淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵加固方案優(yōu)化分析

李權(quán)謀，劉勝，雷賽男，潘勇剛

（1.長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410205；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙 410015；3.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南長沙 410015）

淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵加固方案優(yōu)化分析

李權(quán)謀1，劉勝2，雷賽男3，潘勇剛3

（1.長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410205；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙 410015；3.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南長沙 410015）

主要針對(duì)越來越多的淺埋暗挖隧道近距離下穿既有地鐵工程的加固方案進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)合某下穿既有地鐵車站區(qū)間隧道工程，為控制隧道施工引起的既有地鐵車站沉降變形，通過有限元方法對(duì)新建隧道施工對(duì)既有地鐵影響進(jìn)行預(yù)測分析，并對(duì)不同加固方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定最優(yōu)加固方案。

隧道；淺埋暗挖；地鐵；加固方案；沉降變形

隨著城市地鐵建設(shè)速度的加快及地下空間開發(fā)力度的加大，新建地下隧道近距離穿越既有地鐵的情況日益增多。新建淺埋暗挖隧道的施工會(huì)引起鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力增加，超過其承受能力或允許值時(shí)可能引起結(jié)構(gòu)破壞，還可能導(dǎo)致凈空限界不足而影響列車運(yùn)營安全。因此，新建淺埋暗挖隧道近距離下穿既有地鐵隧道施工時(shí)必須根據(jù)既有地鐵的保護(hù)要求采取措施減小新建隧道周圍土體和既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形，確保既有地鐵的安全運(yùn)營。該文結(jié)合某下穿既有地鐵車站區(qū)間隧道工程，對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 工程概況

某穿越既有地鐵車站的暗挖隧道工程，兩站成十字交叉。既有線為地下兩層端廳式車站，南、北兩端為明挖兩層站廳，底板埋深16.6 m；中部為單層三連拱暗挖段，長28.54 m，斷面總寬度221.0 m，總高度9.9 m，頂部覆土厚度約7.5 m。既有線車站暗挖段預(yù)留了新線下穿的條件，底板為厚1.1 m的平板，底縱梁尺寸為（1.3×2.5）m，底板縱向分布鋼筋加強(qiáng)。新建車站需在既有線暗挖段下方穿越既有線車站，兩車站結(jié)構(gòu)凈距0.15 m，其位置關(guān)系見圖1。

場地內(nèi)的土層分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀(jì)晚更新世沖洪積層三類，從上至下分別為填土、粉細(xì)砂、卵石、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、卵石、黏質(zhì)粉土和細(xì)中砂。不同土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 數(shù)值分析模型

圖1　穿越隧道與既有車站位置示意圖（單位：mm）

表1　巖土的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖、暗挖隧道與既有車站相對(duì)位置關(guān)系建立數(shù)值模型。模型橫向兩側(cè)各留約3倍洞徑，縱向取至兩側(cè)明挖豎井，整體模型寬80 m、長35 m、高41.5 m。對(duì)不同土層厚度進(jìn)行適當(dāng)簡化，地層采用實(shí)體單元、摩爾材料模擬；既有車站采用實(shí)體單元、線彈性材料模擬；暗挖隧道初期支護(hù)采用殼單元、線彈性材料模擬（見圖2）。

圖2　穿越既有地鐵車站的暗挖隧道三維數(shù)值分析模型

淺埋暗挖隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下：初期支護(hù)厚度0.35 m；格柵鋼架間距0.5 m；二次襯砌厚度0.6 m。

3 施工工序及加固方案

新線暗挖隧道開挖面寬度10.1 m，開挖面高度9.3 m，面積77.7 m2，兩洞間凈距3.65 m。開挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分6次開挖，平均每次開挖暴露掌子面面積12.95 m2。每次開挖進(jìn)尺按0.5 m控制，開挖分部間縱向步長不小于5 m。施工工序見圖3。

圖3　暗挖隧道施工工序示意圖

為控制既有地鐵車站的沉降變形，對(duì)暗挖隧道的地層進(jìn)行注漿加固（見圖4）。

加固體參數(shù)取值：設(shè)計(jì)加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0 MPa，根據(jù)不同標(biāo)號(hào)砼彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、彈性模量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合插值，得出加固體的彈性模量為1.18 GPa、抗拉強(qiáng)度為95 k Pa。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，加固體初始參數(shù)彈性模量取1.18 GPa，泊松比取0.3，內(nèi)摩擦角取50°，粘聚力取95 k Pa（參照抗拉強(qiáng)度）。計(jì)算模擬時(shí)考慮一定的安全系數(shù)，根據(jù)初始參數(shù)進(jìn)行不同比例折減。

圖4　暗挖隧道全斷面注漿加固示意圖

設(shè)計(jì)3種加固方案，通過有限元模擬計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化分析。方案1：加固范圍為隧道兩側(cè)和下部各1.5 m，加固參數(shù)根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減；方案2：加固體只取上臺(tái)階部分注漿圈和核心土，加固參數(shù)根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減；方案3：加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土，加固參數(shù)根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1既有隧道變形隨開挖步的變化

不同加固方案下淺埋暗挖隧道開挖引起的既有地鐵沉降變形情況見圖5。

圖5　中間監(jiān)測點(diǎn)的沉降變形

由圖5可知：不同加固方案下淺埋暗挖隧道開挖引起的既有地鐵沉降變形基本一致；相比于不加固下既有地鐵車站變形量，3種加固方案都能較好地控制既有地鐵車站的沉降變形，也能達(dá)到相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)；采取加固方案3即加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土?xí)r，既有隧道沉降變形量最小，該方案下隧道變形的控制效果最好。

4.2土體變形隨開挖步的變化

不同加固方案下淺埋暗挖隧道開挖引起土體沉降槽隨不同開挖步的變化情況見圖6。

圖6　不同加固方案下土體沉降隨開挖步的變化

由圖6可知：相比于不加固下既有地鐵車站變形量，采取加固方案1和方案3都能較好地控制暗挖隧道開挖引起的土體沉降變形，但方案2對(duì)土體變形的控制與不加固時(shí)相差不大，土體變形控制效果不好；對(duì)比方案1和方案3，采取方案3時(shí)除對(duì)土體變形量的控制效果更好外，還能使不同施工步下土體變形量差異較小，而方案1中左洞左導(dǎo)洞和右洞右導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖引起的土體變形量比其他開挖步大很多。

5 結(jié)論

（1）既有地鐵車站隧道變形值超過允許值，需采取措施控制地鐵區(qū)間隧道沉降。數(shù)值分析表明，適當(dāng)?shù)陌低谒淼劳馏w加固可控制既有地鐵車站的沉降變形。

（2）綜合比較分析，加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土的方案對(duì)土體及既有地鐵車站沉降變形的控制效果最好。

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