53%，在巖土工程數(shù)值模擬計(jì)算的誤差允許范圍內(nèi)，所以本文采用的數(shù)值模擬計(jì)算方法比較接近實(shí)際工程，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果具有一定的可靠度。

圖5 新建隧道拱頂沉降隨施工步變化曲線

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

圖6展示了新建隧道上穿既有隧道造成的既有隧道變形云圖，從圖6中可以看出，上穿施工使得既有隧道會產(chǎn)生隆起，且拱頂隆起量大于拱底隆起量，這是由于既有隧道的拱頂距離新建隧道比拱底距離新建隧道更近，拱頂隆起量為1.34 mm。圖7闡釋了既有隧道拱頂變形隨著新建隧道開挖過程的變化，由圖7可知，在開挖到所在的埋設(shè)里程附近時，即距離既有隧道監(jiān)測斷面為-16 m(-2.5D，D為新建隧道的外徑,下同)時，既有隧道拱頂隆起變化曲線急劇上升，隆起量急劇增加，當(dāng)新建隧道開挖掌子面距離既有隧道監(jiān)測斷面為16 m(2.5D)時，既有隧道隆起量變化趨于平穩(wěn)，而后隨著隧道掌子開挖面逐漸遠(yuǎn)離埋設(shè)里程的監(jiān)測斷面，隆起曲線的變化逐漸平緩直至穩(wěn)定，從-16 m到16 m這段施工產(chǎn)生的變形占到了總變形的79.1%。

圖6 既有隧道變形云圖

圖7 既有隧道拱頂隆起隨新建隧道施工步變化曲線

3.2 應(yīng)力分析

圖8為既有隧道襯砌的正應(yīng)力云圖，由圖8可知，新建隧道上穿施工引起的既有隧道正應(yīng)力變化量主要集中在既有隧道襯砌拱底兩側(cè)，范圍約為-45°～45°，圖9為既有隧道襯砌的正應(yīng)力隨著新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖9可知，既有隧道外襯和內(nèi)襯的拱底正應(yīng)力均大于拱頂正應(yīng)力，既有隧道襯砌拱頂和拱底的正應(yīng)力變化曲線均是先平穩(wěn)變化，當(dāng)開挖掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面時，曲線急劇變化，而后隨著開挖掌子面的遠(yuǎn)離，曲線變化趨于平穩(wěn)，既有隧道襯砌的正應(yīng)力最大值在允許范圍內(nèi)，不會造成受拉或受壓破壞。

圖8 既有隧道正應(yīng)力云圖

圖9 既有隧道主應(yīng)力隨新建隧道施工步變化曲線

3.3 受力分析

圖10為既有隧道拱頂和拱底軸力隨新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖10可知，對于新建隧道上穿施工引起的既有隧道軸力變化，拱底變化量要遠(yuǎn)大于拱頂變化量，既有隧道拱底變化量隨著新建隧道的開挖逐漸增大，而既有隧道拱底變化量隨著新建隧道的開挖逐漸減小，圖11為既有隧道拱頂和拱底彎矩隨新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖11可知，既有隧道拱頂和拱底彎矩和軸力隨著新建隧道的開挖逐漸減小，既有隧道襯砌拱頂和拱底的內(nèi)力變化曲線均是先平穩(wěn)變化，當(dāng)開挖掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面時，曲線急劇變化，而后隨著開挖掌子面的遠(yuǎn)離，曲線變化趨于平穩(wěn)，既有隧道襯砌的軸力和彎矩最大值均在允許范圍內(nèi)。

圖10 既有隧道軸力隨新建隧道施工步變化曲線

3.4 變形控制對策

(1) 加強(qiáng)監(jiān)控測量。主要監(jiān)控參數(shù)包括：既有隧道拱頂變形、拱底變形、水平收斂、軸力、彎矩等內(nèi)容，監(jiān)測項(xiàng)目如表3所示。

圖11 既有隧道彎矩隨新建隧道施工步變化曲線

表3 新建隧道監(jiān)測項(xiàng)目

(2) 合理優(yōu)化新建隧道初支。通過數(shù)值模擬分析可以看出，新建隧道開挖后會造成既有隧道近側(cè)的變形，產(chǎn)生一定的擾動。可以適當(dāng)提高初支的厚度，減少對既有隧道的擾動。

(3) 調(diào)整開挖方法。盾構(gòu)施工會對掌子面產(chǎn)生一定的壓力和振動，進(jìn)而影響圍巖和既有結(jié)構(gòu)，而上下臺階法開挖產(chǎn)生的影響則較小，所以在現(xiàn)場施工中，應(yīng)根據(jù)典型地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，適當(dāng)選取或調(diào)整開挖方法。

(4) 預(yù)注漿加固。在新建隧道開挖前可對既有隧道附近圍巖進(jìn)行預(yù)注漿加固，通過改變注漿壓力、延長注漿時間等手段使得加固后圍巖剛度得到進(jìn)一步提升，從而可有效減小擾動。

4 結(jié) 論

(1) 上穿施工對既有隧道的變形影響范圍主要集中在-2.5D～2.5D(D為新建隧道的外徑)范圍內(nèi)，這部分的變形量占到了總變形量的79.1%。

(2) 新建隧道上穿施工引起的既有隧道正應(yīng)力變化量主要集中在既有隧道襯砌拱底兩側(cè)，范圍約為-45°～45°，拱底正應(yīng)力要大于拱頂正應(yīng)力，既有隧道外襯的正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，既有隧道內(nèi)襯的正應(yīng)力均為拉應(yīng)力。

(3) 新建隧道上穿施工引起的既有隧道拱底軸力變化量要遠(yuǎn)大于拱頂軸力變化量，既有隧道拱底軸力變化量隨著新建隧道的開挖逐漸增大，而既有隧道拱底軸力變化量隨著新建隧道的開挖逐漸減小。

(4) 在新建隧道開挖前可對既有隧道附近圍巖進(jìn)行預(yù)注漿加固，通過改變注漿壓力、延長注漿時間等手段使得加固后圍巖剛度得到進(jìn)一步提升，從而可有效減小擾動。