深埋軟巖小凈距隧道近接既有車站的位移響應(yīng)

扈世民

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

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深埋軟巖小凈距隧道近接既有車站的位移響應(yīng)

扈世民

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

以在建的重慶軌道交通10號線紅土地站為工程背景，新建車站采用分離式小凈距隧道近距下穿既有車站。通過三維數(shù)值分析與現(xiàn)場實測相結(jié)合，對既有車站結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進行分析。既有結(jié)構(gòu)的豎向位移的位移響應(yīng)服從雙Peck擬合曲線，左、右線隧道開挖引發(fā)的豎向位移產(chǎn)生疊加，開挖上臺階和拆除臨時支撐為位移控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；小凈距隧道開挖引起的能量釋放被既有車站結(jié)構(gòu)吸收，下穿既有結(jié)構(gòu)所得沉降槽寬度參數(shù)值為天然地層條件下的0.924倍；深埋軟巖小凈距下穿既有結(jié)構(gòu)隧道地層損失率取值范圍為0.108%～0.16%；上臺階開挖注意控制拱部中空注漿錨桿的超前加固效果，形成一定范圍的承載拱；施作隧道仰拱后方可分段拆除臨時中隔壁，拆除范圍為6～7m。結(jié)果表明，現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結(jié)果基本吻合。 關(guān)鍵詞 城市軌道交通；小凈距隧道；深埋；沉降槽寬度參數(shù)；地層損失率；位移響應(yīng)

1 研究現(xiàn)狀

近年來重慶市軌道交通建設(shè)迅速發(fā)展，新建的地鐵結(jié)構(gòu)越來越多地下穿既有結(jié)構(gòu)，近接施工過程中對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動。如何確保新建結(jié)構(gòu)施工時既有結(jié)構(gòu)的正常運營成為地鐵建設(shè)的難點和重點。根據(jù)《北京市軌道交通工程風險工程分級與設(shè)計指南》(BJMTR/RM-CF-03，2013.05)，軌道交通下穿既有地鐵線路(含鐵路)風險源等級為特、一級，因此開展針對近距下穿既有車站的位移響應(yīng)研究尤為重要[1-4]。

1969年P(guān)eck根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對隧道開挖引起的地表沉降進行分析，認為隧道上覆地層的地表沉降可用正態(tài)分布進行擬合。P.B.Schmid在Peck研究的基礎(chǔ)上，提出了單洞隧道上覆地層的地表沉降關(guān)于寬度參數(shù)K、地層損失率V1為參數(shù)的函數(shù)[5]。

劉波、陶龍光、丁城剛等對地鐵雙線隧道開挖引發(fā)的地表沉降進行預(yù)測，表現(xiàn)為單洞引發(fā)的Peck曲線的疊加[6]，如圖1所示。

圖1 雙線隧道開挖引發(fā)的沉降曲線

(1)

i=K(z-z0)

(2)

其中：s(x)為隧道地表任一點的沉降值；x為地表點到隧道中間巖柱中線的水平距離；i為隧道中心線到地表沉降槽反彎點的距離；K為地表沉降槽寬度參數(shù)；V1為地層損失率；D為雙線隧道線路中線的距離。

韓煊、劉赪煒、J R STANDING等對英國倫敦JLE地鐵、北京地鐵5號線及10號線的下穿工程實測數(shù)據(jù)進行分析，得出近接施工引發(fā)的既有結(jié)構(gòu)的位移整體符合Peck曲線，表現(xiàn)為柔性變形。目前的研究多集中在第四系土質(zhì)地層，針對重慶地區(qū)深埋條件下巖層小凈距隧道下穿既有結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)研究較少[7-10]。

選取在建的重慶軌道交通10號線(建新東路—王家莊段)工程紅土地站下穿既有6號線地鐵車站為工程背景，采用三維數(shù)值分析與現(xiàn)場實測相結(jié)合，對深埋軟巖小凈距隧道近距下穿既有車站的位移響應(yīng)進行分析，基于Peck曲線的方法對既有車站結(jié)構(gòu)進行預(yù)測，提出小凈距隧道近距下穿既有車站位移控制措施，為類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

重慶軌道交通10號線(建新東路—王家莊段)工

程全部位于兩江新區(qū)內(nèi)，線路長度為32.15 km，其中地下段長度為24.85 km，高架段長度為7.3 km。該段工程共涉及車站19座，其中地下站18座。

重慶軌道交通10號線(建新東路—王家莊段)工程紅土地站位于五紅路下方，呈南、北向布置，采用15 m島式站臺，單拱雙層(局部3層)結(jié)構(gòu)，車站主體采用暗挖法施工。車站總長度為222 m，二襯結(jié)構(gòu)寬25.2 m，高度20.81 m，車站為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。車站埋深較大，頂部覆蓋層厚度約65.1～72.9 m。

該站與既有6號線紅土地站呈十字換乘，6號線紅土地站位于該站上方，與既有結(jié)構(gòu)凈距為5.06 m，6號線紅土地站為單拱雙層結(jié)構(gòu)，車站主體結(jié)構(gòu)剖面寬23.16 m，高18.36 m，目前運營狀態(tài)良好，如圖2、3所示。

圖2 小凈距隧道下穿既有車站縱剖面

圖3 小凈距隧道下穿既有車站橫剖面

紅土地站下穿段采用小凈距隧道、雙層拱形結(jié)構(gòu)，單洞間凈距為1.66 m，下穿段加固措施包括：

1) 進洞前超前小導(dǎo)管加固拱部圍巖，φ42超前注漿小導(dǎo)管，L=6.0 m，環(huán)距0.4 m，外插角為10°、15°，共2環(huán)；

2) 下穿段嚴格采用非爆破開挖，CRD法施工；

3) 中間巖柱設(shè)置中空注漿對拉錨桿R25@1m×0.5 m，L=2.5 m，梅花形布置；

4) 先開挖右線隧道，待右線隧道初支及二襯施作完成后再開挖左線隧道；

5) 加強初期支護剛度，工25a型鋼鋼架@0.5 m，開挖進尺采用0.5 m；

6) 上下臺階錯距不大于5 m，及時封閉初支；

7) 對初支背后及時充填注漿，避免產(chǎn)生空隙；

8) 加強既有軌道及既有結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工方案進行動態(tài)調(diào)整。

3 基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析的位移響應(yīng)

3.1 基于Peck 公式既有車站的豎向位移擬合

在建的10號線紅土地站采用分離式的小凈距隧道下穿既有地鐵車站，通過既有車站仰拱部位布置測點，對既有車站豎向位移和水平位移進行動態(tài)監(jiān)測，實測數(shù)據(jù)表明，車站結(jié)構(gòu)的水平位移較小，選取既有車站豎向位移進行分析，施工步序及測點布置如圖4、5所示。

采用Matlab7.0工具箱對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行擬合，擬合函數(shù)采用式(1)、(2)中z為10號線紅土地站等效埋深、z0為6號線紅土地站仰拱埋深。smax初始值取6號 線紅土地站豎向位移平均值，采用Legendre-Gauss 求積法進行回歸分析，先開挖右線隧道，當開挖左線隧道時存在2條Peck曲線的疊加，故選取左線隧道為例，擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5為下穿段左線隧道不同的施工階段，通過分析既有結(jié)構(gòu)豎向位移可得以下結(jié)論。

1) 下穿段小凈距隧道采用CRD法施工，每側(cè)隧道分為左、右兩個導(dǎo)洞，每側(cè)導(dǎo)洞分為上、中、下3個臺階。上臺階開挖引發(fā)既有結(jié)構(gòu)的豎向位移累計所占比例為27.4%，中臺階和下臺階累計比例為9.6%和12.4%。

2) 考慮到CRD法施工中，中隔壁的拆除對洞周擾動較大，待澆筑仰拱及回填層，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分段(約6～7 m)拆除臨時支撐，拆除臨時支撐引發(fā)的既有結(jié)構(gòu)的豎向位移累計所占比例為30.1%。

圖4 既有車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測平面

圖5 左線隧道不同施工步序擬合曲線

3) 在小凈距隧道施工過程中，左、右線隧道開挖引發(fā)的豎向位移產(chǎn)生疊加。由于隧道開挖斷面積較大、中間巖柱的寬度較小，既有結(jié)構(gòu)豎向位移疊加曲線未表現(xiàn)出雙峰值特征。

4) 下穿既有結(jié)構(gòu)仰拱豎向位移引起的地表沉降服從Peck曲線，實測值豎向位移最大值為8.42 mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向位移不大于10 mm的要求。

3.2 既有車站的豎向位移擬合結(jié)果分析

1) 沉降槽寬度參數(shù)K。圖6為天然泥巖地層條件與下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)相同位置豎向位移曲線對比。

圖6 天然巖層和下穿既有結(jié)構(gòu)條件擬合曲線

根據(jù)實測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，深埋軟巖小凈距隧道沉降槽寬度參數(shù)K取值范圍為2.89～3.82。通過有限元差分程序FLAC3D建立三維計算程序，對不含既有結(jié)構(gòu)的車站開挖引起的相同位置的豎向位移進行分析，可得下穿既有結(jié)構(gòu)的K值較大，為天然地層條件下的0.924倍。這與韓煊、李寧、J R.STANDING等[7]統(tǒng)計結(jié)果相吻合。

下穿既有結(jié)構(gòu)工況所得K值較小，主要是由于小凈距隧道開挖引起的能量釋放被既有車站結(jié)構(gòu)擾動，表現(xiàn)為2個方面：地下車站的開挖引發(fā)了影響范圍內(nèi)地層的能量釋放，既有結(jié)構(gòu)吸收了部分能量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變能，表現(xiàn)為既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的位移；既有地鐵車站結(jié)構(gòu)阻隔了能量向上的傳播，而只能向水平向擴散，故比天然泥巖工況條件下水平向的影響范圍小。

2) 地層損失率V1。根據(jù)實測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，深埋軟巖小凈距隧道地層損失率V1取值范圍為0.108%～0.16%，主要是小近距隧道采用CRD法分步開挖、及時施作初期支護，故地層損失率V1整體數(shù)值不大。圖6對比了天然泥巖工況條件下的地層損失率V1，二者相差不大。

3.3 施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

通過實測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算對下穿段施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出相關(guān)要求：

1) 下穿段嚴格采用非爆破開挖，拱部設(shè)置中空注漿錨桿，注意對注漿效果的控制，超前加固拱部巖體；

2) 施作隧道仰拱后，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分段(約6～7 m)拆除臨時中隔壁；

3) 嚴格按照設(shè)計上、中、下臺階高度開挖，及時支護；

4) 及時對初襯背后進行注漿填充，注漿 材 料 采用

水泥漿，壓力控制在0.1～0.3 MPa，以初襯與土層密貼為原則。在鋪設(shè)防水層前，初襯表面不應(yīng)有明水，否則在滲漏水部位應(yīng)進行襯砌背后注漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

4 基于數(shù)值計算分析的位移響應(yīng)

4.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)紅土地下穿既有車站的工程實際，通過有限元差分程序FLAC3D建立小凈距隧道下穿既有車站的數(shù)值模型。根據(jù)Saint Vecant原理，地下車站施工僅影響洞周一定范圍的巖體，故計算模型的范圍為：以新建車站橫斷面寬度方向為x軸，數(shù)值為160 m；選取新建車站線路方向為y軸，數(shù)值為160 m；以重力方向為z軸，數(shù)值為150 m。計算模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 計算模型網(wǎng)格劃分(部分)

根據(jù)《重慶軌道交通十號線紅土地站巖土工程詳細勘察報告》確定洞周地層的物理力學參數(shù)，車站主體結(jié)構(gòu)穿越巖層以砂質(zhì)泥巖為主，局部砂巖夾層，圍巖基本分級為Ⅳ級，屬于軟巖地層。

周家文等[11]根據(jù)Mohr-Coulomb模型和應(yīng)變軟化模型對中風化巖層的適應(yīng)性進行了實驗分析，得出應(yīng)變軟化模型更能反映中風化巖層力學特性。車站結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，相關(guān)參數(shù)取自表1。

表1 計算模型物理力學參數(shù)

4.2 數(shù)值模型的結(jié)果分析

圖8為下穿既有結(jié)構(gòu)仰拱豎向位移實測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算擬合曲線，可得以下結(jié)論：

1) 現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結(jié)果基本吻合，地表沉降最大值均位于中間巖柱中心線上方；

2) 下穿既有結(jié)構(gòu)仰拱豎向位移引起的地表沉降服從Peck曲線，數(shù)值計算豎向位移最大值為7.48 mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向位移不大于10 mm的要求；

軌道差異沉降為表征既有結(jié)構(gòu)正常運營的關(guān)鍵指標，每個監(jiān)測斷面設(shè)置4個軌道差異沉降測點。軌道差異沉降的累計測量最大值為6.02 mm，滿足風險評估提出的軌道差異沉降不大于7 mm的要求。

圖8 現(xiàn)場實測和數(shù)值計算曲線對比

5 結(jié)論

1) 下穿段小凈距隧道開挖引發(fā)的上覆既有結(jié)構(gòu)豎向位移具有明顯的階段性，開挖上臺階和拆除臨時支撐所占比例近60%。

2) 在小凈距隧道施工過程中，左、右線隧道開挖引發(fā)的豎向位移產(chǎn)生疊加，擬合曲線符合雙Peck曲線的變形規(guī)律。

3) 相對于天然泥巖條件下，下穿既有結(jié)構(gòu)所得沉降槽寬度參數(shù)K值較小，主要是由于小凈距隧道開挖引起的能量釋放被既有車站結(jié)構(gòu)擾動。

4) 深埋軟巖小凈距隧道地層損失率V1取值范圍為0.108%～0.16%，主要是小近距隧道采用CRD法分步開挖，及時施作初期支護，故地層損失率V1整體數(shù)值不大。

5) 在施工過程中要注意控制拱部中空注漿錨桿的超前加固效果、臨時中隔壁拆除時機和范圍。

6) 現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結(jié)果基本吻合，所得數(shù)值滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向位移不大于10 mm的要求。

[1] 張成平，張頂立，王夢恕.大斷面隧道施工引起的上覆地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形分析[J].巖土工程學報，2009，31(5)：805-810.

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(編輯：郝京紅)

Displacement Response of Deep-buried Tunnel with Small Clear Spacing in Soft Rock Strata to Existing Adjacent Metro Stations

Hu Shimin

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The Hongtudi station in progress of Line 10, Chongqing Metro is taken as the project background, whose tunnel is a separate one with small clear spacing and passes close through the existing metro station. The displacement response of the existing metro station is performed by 3D numerical simulation and site measurement. The displacement response of the existing metro station accords with Double-Peck fitting curve, and the superposition of vertical displacement is produced by the double-tunnels' excavation. The up-step excavation and temporary support demolition is the key to displacement control. The energy released by the excavation of the small clear spacing tunnel is absorbed by the existing metro station. The parameter of the settlement trough width arising from the crossing of the tunnel is 0.924 times that of the natural strata and the value range of volume loss due to the crossing is 0.108%～0.16%. The up-step excavation can achieve the advanced strengthening effect by controlling the hollow grouting anchor for the arch, and the load-bearing arch is performed in a dose-dependent manner. The temporary support is demolished after invert construction, and the range of temporary support demolition is less than 6～7 m. The results show that the results of field measurement and numerical calculation are basically consistent.

urban rail transit; neighborhood tunnel; deep-buried; trough width parameter; volume loss; displacement response

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.018

2016-01-14

2016-01-28

扈世民，男，工學博士，工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)和隧道方面的設(shè)計和研究工作，hsm3690@163.com

國家計劃973項目(2010CB732102)

U231

A

1672-6073(2016)06-0087-06