新建地鐵隧道下穿既有洞室的施工安全控制

宋林俐

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400015）

0 引言

近些年，重慶主城區(qū)開始大量建設(shè)地鐵，設(shè)計(jì)施工過程中經(jīng)常遇到近接其它建（構(gòu)）筑物的問題[1]，此類情況在早期開展地鐵建設(shè)的沿海城市已較為普遍。 但是，重慶主城區(qū)地質(zhì)條件與沿海城市完全不同，重慶主城區(qū)主要為砂泥巖地層，巖體完整性較好，隧道開挖過程中的圍巖變形相對較小。 因此，如完全照搬其它城市的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)[2-4]，一方面施工安全的控制效果可能較差，另一方面將導(dǎo)致極大的工程投資浪費(fèi)[5]。

本文以下穿既有洞室的重慶市地鐵五號線某段區(qū)間隧道為案例，討論其施工安全控制的分析方法，總結(jié)工程建設(shè)既安全又經(jīng)濟(jì)的施工方案。

1 工程概況

重慶市地鐵五號線區(qū)間隧道正交下穿既有電力隧道，分左右雙線，隧道限界為5.2m。電力隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，為圓拱直墻結(jié)構(gòu)形式， 凈寬2.4m， 凈高2.3m。 區(qū)間隧道軌面設(shè)計(jì)高程為221.565m，與電力隧道結(jié)構(gòu)凈距最小為3.5m。

該區(qū)域?yàn)闃?gòu)造剝蝕丘陵地貌，沿線上覆土層厚3.3～12.1m，主要為素填土及粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖夾薄層狀的砂巖，砂巖多以薄層狀或透鏡體形式出露，地下水量較小。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 地鐵隧道開挖塑性區(qū)半徑計(jì)算

在重力場作用下，σH=σV。 根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，地鐵隧道圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)力σr和σθ滿足下式[6-7]：

同時(shí)滿足下列平衡條件：

由此可得：

在此基礎(chǔ)上可推導(dǎo)出圍巖塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力。

式中：c——圍巖的粘聚力；Φ——圍巖的內(nèi)摩擦角；a——開挖洞室半徑；σa——洞室開挖面上的壓力。

對于塑性區(qū)邊界上的任一點(diǎn)，同時(shí)滿足下列條件：

由此確定塑性圈半徑為：

式中：R——塑性圈半徑；Φ——圍巖的內(nèi)摩擦角；a——開挖洞室半徑；σ0——巖體初始應(yīng)力。

由此計(jì)算地鐵隧道開挖引起的塑性圈半徑R=3.19m，與二者結(jié)構(gòu)凈距3.5m 相比，地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大，為了減小施工對電力隧道的影響，開挖前需采用超前預(yù)注漿對其拱部圍巖進(jìn)行加固處理。

3 地鐵隧道施工影響范圍分析

因?yàn)殡娏λ淼朗且呀ㄋ淼溃罔F隧道施工過程中，有必要估計(jì)其影響范圍，以提前對該范圍內(nèi)的電力隧道加強(qiáng)觀測。 現(xiàn)采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，模擬地鐵隧道施工過程，通過分析計(jì)算結(jié)果以確定施工影響范圍[8-11]。

3.1 計(jì)算模型

因?yàn)殡娏λ淼篮偷罔F區(qū)間隧道為空間交疊的位置關(guān)系，為準(zhǔn)確反應(yīng)地鐵隧道施工對電力隧道的影響， 故采用三維數(shù)值計(jì)算模型。考慮邊界效應(yīng)影響，模型寬度取值為100m， 高度取值67m，長度取值130m。水平邊界上采用橫向位移約束， 底部邊界采用豎向位移約束，上邊界為自由邊界。計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 三維計(jì)算模型

有限元三維計(jì)算模型為離散后的三維網(wǎng)格計(jì)算模型。 建模過程主要考慮地質(zhì)因素， 并進(jìn)行了合理簡化。 一是因巖層強(qiáng)風(fēng)化層較薄，因此將其視為填土層；二是巖層中風(fēng)化巖層包括泥巖、 泥質(zhì)砂巖和砂巖等，其中，中風(fēng)化泥巖的參數(shù)最弱，為降低建模難度，各中風(fēng)化巖層統(tǒng)一按泥巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值。 因此，簡化后的模型巖土層分為兩層，第一層是填土層，厚度為6.5m，第二層是中風(fēng)化泥巖層，厚度為60.5m。

地鐵隧道施工過程中對圍巖采用了超前注漿措施，對加固后的圍巖力學(xué)指標(biāo)作如下處理：彈性模量、塑性指標(biāo)在原參數(shù)值基礎(chǔ)上提高30%，圍巖重度提高10%，泊松比取0.3。

3.2 電力隧道圍巖變形

圖2 為地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)電力隧道和地鐵隧道開挖后圍巖位移云圖。

圖2 圍巖位移分布云圖（m）

為了觀察電力隧道施工對地鐵隧道開挖后圍巖變形的影響，現(xiàn)取交疊段地鐵隧道洞周關(guān)鍵點(diǎn)（拱頂、仰拱和左右邊墻）處圍巖位移計(jì)算結(jié)果，以地鐵隧道受影響范圍外某處圍巖位移為基準(zhǔn)點(diǎn)，繪制成圍巖相對位移曲線，如圖3 所示。 其中，拱頂、仰拱處圍巖位移為豎向，邊墻處圍巖位移為水平向。 圖中橫坐標(biāo)為地鐵隧道縱向距離，“0”值對應(yīng)電力隧道與地鐵隧道襯砌中線相交處，縱坐標(biāo)為圍巖相對位移值。由圖3可知， 在兩個(gè)隧道相交處， 地鐵隧道拱頂和仰拱處圍巖相對位移最大， 而越偏離相交點(diǎn)， 其相對位移值越小。 在兩個(gè)隧道相交處10m 范 圍 內(nèi)，地鐵隧道左右邊墻相對位移值均較大。

總的來看，電力隧道施工對地鐵隧道拱頂處圍巖變形影響最大， 從影響范圍來看， 對圍巖變形影響范圍約為20m。

圖3 地鐵隧道洞周圍巖相對位移曲線

3.3 既有隧道結(jié)構(gòu)位移

為了便于觀察沿電力隧道縱向襯砌的附加位移變化規(guī)律，現(xiàn)提取相關(guān)節(jié)點(diǎn)位移值， 繪制成曲線，如圖4 所示。圖中橫坐標(biāo)為電力隧道沿縱向距離， 縱坐標(biāo)為地鐵隧道開挖引起的電力隧道襯砌總位移值。 圖中所示地鐵左右線分別對應(yīng)為電力隧道與地鐵隧道左右線相交位置。

圖4 電力隧道襯砌總位移曲線

從圖4 可以看出，地鐵隧道開挖后，電力隧道拱頂引起的附加位移最大值約為0.7mm，位于地鐵左右線之間的段落；電力隧道左右邊墻的附加位移變化趨勢基本相同，最大附加位移值約為0.7mm，同樣位于地鐵左右線之間的段落。地鐵隧道開挖對電力隧道襯砌位移的影響范圍約為40m（沿電力隧道縱向）。

3.4 注漿長度影響

取縱向注漿長度分別為6m、12m、15m、18m、21m 五 種 工 況 進(jìn)行計(jì)算，分析地鐵隧道開挖引起的電力隧道襯砌附加位移、主應(yīng)力和地鐵隧道圍巖位移變化趨勢。

圖5、 圖6 分別為電力隧道襯砌位移和主應(yīng)力峰值的變化曲線。 由圖可知，隨著注漿長度的增大，其峰值位移減小，但在注漿長度達(dá)到12m 后，位移變化趨于收斂；襯砌第一主應(yīng)力峰值則變化不明顯；第三主應(yīng)力在注漿長度由6m 變化到12m 時(shí)下降很快， 而后隨著注漿長度增加，主應(yīng)力峰值下降幅度減小。

圖5 電力隧道襯砌位移峰值變化曲線

圖6 電力隧道襯砌主應(yīng)力峰值變化曲線

圖7 電力隧道正下方地鐵隧道圍巖位移變化曲線

圖7 為電力隧道正下方地鐵隧道典型斷面關(guān)鍵點(diǎn)的圍巖位移變化曲線。 從圖中可以看出，隨著注漿長度增加，隧道拱頂處位移沉降量逐漸減小，當(dāng)注漿長度大于12m 后，減小趨勢趨于收斂；仰拱處豎向位移基本呈線性減小；邊墻水平收斂值在注漿長度由6m 變化到12m 時(shí)快速減小，后隨著注漿長度增加變化趨于平緩。

4 結(jié)論

（1） 新建地鐵隧道下穿既有洞室，當(dāng)二者凈距接近或小于新建隧道開挖的圍巖塑性區(qū)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)工程措施，具體可進(jìn)行超前注漿加固，它能有效控制圍巖變形，增強(qiáng)施工安全性。

（2） 既有洞室的存在對地鐵隧道開挖過程中的圍巖變形有一定影響，越靠近洞室，其地鐵隧道圍巖變形值越大，由上述工程案例分析可知， 影響范圍約為相交斷面處前后共20m 段落，即地鐵隧道開挖寬度的3～4 倍。

（3） 下穿地鐵隧道開挖可導(dǎo)致上方電力隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，越靠近地鐵隧道，其變形值越大，由上述工程案例分析可知，電力隧道結(jié)構(gòu)變形影響范圍約為相交斷面處前后共40m 段落，地鐵隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)觀測。

（4） 由上述工程案例分析可知，地鐵隧道超前注漿長度由6m變化到12m， 其圍巖變形及對電力隧道的影響程度均快速減小，后隨著注漿長度繼續(xù)增大，其加固效果不明顯。 因此，與上述工程案例相似條件下， 下穿隧道注漿長度取2～2.5 倍洞徑較為合理。