地鐵盾構(gòu)施工對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

陳 陣

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

隨著我國城市地下交通的發(fā)展，新建城市地鐵隧道近距離穿越既有隧道的工程不斷涌現(xiàn)，新建隧道施工不可避免會擾動周圍土體，引起鄰近既有隧道產(chǎn)生不均勻沉降或隆起，影響結(jié)構(gòu)安全[1]。

目前，眾多學(xué)者針對地鐵隧道施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了大量研究，陳亮等[2]對上海盾構(gòu)隧道上穿既有隧道引起的結(jié)構(gòu)縱向變形過程進(jìn)行了研究，分析了變形產(chǎn)生原因和機(jī)理，張成平等[3]對北京地鐵5號線下穿既有地鐵隧道進(jìn)行了研究，得出了下穿施工引起上覆隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，李恒一[4]結(jié)合深圳地鐵9#線工程，對交叉盾構(gòu)隧道段進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬研究，劉亮等[5]以某軟土地區(qū)地鐵三層疊交區(qū)間為工程背景，采用數(shù)值模擬方法分析了正交、平行上穿盾構(gòu)隧道施工對既有隧道的影響。

本文以廣州地鐵18#線石榴崗—琶洲西區(qū)盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬方法分析隧道盾構(gòu)施工對鄰近隧道結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

廣州地鐵18#線石榴崗—琶洲西區(qū)區(qū)間雙線隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片內(nèi)徑為7.70 m，采用錯縫拼裝，管片厚度為0.4 m，環(huán)寬為1.6 m。新建區(qū)間隧道下穿8#線新港東—磨碟沙區(qū)間隧道，下穿位置8#線區(qū)間隧道頂板埋深4.6 m，底板埋深11.6 m，18#線區(qū)間隧道頂板埋深19.4 m，底板埋深27.9 m，兩區(qū)間隧道凈距7.8 m。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)新建區(qū)間隧道下穿既有區(qū)間隧道位置的鉆孔柱狀圖資料，該地區(qū)地質(zhì)從地面往下依次為<1-1>人工填土層2.80～7.50 m，<2-1>淤泥質(zhì)土層0.7～5.00 m，<2-2>淤泥質(zhì)砂層1.20～9.30 m，<3-1>海相沖積砂層0.95～7.30 m，<3-2>沖積—洪積砂層1.60～9.30 m，<4>沖積—洪積土層1.20～2.20 m，<6>巖石全風(fēng)化帶0.50～1.10 m，<7>巖石強(qiáng)風(fēng)化帶0.50～7.80 m，<8>巖石中風(fēng)化帶0.70～6.70 m，<9>巖石微風(fēng)化帶1.30～16.18 m。

3 三維數(shù)值模型的建立

根據(jù)地鐵18#線盾構(gòu)掘進(jìn)施工特點及8#線隧道結(jié)構(gòu)形式，運用有限元分析軟件midas GTS建立三維有限元計算模型。有限元模型的邊界條件設(shè)置為：模型底部X、Y、Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束，樁z方向的轉(zhuǎn)動約束。模型示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 三維有限元整體模型

圖2 三維有限元模型細(xì)部圖

隧道結(jié)構(gòu)周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對控制隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形起著關(guān)鍵作用，為此，進(jìn)行分析計算時需要充分結(jié)合本工程的地層特點，本文有限元模型中的地層主要根據(jù)區(qū)間隧道處的工程地質(zhì)資料進(jìn)行適當(dāng)簡化，各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察資料確定。受影響的地鐵8#線隧道結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)計算參數(shù)依據(jù)相關(guān)設(shè)計施工圖紙資料確定。各材料參數(shù)取值見表1所示。

表1 材料參數(shù)取值表

4 模擬結(jié)果及分析

各工況下地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大位移見表2所示，由表可知在地鐵18#線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平X位移值為0.27 mm，最大水平Y(jié)位移值為0.84 mm，最大豎向位移值為1.93 mm，最大總位移值為2.07 mm，均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202—2013)[6]中結(jié)構(gòu)位移的安全控制指標(biāo)值10 mm。可以判斷地鐵18#線盾構(gòu)下穿對地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響相對可控，不影響結(jié)構(gòu)安全。

表2 各工況下地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大位移匯總表 單位：mm

當(dāng)18#線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)78 m時，8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到最大，總位移云圖如圖3所示，最大位移發(fā)生在18#線盾構(gòu)隧道下穿處。

圖3 隧道完全下穿時有軌電車位移云圖

5 結(jié) 論

通過進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算，分析了新建地鐵18#線隧道盾構(gòu)施工下穿既有地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，得出結(jié)論如下。當(dāng)18#線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)78 m時，8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到最大，最大位移發(fā)生在18#線盾構(gòu)隧道下穿處，需要在盾構(gòu)隧道近距離下穿時加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測工作。

地鐵18#線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平X位移值為0.27 mm，最大水平Y(jié)位移值為0.84 mm，最大豎向位移值為1.93 mm，最大總位移值為2.07 mm，均小于規(guī)范要求的安全控制指標(biāo)值，可以判斷地鐵18#線盾構(gòu)下穿對地鐵8#線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響相對可控，不影響結(jié)構(gòu)安全。