復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營線影響研究

摘要：為減弱新建地鐵對既有線結(jié)構(gòu)的不利影響，確保既有線在地鐵施工及運(yùn)營期間的安全，成為軌道交通建設(shè)面臨的重點(diǎn)技術(shù)問題。針對此種情況，以武漢軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區(qū)間下穿既有運(yùn)營軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區(qū)間為例，結(jié)合三維有限元模型數(shù)值模擬計(jì)算，提出施工控制措施，通過實(shí)地監(jiān)控量測驗(yàn)證設(shè)計(jì)、施工方案的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；下穿既有運(yùn)營線； 數(shù)值模擬； 施工控制； 監(jiān)測分析

中國分類號：U455.43A

［定稿日期］2023-03-20

［基金項(xiàng)目］中國鐵建投資集團(tuán)有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2022-A01）

［作者簡介］任志亮 （1982—），男，碩士，高級工程師，從事地鐵建設(shè)管理工作。

0 引言

隨著軌道交通建設(shè)的發(fā)展，軌道交通工程與既有運(yùn)營軌道交通工程存在穿越、鄰近的情況，新建工程與既有區(qū)間距離較近，地鐵施工及運(yùn)營對鄰近既有線結(jié)構(gòu)不同程度的存在一定影響。采取有效的工程措施，減少修建軌道交通工程對鄰近既有線結(jié)構(gòu)的不利影響至關(guān)重要，確保既有線結(jié)構(gòu)在地鐵施工及運(yùn)營期間的安全成為重點(diǎn)解決的技術(shù)問題。

郭棟、張好旗等［1-4］以新建隧道工程下穿既有線車站為研究背景，采取數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了新建隧道施工對既有隧道的影響分析。仇文革［5］系統(tǒng)地提出了地下工程近接度的分類、分區(qū)以及近接度等級概念。譚文［6］研究分析了廣州軌道交通5號線與6號線交叉段超淺埋暗挖立體交叉隧道的施工。冷彪等［7］以白水江水電站引水隧洞下穿昆內(nèi)鐵路隧道為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法，結(jié)合現(xiàn)場測驗(yàn)，對隧道交叉角度、動(dòng)力與靜力方面進(jìn)行了研究分析。郭子紅［8］利用極限平衡原理，得到了沉埋隧道的滑動(dòng)面分布。

本文以武漢軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區(qū)間（以下簡稱茶青區(qū)間）下穿既有運(yùn)營軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區(qū)間（以下簡稱光白區(qū)間）為例，根據(jù)施工工況建立有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，提出施工控制措施，同時(shí)通過監(jiān)控量測驗(yàn)證設(shè)計(jì)、施工方案的合理性和有效性，以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

12號線茶青區(qū)間線路出青菱站后側(cè)穿越軌道交通5號線光白區(qū)間，區(qū)間隧頂埋深約11.0～30.7 m。盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，管片寬度1.5 m。光白區(qū)間穿越區(qū)間段為高架區(qū)間，采用4×40 m簡支梁。樁基采用1000 mm直徑的鉆孔灌注樁，樁采用C35混凝土，承臺和基礎(chǔ)梁采用C40混凝土、HPB300、HRB400鋼筋現(xiàn)澆。樁頂標(biāo)高為16.9 m，樁長為36 m，入巖，樁端持力層為15a-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。承臺埋深2.2 m，26號承臺尺寸為6.1 m×6.1 m×2.2 m，27號承臺尺寸為6.0 m×9.6 m×2.2 m。茶青區(qū)間穿越5號線橋樁角度為正交，距離區(qū)間側(cè)26號橋樁距離約為6.65 m，距離光霞站側(cè)27號橋樁水平距離約為4.99 m。穿越5號線位置12號線區(qū)間埋深約為10.2～12.1 m，隧道中心距為16.2 m，凈距約為10 m（圖1、圖2）。

1.1 既有線沉降情況

根據(jù)5號線光白區(qū)間2021年12月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，區(qū)間左線測點(diǎn)累計(jì)沉降量在-10.39 （Z5+399）～-1.56 mm之間；右線測點(diǎn)累計(jì)沉降量在-4.84～2.39 mm之間；整體表現(xiàn)為下沉趨勢。臨近12號線橋樁左線豎向變形分布在-7.52 mm，右線豎向變形分布在-4.18 mm。

1.2 既有線保護(hù)措施

區(qū)間穿越段地層采用800@600 mm三重旋噴樁加固，加固長度約為39.2 m，鄰近橋樁區(qū)段按二重管注漿壓力0.5～1.0 MPa進(jìn)行控制。空樁加固區(qū)深度約為13.32～15.21 m，實(shí)樁加固區(qū)為隧道中心線下側(cè)6.1m范圍，左右兩側(cè)加固區(qū)范圍為隧道中心線外側(cè)5.1 m，共10.2 m寬度。區(qū)間平面加固圖如圖3所示。

2 下穿既有高架區(qū)間數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 建立計(jì)算模型

采用MIDAS GTS NX巖土與隧道有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，建立茶青區(qū)間穿越既有軌道交通5號線光白區(qū)間模型，按實(shí)際施工順序模擬新建工程施工。模型以12號線線路走向?yàn)閄軸，垂直線路走向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸。模型在X軸方向取75 m，Y軸方向取70 m，Z軸方向取50 m。結(jié)合新舊工程的相對位置關(guān)系建立三維模型，如圖4、圖5所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

下穿區(qū)域從上到下地層及各土層的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

2.3 計(jì)算工況

為綜合考慮12號線區(qū)間施工過程中最不利因素對既有車站的影響，選取關(guān)鍵施工控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以便對施工過程中既有車站所受到的影響進(jìn)行分析。

工況1：地鐵施工前的初始狀態(tài)。為得到地鐵施工前地層的初始狀態(tài)，首先計(jì)算初始地應(yīng)力，計(jì)算完畢后，保留計(jì)算所得的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)將位移歸零，以此為后續(xù)5號線地鐵施工階段的初始狀態(tài)。

工況2：地鐵5號線光白區(qū)間高架結(jié)構(gòu)施作，得到12號線施工前的狀態(tài)，計(jì)算完畢后，保留計(jì)算所得的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)將位移歸零，以此考慮后續(xù)12號線地鐵施工時(shí)的附加影響。

工況3：12號線茶青區(qū)間盾構(gòu)穿越，模擬盾構(gòu)穿越工況，左右線前后錯(cuò)開，共分為18個(gè)子工序。

2.4 計(jì)算結(jié)果

通過有限元模型數(shù)值模擬分析，得到12號線施工過程中各工況下既有5號線區(qū)間高架結(jié)構(gòu)最大位移。

5號線光白區(qū)間高架結(jié)構(gòu)在施工最終的變形如圖6～圖8所示。

通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，盾構(gòu)隧道穿越期間引起周圍土體發(fā)生變形，引起既有5號線高架橋墩向盾構(gòu)穿越方向產(chǎn)生一定位移，隨著盾構(gòu)穿越，橋墩水平位移逐漸增大，盾構(gòu)穿越橋樁時(shí)達(dá)到峰值，穿越后，受盾構(gòu)工后沉降影響，位移有所回落。橋墩1最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，Z向最大豎向位移為-0.432 mm。橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm，Z向最大豎向位移為-0.317 mm。橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm，Z向最大豎向位移為-0.284 mm。

2.4.1 水平位移

通過模擬計(jì)算結(jié)果可見，橋墩1變形最大，最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，；橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm；橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm。最大水平差異變形發(fā)生于橋墩1與橋墩2，最大水平差異變形發(fā)生于工況3-15，為1.387-0.028=1.359 mm（圖9、圖10）。

2.4.2 豎向位移

橋墩1最大Z向豎向位移為-0.432 mm；橋墩2 最大Z向豎向位移為-0.317 mm；橋墩3 最大Z向豎向位移為-0.284 mm。最大差異沉降發(fā)生于橋墩1與橋墩2，最大差異沉降發(fā)生于工況3-7，為0.407-0.286=0.121 mm（圖11）。

2.4.3 橋墩傾斜率

提取墩頂、墩底水平位移分析，橋墩傾斜率最大發(fā)生在橋墩1（圖12）。傾斜率：（1.4100-1.3649）/6900=6.53×10-3‰＜0.6‰

盾構(gòu)隧道穿越期間引起周圍土體發(fā)生變形，進(jìn)而引起既有5號線高架橋墩向盾構(gòu)穿越方向產(chǎn)生一定位移，隨著盾構(gòu)穿越，橋墩水平位移逐漸增大，盾構(gòu)穿越橋樁時(shí)達(dá)到峰值，穿越后，受盾構(gòu)工后沉降影響，位移有所回落。橋墩1最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，Z向最大豎向位移為-0.432 mm；橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm，Z向最大豎向位移為-0.317 mm；橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm，Z向最大豎向位移為-0.284 mm，未超過變形控制標(biāo)準(zhǔn)。橋墩最大水平差異變形為1.359 mm，差異沉降為0.121 mm，未超過變形控制標(biāo)準(zhǔn)。橋墩傾斜率為6.53×10-3‰，在變形控制范圍內(nèi)。

3 施工控制及現(xiàn)場監(jiān)測情況

3.1 施工控制措施

施工前編制詳細(xì)施工方案，備齊防汛、應(yīng)急材料、設(shè)備等到位，保證發(fā)生問題時(shí)能夠及時(shí)有效地處理。穿越前設(shè)置試驗(yàn)段，獲得同類地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的最優(yōu)參數(shù)。在盾構(gòu)通過風(fēng)險(xiǎn)源之前檢修好盾構(gòu)各零件，檢查盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)，刀盤磨損等，確保性能完好，調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，復(fù)核盾構(gòu)導(dǎo)向，穿越期間不停工檢修，防止在風(fēng)險(xiǎn)源附近位置停機(jī)。

施工中合理安排施工工序，優(yōu)化施工工藝。穿越過程中中速均衡勻速連續(xù)地通過，根據(jù)地形及地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。嚴(yán)格控制地面荷載不超過20 kPa，減少荷載對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。及時(shí)進(jìn)行盾尾的同步注漿和隧道背后二次注漿，填充隧道與圍巖之間的空隙，減少地面沉降變形，減小工后沉降，一次性穿越完成。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)情況

在5號線白光區(qū)間布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時(shí)間為2022年4月23日至7月28日，各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目最終變化量：5號線橋墩沉降累計(jì)變化最大為-2.11 mm，道床沉降累計(jì)變化最大為-2.09 mm，橋墩水平位移累計(jì)變化最大為-2.1 mm。整個(gè)監(jiān)測過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)變形速率及累計(jì)值均在控制值范圍內(nèi)，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文以武漢市軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區(qū)間穿越既有軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區(qū)間為工程案例，通過建立有限元模型計(jì)算分析研究，采取地面注漿加固措施，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)加以施工控制，施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，保證了盾構(gòu)區(qū)間穿越過程中均未超過變形控制值，確保高架橋結(jié)構(gòu)變形安全可控，保證了既有運(yùn)營地鐵線路的安全。

參考文獻(xiàn)

［1］ 郭棟.北京地鐵盾構(gòu)隧道近接施工技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［2］ 張好旗. 新建隧道下穿對既有運(yùn)營地鐵隧道影響及控制研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2022.

［3］ 金大龍. 盾構(gòu)隧道群下穿既有地鐵運(yùn)營隧道變形機(jī)理及控制研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2018.

［4］ 李美欣，邵志國，于德湖.近距離下穿既有運(yùn)營地鐵車站的換乘車站施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2022，66（4）：155-161.

［5］ 仇文革.地下工程近接施工影響程度分區(qū)理論的探討［C］//中國土木工程學(xué)會年會文集.北京：中國土木工程學(xué)會，2004： 202-204.

［6］ 譚文.復(fù)雜地質(zhì)條件下超淺埋暗挖立體交叉隧道施工［J］.都市快軌交通，2011，24（3）：79-83.

［7］ 冷彪，仇文革，龔倫.新建下穿隧道對既有隧道影響的可拓學(xué)分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（4）：637-641.

［8］ 郭子紅.地下立交近接隧道穩(wěn)定性的理論分析與模擬研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.