地鐵疊線隧道小凈距盾構(gòu)施工工序研究

金乃麒 徐劍旋 高躍峰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)城市化進(jìn)程明顯加快，地鐵、城市地下空間得到進(jìn)一步開發(fā)和利用。受地下既有建構(gòu)筑物影響，大規(guī)模的地鐵建設(shè)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)各種形式的臨近施工，上下平行重疊區(qū)間隧道布置形式也大量出現(xiàn)在軌道交通工程中。由于重疊隧道盾構(gòu)施工過程中，對(duì)地層多次擾動(dòng)，地層損失大，近接施工相互影響大，這就需要對(duì)疊線隧道中后建隧道施工對(duì)已建隧道施工影響進(jìn)行研究。關(guān)于這一難題，近年來，學(xué)者和專家已有大量有價(jià)值的研究。

何川等[1]通過模型試驗(yàn)和三維有限元對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工進(jìn)行了深入研究；宋浩然等[2]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究手段，對(duì)疊落盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的地層變形及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析；李圍等[3]通過構(gòu)建“軌道支撐+路基加固+夾層土體加固+下隧道內(nèi)支撐”的技術(shù)體系，并結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，對(duì)盾構(gòu)重疊隧道下穿引起的高鐵正線軌道進(jìn)行了研究；郭晨[4]采用大型通用有限元軟件對(duì)疊線隧道夾土體注漿加固進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值模擬計(jì)算；張興麗等[5]通過建立新舊隧道的有限元模型，分析新盾構(gòu)隧道施工時(shí)對(duì)既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的影響；葉雅圖等[6]采用通用有限元程序?qū)φ麄€(gè)施工過程中的盾構(gòu)管片內(nèi)力分布、地層位移等關(guān)鍵因素進(jìn)行了深入分析；張曉軍[7]結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)水平平行、豎直重疊、斜交度兩隧道不同位置關(guān)系時(shí)的橫向影響程度進(jìn)行了研究；趙巧蘭[8]采用多種軟件進(jìn)行詳細(xì)的理論分析,確定重疊盾構(gòu)隧道“先下后上”的施工順序；范曉真等[9]對(duì)小凈距上下重疊盾構(gòu)隧道的施工擾動(dòng)進(jìn)行了研究。

綜上可知，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)疊線隧道近接施工已取得大量有價(jià)值的研究成果。本文在歸納前人研究基礎(chǔ)上，以鄭州軌道交通3號(hào)線工程金—太區(qū)間盾構(gòu)重疊隧道工程為工程背景，選取上下重疊近距1.8 m斷面工況，建立三維有限元模型，分析采用加固處理措施后，疊線盾構(gòu)隧道不同施工工序下，后建隧道對(duì)已建隧道影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 工程概況

金—太區(qū)間為南北走向，沿南陽(yáng)路往南，下穿大石橋立交橋、金水河后沿銘功路中向南，途經(jīng)金水路、彭公祠街等市政道路。該區(qū)間位于黃河泛濫平原，地層以第四紀(jì)松散沉積物為主，下伏基巖埋置較深，沿線第四紀(jì)覆蓋層厚度均大于50 m。右線區(qū)間隧道主要穿越②33、②34黏質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土，左線區(qū)間隧道主要穿越②51細(xì)砂，②51B粉質(zhì)黏土地層。重疊隧道平面位置關(guān)系如圖1所示，剖面關(guān)系如圖2所示。

2 三維數(shù)值模擬研究與監(jiān)控量測(cè)

2.1 計(jì)算模型的建立

采用三維有限元軟件分析后建隧道對(duì)已建隧道影響，模型X方向取80 m，模型Y方向取60 m，模型Z方向取60 m，模型中巖土體以實(shí)體單元模擬，襯砌以板單元模擬，土體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬，模型共計(jì)28 389個(gè)單元，23 235個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元數(shù)值計(jì)算分析模型如圖3所示，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。數(shù)值分析計(jì)算工況如表2所示。

表1 地層的主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 疊線隧道盾構(gòu)施工工序

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

由圖4可知，工況1采用先上后下盾構(gòu)開挖施工順序，地表最大沉降-27.71 mm；工況2采用先下后上盾構(gòu)開挖施工順序，地表最大沉降值為-20.65 mm，監(jiān)測(cè)方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為-21.94 mm，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合；采用工況2施工工序，對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)更小，地面沉降減少了25%，說明采用先下后上盾構(gòu)施工工序?qū)刂频孛娉料莞鼮橛行А?/p>

由圖5可知，工況1采用先上后下盾構(gòu)開挖施工順序，左線盾構(gòu)隧道拱頂最大沉降值為-6.70 mm；工況2采用先下后上盾構(gòu)開挖施工順序，左線盾構(gòu)隧道拱頂最大沉降值為-4.30 mm，監(jiān)測(cè)方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)-3.87 mm；采用工況2施工工序，左線盾構(gòu)隧道減少了35%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托鄭州軌道交通3號(hào)線工程金—太區(qū)間盾構(gòu)重疊隧道工程為研究背景，采用“疊線隧道夾土體加固+洞內(nèi)移動(dòng)臺(tái)車支撐”技術(shù)方案，通過三維有限元方法分析考慮“先上后下”和“先下后上”兩種施工工序，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，得出如下結(jié)論：

1)工況1采用先上后下盾構(gòu)施工工序，地表最大沉降為-27.72 mm，拱頂最大沉降為-6.7 mm；工況2采用先下后上盾構(gòu)施工工序，地表最大沉降為-20.65 mm，拱頂最大沉降為-4.3 mm，均滿足城市軌道交通監(jiān)測(cè)規(guī)范要求。2)工況2相對(duì)于工況1施工工序，地表最大沉降減少了25%，左線盾構(gòu)隧道拱頂沉降減少了35%，在類似上下重疊隧道工程中，建議采用先盾構(gòu)開挖下行隧道，后施工上行隧道工序。3)采用“疊線隧道夾土體加固+洞內(nèi)移動(dòng)臺(tái)車支撐”技術(shù)方案，能夠有效保證疊線盾構(gòu)隧道施工安全。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性和加固方案的可靠性。