粉土地層盾構隧道近距上跨已建隧道技術研究

胡清茂

（徐州地鐵集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

軌道交通網絡的完善會使新建線路與既有線路出現空間交疊，隨著工程數量與建設強度的提升，這類交疊工程的穿越類型越來越多，保護要求越來越嚴格，施工難度越來越大。在很多的軌道交通穿越工程中，新建隧道多以下穿或上跨形式穿越既有隧道，對隧道的影響主要體現在縱向變形。其中，上跨工況中新建隧道單位長度管片的質量遠小于挖除土體質量，使下部既有隧道在應力釋放作用下產生隆起變形，同時，新舊隧道間凈距越近，卸荷作用越明顯。

1 國內外研究現狀

國內外學者對上跨工程進行廣泛研究，采用數值模擬、實測分析、理論分析、模型試驗等手段取得了一系列的研究成果。劉樹佳以上海地鐵10號線上穿4號線工程為例，采用有限元模型研究了凈距、土倉壓力、注漿量對上跨隧道的影響，并總結出這三個因素對隧道變形的影響系數；陳亮根據上海地鐵8號線上穿2號線隧道施工期的沉降監測數據，認為隧道縱向變形主要表現為隆起，可分為四個階段，且主要變形發生在穿越之后；梁榮柱通過mindlin解估算新建隧道的開挖引起的豎向附加荷載，基于此建立隧道縱向變形的平衡微分方程并運用有限差分原理求解，得到了與實測數據吻合的理論計算結果；張曉清通過相似模型試驗研究了多線交疊隧道施工引起的地表沉降及隧道變形，認為上跨施工對隧道結構影響小于下穿施工。

目前，隧道上跨問題已經得到廣泛研究，但對小凈距上跨的工況，相關研究滯后于工程實踐。因此，該文以徐州市軌道交通3號線上跨1號線為背景，采用Midas GTX NX建立三維有限元數值模型，分別計算交叉穿越節點在直接穿越及洞內注漿工況下3號線盾構隧道施工對1號線隧道的內力變形影響，以此分析組合洞內注漿技術的加固效果，總結該安全防護措施的作用機理。

2 工程概況

2.1 線路幾何關系

徐州市軌道交通3號線一期工程徐州火車站站近距離上跨地鐵1號線盾構隧道，兩線平面關系如圖1所示。兩線襯砌均采用內徑5500mm，厚度350mm的6塊管片錯縫拼裝而成，每環寬1.2m。兩線隧道在交疊處的縱斷面如圖2所示，隧道結構間的豎向凈距為1.42m~1.66m。

圖1 地鐵1號線及3號線平面關系示意圖

圖2 地鐵1號線及3號線縱斷面示意圖

2.2 工程地質條件

工程所在地屬沖積平原地貌類型中的沖積垅狀高地，場地中廣泛分布砂質粉土、粉質黏土、黏土。其中，地鐵1號線隧道主要穿越黏土層，3號線隧道主要穿越粉質黏土、砂質粉土，兩線之間所夾地層為砂質粉土和黏土。場地內地下水水位埋深約為2m，地下水類型主要為填土中的上層滯水、砂質粉土中的潛水、粉砂層中的承壓水及基巖裂隙水。

2.3 地層加固措施

兩線隧道最小凈距僅1.42m，施工風險大。施工場地地處市區，地面交通疏解實施難度大且隧道交疊處上方存在多條地下管線，不具備遷改條件，因此涉及地面加固的手段難以開展，工程擬采用組合式洞內PVC袖閥管注漿進行加固，洞內袖閥管加固運用管片處的吊裝孔布置注漿孔。在3號線施工之前，對1號線盾構隧道拱頂上方135°，結構邊線外3m土體范圍進行洞內注漿。在3號線隧道施工時，進行全環洞內補強注漿加固，盾構隧道上下左右加固3m，對兩線夾土體豎向加固最小為1.2m。

3 模型建立

3.1 幾何模型

采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型。模型尺寸為××= 75m×60m×34m。

3.2 材料參數

模型中的土體及結構均采用實體單元進行模擬，土體及注漿土體的破壞屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，混凝土結構采用線彈性本構關系。

3.3 研究方法

為分析加固效果，數值模擬分為兩個計算工況，工況一不進行加固直接穿越，工況二進行加固后穿越。

4 計算結果及分析

4.1 工況一計算結果

兩線貫通后，以1號線拱頂豎向變形為例，計算結果如圖3所示。結果顯示，位于上方的3號線盾構隧道拱頂最大沉降值為11.9mm，出現在兩交疊節點之間的區間段；隧道拱底最大隆起值為9.5mm，出現在交疊節點處；隧道水平位移最大值為2.4mm。位于下方的1號線盾構隧道結構最大隆起值為6.9mm，出現在交疊節點處；1號線隧道結構最大水平位移值為1.5mm，出現在交疊節點之間的區間段。地表最大沉降為10.3mm。

圖3 工況一1號線隧道拱頂豎向位移云圖

4.2 工況二計算結果

經加固施工的兩線貫通后，1號線變形計算結果如圖4所示。結果顯示，3號線盾構隧道拱頂及拱底變形較為均勻，最大沉降4.2mm、最大隆起5.3mm；隧道水平位移最大值為2.0mm，出現在加固段外。位于下方的1號線盾構隧道結構最大隆起值為2.2mm，出現在交疊節點處；1號線隧道結構最大水平位移值為0.4mm，出現在交疊節點處。地表最大沉降為3.9mm。

圖4 工況二1號線隧道拱頂豎向位移云圖

綜合兩個工況，隧道變形情況變化趨勢如圖5所示。

圖5 未加固及加固工況計算結果對比圖

4.3 結構豎向變形

數值模型計算的隆起變形在縱向上如圖6所示，最大變形發生在交疊節點處，在整體上呈現兩側小，節點大，交叉段小的“M”型分布。通常來說，盾構隧道產生的這種不均勻沉降變形會顯著影響結構的性能，1號線因3號線施工而產生的3個不均勻沉降槽分別分布在以兩個交叉節點和交叉段反彎點為中心的區段，由此可使用高斯函數進行回歸分析并擬合沉降曲線，計算出3個沉降U型槽中最小曲率半徑均遠大于15000m的規范要求，滿足螺栓不進入塑性狀態的理論模型計算結果。可以認為兩種洞內加固組合的安全防護措施同時減小了隧道變形的絕對值與差異值，使隧道處于良好的服役狀態。

圖6 地鐵1號線盾構隧道縱向變形曲線

5 結論

該文對徐州市軌道交通3號線上跨1號線工程進行了數值模擬與分析，研究了粉土地區盾構隧道近距離施工產生的影響效果，對比分析了組合式袖閥管注漿對隧道的安全防護效果，總結了相關工程的重點防護目標，得到主要結論如下：1）通過組合式洞內注漿加固能有效控制既有隧道及新建上跨隧道的結構變形。注漿加固對減少既有隧道的豎向及水平向位移均有明顯作用，能有效控制隧道的絕對變形及不均勻沉降曲率。2）四線交疊時地表沉降發生的主要區域為新建上跨隧道之間的地表區域，同時在未加固土體的投影面上沉降量值最大。因此在施工及運營期間應重視此區域的相關市政管線及地面道路的變形情況。3）交疊隧道因受到不同荷載作用而產生不同的斷面變形，上方隧道呈豎向收縮，水平拉伸的橫鴨蛋型，下方隧道呈豎向拉伸，水平收縮的豎鴨蛋型，由此應注重不同變形模式下重點部位的構件受力安全，保證隧道的服役狀態。