上跨下穿施工對城市軌道交通既有隧道的影響分析

劉建國 張波路 王加磊(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,215004,蘇州//第一作者,高級工程師)

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上跨下穿施工對城市軌道交通既有隧道的影響分析

劉建國 張波路 王加磊
(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,215004,蘇州//第一作者,高級工程師)

摘 要結(jié)合蘇州軌道交通1、2號線,采用有限元數(shù)值模擬方法,研究城市軌道交通新建線路、市政管線等其它工程穿越城市軌道交通既有線隧道時(shí),新建隧道和市政管線在不同外徑和豎向凈距的情況下,城市軌道交通既有線路位移場及應(yīng)力場的變化規(guī)律。根據(jù)既有線隧道最大拉應(yīng)力同抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的關(guān)系,得到上跨下穿施工豎向凈距控制標(biāo)準(zhǔn),為新建城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)和施工以及城市軌道交通既有線路的安全防護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞盾構(gòu)法;上跨下穿;近接施工;有限元分析

Author′s address Suzhou Railway Transit Group Co., Ltd.,215004,Suzhou,China

在城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)中,不可避免地會遇到新建線路、市政管線等其它工程穿越既有線路的問題,可能會對既有城市軌道交通線結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重威脅。

盾構(gòu)隧道穿越施工并不是新課題,不少學(xué)者已采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方法開展了相關(guān)研究。本文從最小凈距和最大隆沉量方面統(tǒng)計(jì)了上海、廣州、深圳等地鐵隧道上跨下穿施工項(xiàng)目的監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1和表2(表中未注明城市的線路均為上海的軌道交通線)。

表1　上跨施工案例統(tǒng)計(jì)

表2　下穿施工案例統(tǒng)計(jì)

蘇州軌道交通的建設(shè)相對較晚,相應(yīng)的研究較少。文獻(xiàn)[13]以蘇州軌道交通2號線為背景,研究了盾構(gòu)近鄰平行隧道對地層變形的影響。文獻(xiàn)[14]以蘇州軌道交通1號線為背景,模擬了盾構(gòu)隧道施工過程,得到了地表沉降槽曲線。文獻(xiàn)[15]結(jié)合蘇州軌道交通1號線臨頓路站—倉街站區(qū)間盾構(gòu)工程實(shí)例研究盾構(gòu)隧道管片壁后注漿材料、注漿參數(shù)、二次補(bǔ)漿、各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)對地表隆起和沉降變形的影響。隨著后續(xù)線路的建設(shè)不可避免地將要遇到新建線路、市政管網(wǎng)穿越城市軌道交通既有線路的難題。因此,結(jié)合蘇州地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)開展近距離穿越城市軌道交通既有線路工程研究顯得尤為迫切。

本文以蘇州軌道交通1、2號線為工程背景,采用有限元方法,研究城市軌道交通新建線路、市政管線等其它工程穿越既有城市軌道交通線路時(shí),既有城市軌道交通線路位移場及應(yīng)力場的變化規(guī)律,為新建城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)、施工和既有線路的安全保護(hù)提供參考。

1　穿越施工有限元模型

蘇州軌道交通1號線位于蘇州城區(qū)的東西軸向,線路全長約25.74 km,平均埋深約15 m。全線均為地下車站。2號線為南北向,線路全長26.6 km,高架線路約7 km,其余均為地下線。2號線盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌,盾構(gòu)管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、厚0.35 m、環(huán)寬1.2 m;每環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成,采用錯(cuò)縫式拼裝。

根據(jù)蘇州軌道交通的實(shí)際情況,建立新建隧道、市政管線上跨和下穿既有軌道交通線路的有限元計(jì)算模型,見圖1和圖2。既有隧道橫斷面位于XZ平面內(nèi),縱軸平行于坐標(biāo)Y軸,位于第⑥層粉質(zhì)黏土層。新建隧道穿越既有隧道,橫斷面位于YZ平面內(nèi),縱軸平行于坐標(biāo)X軸。X和Y方向的長度均為100 m,Z方向的長度為60 m。模型四周約束水平向位移,底部約束豎向位移,頂面為自由面。既有隧道頂部埋深15 m,外徑6.2 m,管片厚度0.35 m,采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管片。計(jì)算新建隧道(或市政管線)以不同外徑、不同豎向凈距穿越施工對既有隧道的影響。

計(jì)算模型土層依據(jù)蘇州地區(qū)的某開發(fā)地塊項(xiàng)目的地層,共11層,土體采用摩爾-庫倫模型,計(jì)算模型見圖1、圖2所示。具體參數(shù)見表3。隧道管片采用線彈性模擬,彈性模量為35.5 GPa,泊松比為0. 16。土體和管片均采用8節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬?？紤]到市政交通隧道上跨往往不能滿足上覆土的厚度要求,上跨的市政管線更容易滿足此項(xiàng)要求,因此上跨計(jì)算選擇外徑D=1 m、3 m、5 m、6.2 m四種,下穿僅計(jì)算D=6.2 m。

文獻(xiàn)研究表明,盾構(gòu)隧道施工地層損失率一般在0.2%～2%[14-16],故計(jì)算中假定地層損失率為1%,不考慮地下水的影響。模擬步驟如下:

(1)既有隧道和土體地應(yīng)力平衡,經(jīng)過平衡將模型的位移控制在10-5m數(shù)量級;

(2)新建隧道(管線)開挖,控制地層損失率為1%,每個(gè)分析步開挖3.6 m長,即3個(gè)管片環(huán)寬度。

圖1　新建隧道和市政管線上跨既有隧道計(jì)算模型

圖2　新建隧道下穿既有隧道計(jì)算模型

表3　土層參數(shù)表

2　上跨施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響

2.1新建隧道或管線的外徑對既有隧道的影響

圖3是新建隧道(D=6.2 m)和市政管線(D= 1 m、3 m、5 m)在豎向凈距1 m上跨既有隧道施工時(shí),既有隧道豎向位移分布曲線。圖3中橫坐標(biāo)為既有隧道縱向長度,橫坐標(biāo)50 m處為新建隧道或管線跨越既有隧道處。

新建隧道和市政管線跨穿施工時(shí),既有隧道沿縱向隆起形成“反沉降槽”;既有隧道被跨處隆起量最大,向兩端隆起量逐漸減小。隨著新建工程外徑的增大,既有隧道最大隆起量不斷增大,但均在10 mm以內(nèi);外徑6.2m時(shí)既有隧道最大隆起量為8.8 mm,是外徑1 m時(shí)既有隧道最大隆起量(0.5 mm)的17.6倍。既有隧道的隆起量隨著新建隧道、市政管線的直徑增加而明顯增大。

圖3　不同外徑隧道或管線在凈距1 m處上跨施工時(shí)既有隧道豎向位移分布曲線

圖4為新建隧道和不同外徑的市政管線在豎向凈距1 m處上跨既有隧道時(shí)既有隧道的最大拉應(yīng)力分布云圖。

圖4　不同外徑隧道或管線凈距1 m處上跨施工時(shí)既有隧道最大拉應(yīng)力云圖

由圖4可見,既有隧道與新建隧道(管線)空間交叉處,既有隧道頂部拉應(yīng)力明顯集中。既有隧道最大拉應(yīng)力值隨著新建隧道或管線外徑的減小而減小,并且應(yīng)力集中的范圍也隨著外徑的減小而減小。

2.2豎向凈距對既有隧道的影響

圖5是新建隧道(D=6.2 m)和市政管線(D= 1 m、3 m、5 m)以不同豎向凈距上跨施工時(shí),既有隧道豎向位移的變化曲線。

由圖5可見,新建隧道和不同外徑的市政管線上跨施工時(shí),隨著豎向凈距的增加,既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢,但減小速率較慢,尤其是新建市政管線外徑較小時(shí),減小速率更加緩慢(如圖中D =3 m的曲線)。凈距對既有隧道隆起的影響較外徑的影響小。

新建隧道和市政管線施工,改變了既有隧道受力狀態(tài),在承載能力極限狀態(tài)下隧道設(shè)計(jì)時(shí)往往要求結(jié)構(gòu)受力不超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,由于混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,因此,可根據(jù)最大拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的關(guān)系來判定不同工況下既有隧道是否處在安全狀態(tài)。圖6是新建隧道和市政管線以不同豎向凈距上跨施工時(shí),既有隧道最大主應(yīng)力變化曲線。既有隧道管片混凝土強(qiáng)度為C50,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.07 MPa,施工中既有隧道最大拉應(yīng)力不宜超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。以下?lián)朔治霭踩拇┰絻艟唷?/p>

圖5　上跨施工既有隧道豎向位移隨豎向凈距的變化

圖6　上跨施工時(shí)既有隧道最大拉應(yīng)力隨豎向凈距的變化

由圖6可見,上跨施工時(shí)既有隧道最大拉應(yīng)力隨著豎向凈距的增大而減小。外徑6.2 m的隧道上跨施工時(shí),應(yīng)力變化曲線與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值交點(diǎn)對應(yīng)的豎向凈距約為4.2 m。根據(jù)模擬分析結(jié)果,建議外徑6.2 m或直徑更大的隧道上跨施工時(shí),凈距應(yīng)≥4.2 m,此時(shí)新建隧道上最大覆土厚度為4.6 m,不滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對隧道覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑的規(guī)定。在既有隧道埋深15 m,地層損失率1%的假定下,外徑6.2 m或直徑更大的隧道不宜上跨施工。同理,外徑為5 m的管線上跨施工時(shí)應(yīng)保證豎向凈距≥2.6 m;外徑≤3 m的管線在豎向凈距≥1 m情況下可以上跨施工。

3　下穿施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響

由于市政管線下穿城市軌道交通既有隧道的情況極少,僅就新建隧道下穿城市軌道交通既有隧道進(jìn)行分析。圖7是新建隧道(D=6.2 m)以不同凈距下穿施工時(shí),既有隧道的豎向位移分布曲線。

圖7　下穿施工時(shí)既有隧道豎向位移分布曲線

由圖7可知:新建隧道下穿施工時(shí),既有隧道沿縱向沉降且形成“沉降槽”;既有隧道在被下穿處的沉降量最大,到兩端沉降量不斷減小。隨新建隧道與既有隧道豎向凈距的增加,既有隧道沉降量減小。經(jīng)模擬分析,既有隧道沉降量均在10 mm以內(nèi)。

圖8是新建隧道下穿施工時(shí)既有隧道的最大拉應(yīng)力分布云圖。由圖8可見:在既有隧道與新建隧道空間交叉處,既有隧道頂部拉應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力隨豎向凈距的增加而減小,但應(yīng)力集中的范圍稍有增大。

圖8　下穿施工既有隧道最大拉應(yīng)力云圖

圖9是下穿施工時(shí)既有隧道最大拉應(yīng)力隨豎向凈距的變化曲線。由圖9可知,新建隧道下穿施工的4種工況中,凈距為1 m和2.5 m的工況下既有隧道最大拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;當(dāng)凈距＞3 m時(shí),既有隧道最大拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此,在本文假定的既有隧道埋深15 m,地層損失率為1%的情況下,應(yīng)限制新建隧道在凈距3 m以內(nèi)的下穿施工,凈距3 m以上的下穿工程,應(yīng)注意采取措施,嚴(yán)格控制地層損失率,以保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

圖9　下穿施工既有隧道最大拉應(yīng)力隨豎向凈距的變化

4　數(shù)值計(jì)算與工程實(shí)測對比

圖10是隧道(D=6.2 m)上跨施工的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與表1中實(shí)測數(shù)據(jù)的對比。數(shù)值計(jì)算上跨施工的案例,既有隧道發(fā)生隆起,與實(shí)測規(guī)律一致;數(shù)值計(jì)算隆起量值均在10 mm以內(nèi),實(shí)測隧道隆起量一般在5 mm以內(nèi),兩者數(shù)量級一致。這說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠,而實(shí)際施工中對地層損失率的控制更加嚴(yán)格。

圖10　上跨施工的數(shù)值計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比

圖11是隧道(D=6.2 m)下穿施工數(shù)值計(jì)算與表2中實(shí)測數(shù)據(jù)的對比。由實(shí)測值可見,下穿施工時(shí)既有隧道豎向位移最大值并不統(tǒng)一,有沉降也有隆起,但均控制在±10 mm內(nèi)。數(shù)值模擬結(jié)果既有隧道均為沉降,原因是實(shí)際下穿施工中,注漿施工將會引起既有隧道產(chǎn)生隆起變形,停止注漿后隧道又會發(fā)生沉降;當(dāng)運(yùn)營隧道沉降變形達(dá)到控制值后,需要再進(jìn)行注漿控制,重復(fù)“沉降-注漿-隆起”這一工序,而數(shù)值模擬中沒有考慮這一工序。數(shù)值模擬結(jié)果沉降控制在10 mm以內(nèi),與實(shí)測值接近,說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

圖11　下穿施工數(shù)值計(jì)算與實(shí)測對比

5　結(jié)論

本文結(jié)合蘇州地區(qū)的地質(zhì)和城市軌道交通的特點(diǎn),采用數(shù)值模擬方法研究上跨、下穿工程施工對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,可得出以下結(jié)論:

(1)新建隧道和市政管線上跨施工時(shí),既有地鐵隧道豎向產(chǎn)生隆起,且沿縱向形成“反沉降槽”。隨新建隧道(市政管線)外徑增大,既有地鐵隧道的隆起量不斷增大。與新建隧道交叉處,既有地鐵隧道頂部拉應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力和應(yīng)力集中范圍隨外徑的減小而減小。隨著豎向凈距的增加,既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢。

(2)新建隧道下穿施工時(shí),既有地鐵隧道豎向產(chǎn)生沉降,且沿縱向形成“沉降槽”。隨豎向凈距的增加,既有地鐵隧道的沉降量減小。與新建隧道空間交叉處,既有地鐵隧道頂部拉應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力和應(yīng)力集中范圍隨豎向凈距的增加而減小。

(3)在既有隧道區(qū)間埋深為15 m、地層損失率為1%的假定下:外徑6.2 m的新建隧道不宜上跨該區(qū)間施工;外徑為5 m的管線上跨施工應(yīng)保證豎向凈距≥2.6 m,外徑≤3 m的管線在豎向凈距≥1 m情況下可以上跨施工。外徑6.2 m的隧道下穿該區(qū)間時(shí),豎向凈距應(yīng)大于3 m。

(4)數(shù)值計(jì)算和實(shí)測對比表明,數(shù)值結(jié)算結(jié)果可靠,新建隧道上跨下穿施工時(shí)既有隧道隆起(沉降)量一般可控制在±10 mm。

(5)上跨下穿既有隧道施工,由于地層損失引起既有隧道周邊位移場、應(yīng)力場的重分布,從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的安全影響。在工程施工中,應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況具體分析,并采取必要的保護(hù)措施,精心施工、加強(qiáng)管理尤其重要。

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Influence of Shield Tunnels Crossing over or below the Adjacent Rail Transit Tunnels

Liu Jianguo,Zhang Bolu,Wang Jialei

AbstractAccording to the practical operation of Suzhou Metro Line 1 and Line 2,afinite element numerical simulation is used to study the changing law of the displacement field and stress field of the existing metro lines,when a new metro line is built above and under the existing lines or the municipal pipelines constructed with different outer diameters and vertical distance.According to the relationship between the maximum tensile stress and the design value of tensile strength,control standards of crossing over or below the adjacent tunnels are obtained.This research can provide a reference for the design and construction of new metro lines,and provide security protection circuit for the existing lines.

Key wordsshield method;crossing over or below;adjacent construction;finite element analysis

(收稿日期:2014-04-01)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.019

中圖分類號TU 433;U 456.3+1