暗挖隧道近接上穿地鐵盾構隧道的施工模擬

陳敬軍，王海祥

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

近年來隨著我國對地下空間利用的認識逐步提高，地下工程建設正步入迅猛發(fā)展階段。大量近接工程頻繁出現(xiàn)，常常會遇到新建工程位于已建成(運行)地鐵區(qū)間隧道之上這一新問題[1]。上跨于既有地鐵區(qū)間隧道的地下工程，由于開挖會引起地鐵隧道上方土體的卸載回彈，從而引起隧道結構的上抬變形。如何準確預測和治理既有隧道上抬變形成為急需解決的問題。本文以北京CBD銀泰至航華地下過街通道近接上穿地鐵10號線為例，對暗挖地下通道施工進行三維數(shù)值模擬，預測地鐵隧道的變形情況，評估采用二重管無收縮WSS工法加固既有地鐵盾構隧道洞周土體方案的可行性。

1 工程概況

北京CBD銀泰至航華地下過街通道(以下簡稱CBD通道)位于東三環(huán)路國貿立交橋南段路口下方。整個通道由西集散廳、跨三環(huán)主通道、與10號線國貿站連接的輔通道及三個地面出入口、兩個緊急疏散通道構成[2]。

CBD主通道自西向東依次上穿地鐵10號線國貿站—雙井站區(qū)間左、右線盾構隧道，兩者最小豎向間距僅為2.17 m，主通道最小埋深7.4 m。輔通道和施工橫通道大致與10號線左線隧道平行，位置關系見圖1。

CBD通道穿越地層主要為粉質黏土和卵石層，上部土層有人工填土、粉土、粉細砂層等，分布較為均勻。10號線國貿站—雙井站區(qū)間隧道穿越地層主要為粉質黏土和粉土[3]。

國貿站—雙井站區(qū)間盾構隧道結構由6片外徑6.0 m，厚0.3 m的C50鋼筋混凝土管片錯縫式拼裝而成，在地下通道施工時此段隧道即將運營。

為了保證CBD通道的順利施工和既有盾構隧道不被破壞，設計對與CBD主通道交叉部分的盾構隧道周圍土體采用WSS工法注漿加固，加固后土體單軸無側限抗壓強度不小于1.2 MPa，加固范圍見圖2。地下通道采用復合式襯砌，注漿小導管超前支護，其中各交叉段采用大管棚+注漿小導管超前支護，分部開挖法施工，襯砌結構斷面和施工工序如圖3所示。

圖2 WSS工法注漿加固范圍平面、縱剖面(單位:m)

圖3 CBD通道襯砌結構斷面及施工工序(單位:m)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型的建立

1)計算區(qū)域的選取

由于地鐵10號線左、右線區(qū)間隧道均與CBD主通道垂直交叉，且結構形式、施工方法也完全相同。對于10號線左線，除了受CBD主通道上穿和施工橫通道開挖的影響，輔通道也與其基本平行，在主、輔通道交叉處二者對10號線左線區(qū)間隧道產生綜合影響。為突出重點，計算選取CBD主通道和10號線左線交叉區(qū)域。

2)計算模型設計

根據(jù)計算區(qū)域同時考慮邊界效應，選取模型尺寸為70 m×74 m×60 m(長×寬×深)。注漿小導管、大管棚及WSS工法加固的作用采取提高地層參數(shù)模擬[4-5]。通道的初期支護和盾構管片及豎井結構采用殼單元模擬，通道的二次襯砌采用實體單元模擬。盾構隧道等效為連續(xù)體，考慮管片接縫的存在對隧道剛度進行折減，折減系數(shù)為0.8。

計算中不考慮地下水作用。地層荷載按自重應力場考慮;地面結構和車輛等各種荷載統(tǒng)一以地面超載(20 kPa)考慮，按照勻布荷載施加于地表。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3)計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告，共分4個地層，各地層參數(shù)和注漿小導管、大管棚加固圈計算參數(shù)見表1。

WSS工法注漿加固體的單軸無側限抗壓強度按1.2 MPa考慮，地下通道超前支護層按厚0.8 m計。

2.2 計算分析過程

結合工程實際的施工方法和施工工序，模擬采取首先完成既有的施工豎井和盾構區(qū)間，生成CBD通道施工前的初始應力場;采用臺階法由施工豎井進入施工橫通道施工，然后由施工橫通道進入CBD主通道施工。CBD輔通道采用CRD工法由遠離交叉口端進行施工，最終與主通道交接，完成全部施工。

表1 地層及加固圈的物理力學參數(shù)

2.3 計算結果與分析

2.3.1 CBD通道施工引起的盾構隧道位移情況

根據(jù)三維數(shù)值模擬的結果繪制出地鐵10號線“國—雙區(qū)間”盾構隧道在CBD通道施工完成后的豎向、水平位移曲線如圖5、圖6所示。

圖5 地鐵10號線盾構隧道的豎向位移曲線

由圖5可知，未加固時，地鐵盾構隧道的隆起變形呈左右大致對稱的駝峰型分布。國貿端由于輔通道和橫通道施工的多次擾動以及盾構井的約束作用，其隆起曲率較陡。采用WSS工法加固后位移曲線變得平緩，最大上浮變形由4.9 mm減小為4.4 mm。變形的對稱中心由K21+641(CBD主通道中心線對應的10號線左線里程為K21+638)向左側偏移至K21+644。拱頂?shù)呢Q向最大相對變形由1/2 100減小為1/3 200，隧道的豎向最大變形曲率半徑由30 000 m增加為94 000 m。有效地減小了盾構隧道縱斷面方向的變形，滿足盾構隧道結構正常運營的安全性需要。

圖6 地鐵10號線盾構隧道的水平位移曲線

由圖6可知，盾構隧道的水平位移較小。采用WSS工法加固后盾構隧道的最大水平位移變化不大，但水平向的收斂變形和水平向的隧道整體側向變形都明顯減小。其中最大水平向收斂變形由1.13 mm(約為0.19‰D)減小為0.47 mm(約為0.06‰D)。有效地減小了盾構隧道斷面的橢圓度變化和盾構管片的附加應力。

2.3.2 盾構隧道位移隨施工進程的變化情況

為了研究盾構隧道在地下通道暗挖施工過程中的位移變化情況，分別提取CBD主通道中線處盾構隧道(對應左線里程為K21+638)在有、無采用WSS工法加固措施時的豎向位移隨施工進程的變化曲線，如圖7所示。

圖7 盾構隧道豎向位移變化曲線

由圖7可知，最大隆起變形均發(fā)生于主通道開挖通過盾構隧道時(即模擬施工的第26步)，其后變形值隨著其它部分的施工有小幅下降。采用WSS工法加固后使盾構結構的拱頂最大上浮由5.7 mm減小到4.8 mm，仰拱上浮基本不變，由此使得盾構結構的豎向收斂變形明顯減小。

2.3.3 盾構隧道縱向受力情況

假設盾構隧道初始狀態(tài)的縱向內力為零，采用隧道等效連續(xù)化模型，將三維計算得到的縱向位移值作為支座位移，盾構隧道等效為彈性地基梁，其縱向等效剛度的計算公式詳見文獻[6]，計算結果如表2所示。

表2 盾構隧道縱向內力計算結果

由表2可知，采用WSS工法加固后，CBD通道施工引起的盾構結構縱向彎矩較無WSS工法加固時減小20%以上，剪力變化不大。

2.3.4 地表沉降變形

采用WSS工法加固后地下通道施工引起的地表變形情況如圖8所示。

圖8 地表變形曲面及沉降值

由于施工橫通道及CBD主通道的聯(lián)合影響，在此交叉區(qū)域的地表形成了一個較大沉降槽。其中最大沉降值為18.3 mm，沿主通道橫斷面方向寬度約25 m。其最大沉降值小于地表沉降基準值30 mm，能夠保證地面交通的正常運營[7]。

3 結論

根據(jù)北京CBD銀泰至航華地下過街通道，近接上穿地鐵10號線施工全過程的三維彈塑性數(shù)值模擬，得到結論如下:

1)對CBD主通道上穿區(qū)域的10號線區(qū)間隧道周圍土體進行WSS工法加固，有效地抑制了10號線隧道結構的整體上浮變形，同時對減小盾構管片的相對變形和增大變形曲率半徑的效果明顯。

2)對于盾構隧道上浮隆起變形影響較大的施工階段為CBD主通道通過地鐵10號線前的各施工步，因此，施工中要把握重點、控制關鍵工序，嚴格做好地層的預加固和各種超前支護。

3)通過對盾構管片結構的強度和剛度校核，當采用WSS工法加固地層后，CBD通道施工引起的盾構隧道受力和變形均滿足相關規(guī)范的安全要求。

4)地表沉降情況也滿足規(guī)范要求，能夠保證地面交通的正常運營。因此，在松散軟弱地層中的淺埋暗挖隧道采用超前小導管注漿加固地層，劃大斷面為小斷面、及時強支護的施工措施，是合理可行的。

5)對既有隧道周圍地層采用二重管無收縮 WSS工法注漿加固，有效地減小了近接施工中新、老工程的相互影響，起到了保護既有隧道的作用。

[1]畢強，吳金剛，馬杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學分析及工程處理措施[J].鐵道建筑，2009(8):50-54.

[2]北京城建設計研究總院.銀泰—航華地下人行通道工程上穿地鐵10號線專項設計[R].北京:北京城建設計研究總院，2007.

[3]北京城建設計研究總院.北京CBD地下過街通道巖土工程勘察報告[R].北京:北京城建設計研究總院，2007.

[4]潘昌實.隧道力學數(shù)值方法[M].北京:中國鐵道出版社，1995.

[5]郭健，王起才，唐述林，等.淺埋暗挖黃土隧道施工過程數(shù)值模擬分析[J].鐵道建筑，2010(8):81-83.

[6]田敬學，張慶賀.盾構法隧道的縱向剛度計算方法[J].中國市政工程，2001，94(3):35-37.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10417—2003 鐵路隧道工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社，2004.