盾構(gòu)近距離下穿地下通道的數(shù)值分析及加固措施

蒙 蛟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

盾構(gòu)近距離下穿地下通道的數(shù)值分析及加固措施

蒙 蛟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

針對天津地鐵4號線盾構(gòu)隧道近距離下穿泰達(dá)R3地下通道，引起地下通道不滿足設(shè)計(jì)要求的變形和內(nèi)力問題，提出采用低成本的中立柱+滿堂樁組合形式進(jìn)行同步加固方案，并采用有限元軟件，數(shù)值模擬了因盾構(gòu)施工引起的地下通道變形和內(nèi)力，為類似工程設(shè)計(jì)提供了思路。

盾構(gòu)隧道，地下通道，中立柱，滿堂樁

0 引言

新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近距離穿越既有隧道、地下管線、地下通道等的現(xiàn)象越來越普遍，施工過程可能產(chǎn)生對既有結(jié)構(gòu)的損害[1-3]。

本文對天津地鐵4號線盾構(gòu)隧道近距離下穿泰達(dá)R3地下通道進(jìn)行了模擬計(jì)算，提出有效的低成本加固措施，保證地下通道的變形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求，為相關(guān)工程提供了技術(shù)積累。

1 工程概況

天津地鐵4號線工程北起北辰雙街，南至民航學(xué)院。線路大致呈西北東南走向，正線規(guī)劃全長41.16 km，全部為地下線。

4號線河北大街站—東北角站盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿泰達(dá)R3一、二期之間的地下通道，如圖1，圖2所示。泰達(dá)R3地下通道先期施工，預(yù)計(jì)盾構(gòu)下穿將在地下通道投入使用2年后進(jìn)行。雙線盾構(gòu)隧道中心間距約16 m，盾構(gòu)內(nèi)徑5.5 m，盾構(gòu)管片厚350 mm，盾構(gòu)隧道頂部距離地面10.07 m～13.82 m，盾構(gòu)隧道頂部距離地下通道底部最近距離為6.962 m，地下通道總長度54 m，凈高5.25 m，橫斷面跨度14 m。

2 設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)地下通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)為拉森Ⅳ型鋼板樁；頂板厚400 mm，底板厚500 mm，覆土厚約2 m，回填后地面為街道。

經(jīng)計(jì)算，若不采取措施，后期盾構(gòu)施工將造成地下通道的沉降，最大值為27.34 mm，地表最大豎向位移沉降值為32.63 mm。盾構(gòu)隧道下穿地下通道產(chǎn)生的附加內(nèi)力，跨中處彎矩最大值為769.5 kN·m，支座處彎矩最大值為1 321.1 kN·m，都發(fā)生在頂板部位。頂板將由于劇烈變形和強(qiáng)度不足而破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，后果不堪設(shè)想[4，5]。

因此，需要在盾構(gòu)隧道下穿地下通道施工之前采取有效的措施，減輕盾構(gòu)下穿對地下通道的影響。常規(guī)下穿地下通道的做法是在盾構(gòu)施工同時(shí)采用加強(qiáng)注漿、凍結(jié)法或土層置換，這些方案勢必會增加投資和延長工期，并且影響地面交通。本工程由于地下通道尚未進(jìn)行施工，為預(yù)留工程加固提供了有利條件，經(jīng)過比選，提出成本最低、工期最短方案，如圖3所示。

1)地下通道中部設(shè)置5根直徑為800 mm的圓形混凝土柱，柱距分別為9 m，14 m，14 m，9 m；

2)地下通道在底板以下設(shè)置加固區(qū)，厚4 m，采用φ850@600滿堂樁加固，總加固體積3 024 m3。

3 計(jì)算模型

模型計(jì)算采用MIDAS-GTS NX數(shù)值計(jì)算軟件。為減小邊界約束對計(jì)算結(jié)果的影響，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，建模范圍取X方向(線路方向)70 m(約12D)，Y方向(垂直于線路方向)54 m(9D)，Z方向(豎直方向)47 m(約7D)，地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮；除了要考慮土體的自重，還必須考慮地下通道及加固區(qū)的自重。模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制垂直移動(dòng)，上面為地表，取為自由面。為便于模擬，不考慮管片環(huán)向、縱向的連接，而整體作為一環(huán)管片考慮，計(jì)算時(shí)按修正慣用法對管片剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.8。模型中土體為彈塑性材料，采用M-C(摩爾—庫侖)本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4，圖5所示，土層和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 土層和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道下穿對地下通道產(chǎn)生的附加彎矩如圖6，圖7所示，從計(jì)算結(jié)果可以看到，地下通道在下穿過程中受垂直下穿隧道線路方向(地下通道走向)的彎矩控制?？缰刑帍澗刈畲笾禐?86.6 kN·m，支座處彎矩最大值為424.1 kN·m，都發(fā)生在頂板部位，受到加固區(qū)的保護(hù)作用，底板處附加內(nèi)力值比較小。

隧道下穿對地下通道產(chǎn)生的變形如圖8～圖10所示。經(jīng)模擬計(jì)算分析，盾構(gòu)隧道下穿地下通道施工期間，地下通道的沉降最大值為8.75 mm，傾斜率為0.083‰，加固區(qū)沉降最大值為8.76 mm，地表最大豎向位移沉降值為15.26 mm，開挖產(chǎn)生的附加內(nèi)力可控，沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

對設(shè)置混凝土柱和滿堂樁基礎(chǔ)兩類加固措施單獨(dú)分析，如表2所示。結(jié)果表明：只增設(shè)中立柱的方案并不能有效限制盾構(gòu)引起的變形；只增設(shè)滿堂樁的方案并不能滿足地下通道的受力要求；而采用中立柱+滿堂樁組合加固形式，能有效減少后期盾構(gòu)隧道施工造成的結(jié)構(gòu)變形和附加內(nèi)力，完全滿足結(jié)構(gòu)對變形和強(qiáng)度的要求。

表2 加固效果比較

5 結(jié)語

1)只加設(shè)中立柱的方案并不能有效限制盾構(gòu)引起的變形；只采用滿堂樁的方案并不能滿足地下通道的受力要求；而采用中立柱+滿堂樁組合加固形式，能有效減少后期盾構(gòu)隧道施工造成的結(jié)構(gòu)變形和附加內(nèi)力，完全滿足結(jié)構(gòu)對變形和強(qiáng)度的要求。2)考慮遠(yuǎn)期地鐵盾構(gòu)隧道可能會下穿而在正在進(jìn)行的工程施工中預(yù)留適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，能夠有效節(jié)省后期工程費(fèi)用，并減少后期盾構(gòu)施工對地面交通帶來的影響。3)盾構(gòu)隧道近距離下穿地下結(jié)構(gòu)，受力特征復(fù)雜，除了進(jìn)行軟件分析風(fēng)險(xiǎn)評估之外，在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，以有效數(shù)據(jù)作為反饋，做到信息化施工。

[1] 霍軍帥,王炳龍,周順華.地鐵盾構(gòu)隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J].中國鐵道科學(xué),2011,32(5):71-77.

[2] 馬 偉.盾構(gòu)下穿人行通道施工方案研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué),2014.

[3] 常 岐.盾構(gòu)下穿人行通道沉降影響分析[J].山西建筑,2013,39(4):204-205.

[4] GB 50157—2013,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Numerical analysis and reinforcement measures of shield under passing underground passage

Meng Jiao

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

The shield tunnel of Tianjin metro line 4 closely passes under the Tai-Da R3 underground passage, which leads to the unsatisfied deformation or internal force of underground passage. The low-cost reinforcement measures are taken synchronously which combines the middle column and the raft piles, and the finite element software is adopted for the deformation and internal force of underground passage, which offers the experience for a similar engineering design.

shield tunnel, underground passage, middle column, raft pile

1009-6825(2017)01-0186-02

2016-10-27

蒙 蛟(1989- )，男，碩士，助理工程師

U457.3

A