雙線盾構(gòu)順序下穿鐵路箱涵的實例研究

李 濤，劉 波，朱連華，竇海洋，陳慧嫻，王昕鵬

（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083）

在城市地下鐵路建設(shè)中，盾構(gòu)法具有施工速度快、環(huán)境擾動小、掘進不受地形限制、適用地層土質(zhì)范圍廣等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。目前，由于盾構(gòu)施工自身特點及施工技術(shù)水平，地層沉降尚無法避免，只能控制。當?shù)貙游灰七^大，勢必會影響地表建筑物及地下其他設(shè)施的安全及使用，特別是在各種建筑物、地下管線、市政道路等密集地段修建地鐵，潛在危險性更大，據(jù)此地鐵施工誘發(fā)的地層沉降引起了專家學者的高度重視［1］。針對地鐵隧道施工引起地層位移變形問題，國內(nèi)外研究人員做了大量工作，歸納起來大致有 Peck法［2］、隨機介質(zhì)法［3－4］、數(shù)值模擬法［6－10］、現(xiàn)場監(jiān)測［9－10］等。其中，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測可以結(jié)合施工情況對具體問題進行具體分析，并可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行反分析，從而確保工程施工的安全。因而，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法是一種較為適用的方法。

筆者以北京地鐵6號線某區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道順序下穿既有鐵路箱涵的工程為背景，采用數(shù)值仿真分析和現(xiàn)場實測的方法，對雙線盾構(gòu)推進過程中周圍土體的兩次擾動影響問題，以及雙線盾構(gòu)施工對既有鐵路箱涵的影響問題進行了研究，并實例分析了鐵路箱涵加固措施的科學性、有效性，具有一定的實用價值。

1 工程概況

本工程為北京地鐵6號線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路箱涵，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道和鐵路箱涵相互關(guān)系圖

雙線隧道采用先后盾構(gòu)的方式進行，先施工右線，后施工左線，兩條線路都從西向東進行掘進。既有的鐵路位于箱涵之上，箱涵分東西兩部分箱體，兩箱涵間距離為3．77m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用預制頂進行施工，外包尺寸43．15m×7．8m×31．06m，箱涵底板厚1．05m，側(cè)墻厚1．05m，頂板厚1．0m。兩箱涵間距離為3．77m，箱涵的南北兩側(cè)局部設(shè)置護坡樁，樁長為14m，樁上設(shè)置了29m長的錨索。上面現(xiàn)有5條南北向鐵路線，鐵軌軌距為1．415m，軌枕間距55cm。隧道中心埋置深度23．5m，盾構(gòu)外徑為6 150mm，最大推進速度10cm／min，最大推力為38 500kN，最大扭矩為5 620kN·m。區(qū)域水文地質(zhì)勘測資料表明，本段線路賦存三層地下水，分別為上層滯水、潛水及層間水。近3～5年最高水位標高31．00m，為上層滯水。

2 數(shù)值計算

2．1 計算模型

圖2 計算網(wǎng)格單元

采用有限差分軟件FLAC3D進行分析，模型尺寸可基本消除邊界效應(yīng)帶來的影響。FLAC3D計算網(wǎng)格單元如圖2所示。巖土體模型采用彈塑性理論，符合摩爾－庫侖準則；盾構(gòu)隧道的管片，鐵路箱涵，采用彈性體三維實體單元，力學行為符合胡克定律［11］；護坡樁體采用pile結(jié)構(gòu)單元。在盾構(gòu)過程中，襯砌管片所受到的注漿壓力比較復雜，漿液滲入土體，與土壓力相互平衡后，一起對襯砌產(chǎn)生作用，在此過程中，漿液要經(jīng)過由液態(tài)到固態(tài)的過程。由于漿液由液態(tài)逐漸硬化成固態(tài)的過程較難模擬，因此，通過向上一步中盾尾處的1環(huán)單元的外圍土體單元施加等效均布的徑向壓力，模擬盾尾同步注漿過程［12］。具體的模擬過程為：

a．重力荷載作用下的內(nèi)力平衡；

b．施加鐵路箱涵的荷載，并再一次進行內(nèi)力平衡，并使位移清0；c．分步開挖右線隧道，管片拼裝并進行壁后注漿；d．分步開挖左線隧道，管片拼裝并進行壁后注漿。

2．2 邊界條件

模型側(cè)面為水平位移邊界，模型底部為固定邊界，約束其水平移動和垂直移動，模型上邊界為地表，為自由邊界。

2．3 模型參數(shù)

區(qū)間隧道穿過地層自上而下為：粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉細砂層、圓礫層、中粗砂層、粉質(zhì)黏土層、黏土層、粉土層。在鐵路箱涵范圍隧道穿越地層上半部為圓礫卵石層，下半部為粉質(zhì)黏土層。計算模型的物理力學參數(shù)見表1，管片、建筑物基礎(chǔ)的力學參數(shù)見表2。

表1 巖土材料的物理力學參數(shù)

表2 管片的計算參數(shù)

2．4 計算結(jié)果

2．4．1 地面沉降計算結(jié)果分析

圖3 地表橫向沉降曲線圖

圖3是隧道上方地表橫斷面沉降槽分布曲線。兩條隧道同時掘進的情況下，沉降曲線形狀基本符合Peck的正態(tài)分布曲線。但是，當兩條平行隧道掘進有一定的先后順序時，沉降曲線左右并不對稱。圖3表明，由于左線隧道后行，故地表最大沉降位置偏離雙線隧道中心線，朝左線隧道方向偏移3．0m左右，約為 D／2（D 為隧道直徑），其值為－14．1 mm。這除了與左右隧道所處的地質(zhì)條件差異有關(guān)外，主要是由于先行隧道（右線隧道）對周圍土體產(chǎn)生了初次擾動，降低了土體的自身強度，使得土體在后行隧道盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生了更大的位移。此外，可能與注漿量、注漿壓力以及刀盤旋轉(zhuǎn)方向也有一定的關(guān)系。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現(xiàn)在雙線隧道中心線偏向后行隧道中線的某個位置。

2．4．2 鐵路箱涵沉降計算結(jié)果分析

從數(shù)值計算結(jié)果來看，鐵路箱涵位置點1，2，3，4（圖1）的沉降變化趨勢相似，故以位置點1的沉降值為例進行分析。圖4是雙線隧道先后盾構(gòu)通過既有鐵路箱涵位置點1的沉降曲線圖。從圖中可以看出，右線隧道盾構(gòu)面未達到監(jiān)測點1時，地面有略微的隆起，當右線隧道盾構(gòu)面到達鐵路箱涵監(jiān)測點時，鐵路箱涵監(jiān)測點1的沉降為－2．2mm，右線隧道盾構(gòu)通過后，鐵路箱涵的沉降又增加了2．6mm，使得右線隧道完全通過的總沉降為－4．8mm，盾構(gòu)通過后的地層沉降主要來源于盾尾建筑空隙，計算結(jié)果表明盾尾建筑空隙產(chǎn)生的沉降為總沉降的54．2%。左線隧道盾構(gòu)面達到監(jiān)測點1時，鐵路箱涵的沉降增加了4．0mm，完全通過后的增加量為3．8mm，說明左線隧道建筑空隙產(chǎn)生的沉降占左線隧道引起總沉降的48．7%，其主要原因是左線隧道盾構(gòu)面到達監(jiān)測斷面時的沉降值中包含了一部分由于右線隧道施工擾動土體的固結(jié)沉降，故使得盾尾建筑空隙引起沉降的比重下降?？傮w來講，雙線隧道先后通過鐵路箱涵時，盾尾建筑空隙引起的沉降占總沉降的50%左右。雙線隧道完全通過后，地表的總沉降為－12．6mm。

圖4 雙線隧道先后盾構(gòu)通過既有鐵路箱涵的沉降曲線圖

3 地層位移的控制措施

基于以上地表沉降的數(shù)值計算分析結(jié)果，針對雙線隧道盾構(gòu)順序下穿鐵路箱涵工程，主要進行了以下措施。

1）盾構(gòu)機掘進參數(shù)設(shè)定。計算中的盾構(gòu)推力通過施加應(yīng)力實施的，為14 000kN，故確定掘進時總推力控制在12 000～17 000kN；根據(jù)土質(zhì)、推力和土倉壓力等綜合確定，受土質(zhì)影響最大，下穿鐵路時盾構(gòu)推進速度適當放緩到10～20mm／min；數(shù)值計算是通過單元施加等效均布的徑向壓力，模擬盾尾同步注漿過程，結(jié)合工程經(jīng)驗，使土壓力匹配且使?jié){液不會進入土倉和壓壞管片，并保證地面的隆陷值在允許范圍內(nèi)，一般取0．3～0．5MPa；同步注漿充填率要求在管片與土體之間的空隙體積的基礎(chǔ)上，再結(jié)合地層情況按1．2～1．5倍擴大系數(shù)確定。

2）保證施工的連續(xù)性。做好各類保障措施，包括物質(zhì)保障、設(shè)備保障等。配置足夠的維修保障配件和人員，避免和及時處理盾構(gòu)設(shè)備故障。嚴格保證穿越過程勻速、連續(xù)性，確保在鐵路箱涵區(qū)域附近不停機，并嚴格控制出土量。

3）對隧道上方土體進行加固。為保證盾構(gòu)掘進過程中，鐵路箱涵的穩(wěn)定，數(shù)值計算時，通過提高隧道上方的土體力學參數(shù)值，達到該區(qū)域土體加固的效果。施工中，注漿加固了該區(qū)域土體。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

基于控制措施，為保證工程的順利實施，對該工程進行了現(xiàn)場監(jiān)測。

圖5 箱涵位移

圖5為實測監(jiān)測點沉降位移變化曲線?，F(xiàn)場監(jiān)測過程中，箱涵頂部共設(shè)置12個監(jiān)測點，取其中4個監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)分析（圖1）。右線盾構(gòu)到達鐵路箱涵時，各監(jiān)測點略有隆起，最大隆起量為1．0mm，出現(xiàn)在4號測點的位置。在右線盾構(gòu)穿越鐵路箱涵的過程中，鐵路箱涵的沉降值并不大，最大的沉降量也只有－1．6mm，其主要原因有兩方面：一是右線隧道上方的土體已經(jīng)進行了有效的加固；二是穿越過程中，控制好了盾構(gòu)姿態(tài)和掘進速度，并確保了同步注漿的效果。盾尾空隙和擾動土體固結(jié)沉降的影響，使得右線盾構(gòu)穿越后，地層有一定的沉降量出現(xiàn)。左線隧道位于鐵路箱涵正下方，在穿越過程中，從盾構(gòu)面到達箱涵，到離開箱涵，平均產(chǎn)生了－3．0mm的沉降。沉降穩(wěn)定后，箱涵的最大沉降為－11．3mm，出現(xiàn)在2號監(jiān)測點；最小沉降為－3．2mm，出現(xiàn)在4號監(jiān)測點。在整個雙線隧道施工過程中，盾構(gòu)機通過監(jiān)測斷面后，各監(jiān)測點均發(fā)生較為顯著的沉降，采取注漿措施后，位移有所上升并趨于穩(wěn)定，由此可以看出，合理的壁后注漿，是控制地層變形的關(guān)鍵。

從圖5的實測結(jié)果可以看出，雙線隧道順序下穿鐵路箱涵時，鐵路箱涵的沉降大體有兩個較為明顯的沉降段和兩個較為明顯的穩(wěn)定段，如圖5中的簡化曲線所示。圖5的簡化曲線與圖4的數(shù)值模擬曲線的變化形式、數(shù)值大小基本一樣，進而說明了模型的合理性和適用性。圖5中監(jiān)測點1的最大沉降值為－10．7mm，沉降穩(wěn)定值為－9．6mm，穩(wěn)定值比最大沉降值略小是由施工中的二次注漿引起的。數(shù)值模擬值比實測值略大的原因也正是數(shù)值計算中無法考慮二次注漿量對地表沉降的影響。

5 結(jié)論

北京地鐵6號線盾構(gòu)下穿既有鐵路箱涵工程難度大，風險高。本文對盾構(gòu)穿越過程中橫向地表沉降數(shù)據(jù)以及鐵路箱涵縱向位移進行了分析，并對隧道盾構(gòu)施工對既有鐵路箱涵的影響進行了評估。獲得了以下幾點結(jié)論：

1）順序掘進兩條平行隧道時，地表沉降量最大值出現(xiàn)在兩條隧道中心線偏向后行隧道約D／2（D為隧道直徑）的位置。

2）后掘進隧道建筑空隙產(chǎn)生的沉降比為48．7%，小于先行掘進隧道建筑空隙產(chǎn)生的沉降比54．2%，其主要原因是后掘進隧道盾構(gòu)面到達監(jiān)測斷面時的沉降值中包含了一部分由先行掘進隧道施工擾動土體的固結(jié)沉降值。

3）雙線隧道順序下穿鐵路箱涵使箱涵本身的沉降曲線出現(xiàn)兩次較為明顯的沉降段和穩(wěn)定段。

4）數(shù)值計算的沉降規(guī)律和現(xiàn)場監(jiān)測的沉降規(guī)律基本相符，說明了下穿鐵路箱涵段施工地表變位有效控制措施具有科學性和有效性，并最終確保了穿越時箱涵結(jié)構(gòu)安全，對類似工程有一定的參考借鑒意義。

［1］ 劉寶琛．亟待深入研究的地鐵建設(shè)中的巖土力學課題［J］．鐵道建筑技術(shù)，2000（3）：1－3．

［2］ 張忠苗，林存剛，吳世明，等．過江盾構(gòu)隧道穿越大堤的地層沉降分析及控制［J］．巖土工程學報，2011，33（6）：977－984．

［3］ 劉寶琛，張家生．近地表開挖引起的地表沉降的隨機介質(zhì)方法［J］．巖石力學與工程學報，1995，14（4）：289－296．

［4］ 劉寶琛，林德璋．淺部隧道開挖引起的地表移動及變形［J］．地下工程，1983（7）：1－7．

［5］ 魏新江，魏綱，丁智．盾構(gòu)施工與鄰近不同位置建筑物相互影響分析［J］．巖土力學，2007，28（10）：1277－1282．

［6］ 陶龍光，劉波，丁城剛，等．盾構(gòu)過地鐵站施工對地表沉降影響的數(shù)值模擬［J］．中國礦業(yè)大學學報，2003，32（3）：236－240．

［7］ 劉波，陶龍光，葉圣國，等．地鐵隧道施工引起地層變形的反分析預測系統(tǒng)［J］．中國礦業(yè)大學學報，2004，33（3）：277－282．

［8］ 劉波，陶龍光，丁城剛，等．地鐵雙隧道施工誘發(fā)地表沉降預測研究與應(yīng)用［J］．中國礦業(yè)大學學報，2006，35（3）：356－361．

［9］ Li T，Liu B，Dou H Y．Analysis on ground settlement induced by shield tunneling undercrossing railways and tall buildings［C］∥ Proceedings of the 2nd ISRM International Young Scholar’s Symposium on Rock Mechanics，2011：947－951．

［10］ 李濤，劉波，江玉生，等．盾構(gòu)始發(fā)負環(huán)管片和反力架拆除時機的影響因素研究［J］．中國鐵道科學，2012，33（2）：48－53．

［11］ 劉波，韓彥輝．FLAC原理、實例與應(yīng)用指南［M］．北京：人民交通出版社，2005．

［12］ 葉飛，朱合華，何川．盾構(gòu)隧道壁后注漿擴散模式及對管片的壓力分析［J］．巖土力學，2009，30（5）：1307－1312．