地鐵盾構(gòu)穿越武廣高鐵的影響分析

蔣 超 劉 輝

地鐵盾構(gòu)穿越武廣高鐵的影響分析

蔣 超 劉 輝

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)利用的快速發(fā)展，涉及地下空間相互干擾的立體交叉施工現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，尤其是新建地鐵隧道近距離穿越既有建（構(gòu)）筑物的施工，由于地鐵盾構(gòu)施工會引起周邊土體的擾動變形，必然會對臨近建（構(gòu)）筑物的安全產(chǎn)生一定的影響。目前，工程研究人員已對地下工程近距離穿越既有建（構(gòu)）筑物進(jìn)行了很多研究和總結(jié)，取得了一定的研究成果，如：仇文革等[1]對地下工程近接施工力學(xué)原理與對策進(jìn)行了研究；孫春光[2]等對北京地鐵十號線近接某區(qū)間隧道的施工進(jìn)行數(shù)值模擬；王星[3]等研究了淺埋暗挖隧道施工對臨近建筑物變形影響并提出加固措施。但是，盾構(gòu)隧道下穿既有高速鐵路隧道的案例極為少見，相關(guān)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)缺乏，目前尚無相關(guān)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。本文將以長沙地鐵隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道為例，研究盾構(gòu)隧道施工對臨近既有結(jié)構(gòu)的影響，并提出相應(yīng)工程措施，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

長沙地鐵3號線湘龍站—星沙站盾構(gòu)隧道于DK33+856處需下穿武廣高鐵瀏陽河隧道進(jìn)口明洞段，該區(qū)段地質(zhì)情況由上而下依次為：素填土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖，其中，區(qū)間隧道主要位于中分化巖層中。根據(jù)前期地質(zhì)勘查，可知風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強(qiáng)度為1.07MPa，中風(fēng)化礫巖為1.23MPa。該區(qū)段地下水位于地表下5m左右，主要為基巖裂隙水，區(qū)間隧道位于弱透水層中。

1.2 設(shè)計(jì)概況

下穿段武廣高鐵瀏陽河隧道雙線均為直線，其頂部覆土約為4.2m，襯砌采用單洞雙線明洞拱形斷面，斷面寬14.9m，高12.78m，采用C35防水鋼筋混凝土襯砌，拱部厚度0.8m，仰拱厚度0.9m。每30m設(shè)置一處變形縫，縫寬10mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐，樁徑1m，間距2m，嵌入基坑底3m，樁長約17m，C30鋼筋混凝土。

地鐵區(qū)間采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，襯砌采用0.6m厚C50鋼筋混凝土，內(nèi)徑5.4m，外徑6.0m，地鐵結(jié)構(gòu)與鐵路隧道底部的凈距約為9.06m。 地鐵區(qū)間隧道垂直穿越瀏陽河隧道，位置關(guān)系如圖1所示。

表1 模型主要物理力學(xué)參數(shù)

2 影響分析

2.1 基本說明

為了分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起的武廣高鐵瀏陽河隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移情況，本項(xiàng)目部擬采用MADIS/GTS對地鐵3號線湘龍站-星沙站區(qū)間的盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程進(jìn)行三維模擬。

2.2 基本假定

（1）地層材料采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則計(jì)算[4]。

（2）假定土層成層均質(zhì)水平分布。

（3）地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)。

（4）不考慮隧道開挖對土體力學(xué)指標(biāo)的影響以及地下水滲流影響。

（5）管片襯砌結(jié)構(gòu)是通過螺栓將單個(gè)管片連接在一起的整體結(jié)構(gòu)，分析中采用均質(zhì)體等代管片襯砌時(shí)，需乘以一個(gè)剛度折減系數(shù)，通常取0.6~0.8，本次計(jì)算取0.8。

2.3 模型建立

模型尺寸取120m×120m ×80m，土體采用實(shí)體單元模擬，瀏陽河隧道及地鐵盾構(gòu)隧道均采用板單元模擬，其尺寸、屬性按實(shí)際情況給定。計(jì)算模型中，瀏陽河隧道襯砌每隔30m設(shè)置一道環(huán)向變形縫，共設(shè)置3道，變形縫采用實(shí)體填充。模型主要物理力學(xué)參數(shù)見表1，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，其余各外表面均約束法線方向的位移。瀏陽河隧道襯砌在變形縫間的連接采用縱向位移邊界處理。模型中模擬了初始地應(yīng)力的形成及盾構(gòu)施工的全過程[5]，初始應(yīng)力場見圖3所示。在下穿盾構(gòu)隧道計(jì)算范圍內(nèi)，每次向掘進(jìn)方向推進(jìn)單個(gè)管節(jié)長度，每個(gè)管節(jié)單元采用板單元進(jìn)行激活模擬。

二次注漿范圍在高鐵隧道中心里程前后各30m。盾構(gòu)機(jī)每天推進(jìn)按6環(huán)(9m)考慮，計(jì)算中假定，1d的注漿層彈性模量是30MPa，采用板單元模擬，利用單元生死法在盾構(gòu)管片推進(jìn)6m后進(jìn)行激活[6]。

2.4 計(jì)算工況簡要介紹

（1）未開挖武廣瀏陽河隧道前，模擬在初始地應(yīng)力下平衡。

（2）開挖武廣瀏陽河隧道，施加既有隧道襯砌，計(jì)算至應(yīng)力平衡，清除塑性區(qū)及位移歸零，作為初始應(yīng)力場。（3）地鐵右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，每循環(huán)1.5m。（4）地鐵左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，每循環(huán)1.5m。

2.5 位移分析

2.5.1 盾構(gòu)施工前

在地鐵隧道盾構(gòu)施工前，武廣高鐵瀏陽河隧道的頂部及底部位移從圖4、5可以看出：在初始應(yīng)力狀態(tài)下，瀏陽河隧道襯砌頂部最大沉降為5.38mm，襯砌底部主要以隆起為主，標(biāo)記點(diǎn)位移值分別為7.10mm、7.22mm、 7.03mm。

2.5.2 盾構(gòu)施工后

盾構(gòu)施工后瀏陽河隧道的頂部及底部位移如圖6～9所示。

由圖6、7可見，盾構(gòu)右線開挖完成后，襯砌頂部最大沉降為6.06mm，襯砌底部標(biāo)記點(diǎn)位移值分別為6.98mm、6.53mm、5.66mm，；相對于初始位移，襯砌頂部沉降值為0.68mm，襯砌底部沉降值分別為0.12mm、0.69mm、1.37mm。

由圖8、9可見，盾構(gòu)左線開挖完成后，瀏陽河隧道襯砌頂部最大沉降為6.51mm，襯砌底部標(biāo)記點(diǎn)位移值分別為5.72mm、5.85mm、5.49mm；相對于右線開挖完成后位移，襯砌頂部沉降值為0.45mm，襯砌底部沉降值分別為1.26mm、0.68mm、0.17mm。

由此可得，累計(jì)襯砌頂部豎向位移相對變化值為1.13mm，襯砌底部豎向位移相對變化值分別為1.38mm、1.37mm、1.54mm，盾構(gòu)開挖對處于正上方的襯砌影響較大，襯砌變形縫間未見相對過大沉降。

2.6 軸力分析

由盾構(gòu)施工前后瀏陽河隧道的軸力從圖10～12可以看出，盾構(gòu)施工前軸力最大值為1 336.1kN，盾構(gòu)施工后襯砌軸力集中區(qū)域向左線正上方襯砌擴(kuò)展，軸力集中區(qū)位于襯砌變形縫處，軸力最大值為1 812.4kN，增加約476.3 kN。

對比分析可知，盾構(gòu)開挖對瀏陽河隧道襯砌變形縫處的軸力變化有一定影響，但增加量較小，遠(yuǎn)小于瀏陽河隧道允許承載力。

2.7 彎矩分析

盾構(gòu)施工前后瀏陽河隧道的彎矩如圖13～15。

從圖13可以看出，初始應(yīng)力狀態(tài)下，襯砌彎矩未在變形縫連接處出現(xiàn)集中，襯砌彎矩最大值為124.6kN·m。從圖14、15可以看出，盾構(gòu)右線、左線開挖后，襯砌彎矩最大值分別為128.1kN·m、128.4kN·m。

對比分析，盾構(gòu)開挖后瀏陽河隧道襯砌彎矩變化很小，盾構(gòu)開挖對瀏陽河隧道襯砌的影響很小。

2.8 各參數(shù)累計(jì)變化值

在上述位移分析、軸力分析、彎矩分析、盾構(gòu)隧道施工前到盾構(gòu)右線和左線均施工完成后，其位移、軸力、彎矩的累計(jì)變化情況可參見表2。

3 結(jié)論及建議

（1）從各施工階段上部隧道的內(nèi)力變化結(jié)果可以看出，盾構(gòu)開挖對瀏陽河隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定影響，但增加量較小，遠(yuǎn)小于瀏陽河隧道允許承載力。分析原因主要是由于該處圍巖穩(wěn)定性好、滲透系數(shù)較小且高鐵隧道結(jié)構(gòu)剛度較大，故下穿施工對高鐵軌道結(jié)構(gòu)的影響較小，該隧道結(jié)構(gòu)安全可控。

（2）從各施工階段上部隧道的豎向位移圖可以看出，開挖過程中，既有隧道的位移隨著開挖過程的進(jìn)行不斷增長。在盾構(gòu)下穿既有隧道時(shí)，其位移增長最快；至開挖結(jié)束以后，隧道最大豎向位移達(dá)到1.54mm。根據(jù)數(shù)值模擬及經(jīng)驗(yàn)分析，參考國內(nèi)其他盾構(gòu)穿越鐵路股道的施工案例，通過合理設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，做好施工各項(xiàng)保障措施、對施工重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，在不加固土體的情況下，可以保證地面沉降在5mm以內(nèi)，軌道差異沉降控制在2mm以內(nèi)。根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（鐵運(yùn)[2012]83號）進(jìn)行評定，250～300km/h線路軌道靜態(tài)豎向位移允許偏差(按作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))為2mm，滿足高鐵運(yùn)營維護(hù)管理要求，可保證高鐵隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。

（3）由于地下工程的復(fù)雜性及地質(zhì)條件的不確定性，為確保高鐵運(yùn)營安全，考慮該段靠近武廣高鐵長沙南站，具備限速條件，經(jīng)與武廣高鐵運(yùn)營管理單位協(xié)商，同意在盾構(gòu)穿越該段的時(shí)間內(nèi)將高鐵限速至120km/h以內(nèi)，以進(jìn)一步降低穿越時(shí)段的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）通過本文的研究分析，可以在理論上說明長沙地鐵3號線湘龍站—星沙站區(qū)間的盾構(gòu)隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道技術(shù)可行，安全性可控，對今后類似工程起到一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

表2 盾構(gòu)施工前后各參數(shù)累計(jì)變化情況表

[1]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對策的研究[D].博士論文,西南交通大學(xué), 2003.

[2]孫春光,歐陽院平.北京地鐵十號線某近接區(qū)間隧道的施工數(shù)值模擬[J].四 川建筑,2008(2).

[3]王星,曹喜仁,劉齊建.淺埋暗挖隧道施工對臨近建筑物變形影響及加固措施[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2009,9(4):114-118.

[4] 汪宏,王勇,蔣超等.半巖半土隧道圍巖穩(wěn)定數(shù)值模擬[A].地下交通工程與工程安全——第五屆中國國際隧道工程研討會.

[5] 汪宏,蔣超.淺埋偏壓隧道洞口段坍方數(shù)值分析與處治[J].巖土力學(xué),2009(11):3481-3485.

[6] FRALDI M,GUARRACINO F. Evaluation of impending collapse in circular[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2011,26(4):507-516.

Analysis on the Influence of Metro Shield Crossing Wuhan-Guangzhou Highspeed Railway

Jiang Chao Liu Hui

文章以長沙地鐵盾構(gòu)隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道為例，采用MADIS/GTS有限元程序進(jìn)行空間模型分析，研究盾構(gòu)隧道施工對臨近既有結(jié)構(gòu)的影響，提出相應(yīng)工程措施，為今后類似的工程提供參考。

地鐵；盾構(gòu)隧道；下穿；瀏陽河隧道；內(nèi)力；位移

Taking Changsha metro shield tunnel undercrossing Luoyang River Tunnel of Wuhan-Guangzhou high-speed railway as an example, the paper adopts MADIS / GTS finite element program to analyze the space model and studies the infl uence of shield tunnel construction on the adjacent existing structure so as to propose the corresponding engineering measures, which may provide a reference for future similar project.

metro, shield tunnel, undercrossing, Luoyang River Tunnel, internal force, displacement

2016-05-18）

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目，編號：2013SK3075。

蔣超，碩士，長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司工程師；劉輝，中鐵隧道集團(tuán)有限公司高級工程師。