盾構(gòu)斜交下穿市政隧道數(shù)值模擬分析

李學(xué)軍，鄒 濤，劉德雄，尚應(yīng)超

（1.中鐵隧道局集團有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

盾構(gòu)法作為一種安全、高效的施工工法，在城市地鐵建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著城市和地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)穿越既有建（構(gòu)）筑物樁基的情況時有發(fā)生。盾構(gòu)穿越樁基引發(fā)的變形及地層應(yīng)力狀態(tài)改變會引起結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不均勻沉降，從而影響既有建（構(gòu)）筑物的安全，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞[1-3]。因此對盾構(gòu)下穿既有建（構(gòu)）筑物而引起的地表沉降規(guī)律及加固控制措施進(jìn)行研究十分必要。

近年來，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合工程案例，采用數(shù)值模擬或現(xiàn)場測試進(jìn)行大量研究。楊志勇等[4]以北京地鐵14號線下穿地鐵15號線運營隧道為背景，通過分析沉降規(guī)律，得出橫向沉降范圍與施工參數(shù)基本無關(guān)，且左右線穿越有明顯的疊加效應(yīng)；郭建寧等[5]采用三維有限元數(shù)值分析法，研究盾構(gòu)斜交下穿既有框架隧道3個階段的規(guī)律，得出施工過程中宜隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，及時調(diào)整各項施工參數(shù)，有助于盾構(gòu)的順利掘進(jìn)；陳秋鑫等[6]通過建立有限元模型優(yōu)化施工參數(shù)，減少盾構(gòu)下穿引起的沉降或隆起值。蔣勝光等[7]對雙線盾構(gòu)隧道全過程數(shù)值模擬，并與實測數(shù)據(jù)對比，揭示了不同開挖面壓力對地表沉降的影響。然而，目前針對密實卵石土地層中盾構(gòu)斜交下穿市政隧道樁基的研究較少，且沒有相關(guān)的具體風(fēng)險控制措施。

本文以成都地鐵3號線龍橋站—雙鳳橋站區(qū)間隧道盾構(gòu)斜交下穿市政隧道為背景，采用三維有限差分方法，研究盾構(gòu)下穿時地表的沉降規(guī)律，同時給出相應(yīng)的控制措施并進(jìn)行驗證計算。

1 工程概況

成都地鐵3號線二、三期工程龍橋路站—雙鳳橋站區(qū)間隧道在里程 YDK11+706—YDK11+748（右線）范圍穿越臨港路市政下穿隧道，隧道頂與臨港路市政隧道底板最小豎向凈距約4.7 m，最大凈距約5.1 m，部分既有抗浮樁位于盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)。既有抗浮樁樁直徑180mm，樁心距為5 m。盾構(gòu)隧道與下穿臨港路隧道斜交，兩線路相交角度約17°。盾構(gòu)隧道開挖過程中，右線隧道穿越9根U 7槽樁基，左線穿越10根U 6槽樁基。盾構(gòu)區(qū)間穿越密實卵石土地層。區(qū)間隧道與臨港路市政下穿隧道位置關(guān)系如圖1所示。

2 建模

圖1 區(qū)間與臨港路下穿隧道平面位置關(guān)系

本文采用FLAC3D有限差分軟件對該隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。由于盾構(gòu)穿越區(qū)段屬于市政道路下穿隧道的入口段，地表下沉量較小，為方便建模，將地表簡化為平面，最終選定三維數(shù)值模型尺寸為：沿隧道縱向長100 m，寬70 m，高36 m。盾構(gòu)隧道外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，隧道中心埋深8 m，2條平行隧道中心間距14 m。抗浮樁位于模型的中間區(qū)域，其中市政下穿隧道U 7槽段樁長15 m，U 6槽段樁長10 m，樁距初始開挖面36～74 m。模型側(cè)面和底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動，上部為自由邊界。

模型中抗浮樁采用pile單元模擬，盾構(gòu)襯砌、盾構(gòu)機及注漿層等均采用實體單元模擬。盾構(gòu)機為海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)機，其重量近似為385 t[8]。盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬主要分為以下階段：①盾構(gòu)掘進(jìn)過程 將掘進(jìn)長度范圍內(nèi)的土體設(shè)置為空單元，施加頂推力，激活盾構(gòu)機前方單元，并設(shè)置盾尾單元為空單元，激活后方襯砌單元，并施加推進(jìn)反力；②注漿過程 在后方管片周圍的土層上施加注漿壓力（0.3MPa），為模擬漿液凝固過程，采用分級注漿形式，隨著開挖推進(jìn)，逐漸增加注漿層屬性。模擬時首先開挖右線隧道，貫通后再開挖左線隧道。土層及各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層與材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 垂直于盾構(gòu)方向的地表沉降分析

圖2為3排不同位置測點的沉降值，L 1表示與初始開挖面相距34.5 m處垂直于盾構(gòu)方向地表沉降的分布情況。L 2表示與初始開挖面相距49.0 m的情況，L 3表示與初始開挖面相距63.5 m的情況。由圖2可知，右線隧道開挖后，地表最大沉降約為23.3mm。2條隧道中心的最大沉降約為5mm。距右線中心11～16 m外有略微隆起（不超過1mm）。左線隧道貫通后，右線中心地表最大沉降變化不大，約23.8mm，左線中心地表最大沉降約22.3mm，略小于右線，2條隧道中心的最大沉降約為10.2mm。

圖2 垂直于隧道方向的地表沉降值

右線隧道開挖后，距右線中心9.2 m外的沉降量在2mm以內(nèi)，可認(rèn)為右線盾構(gòu)施工影響地表沉降的擾動區(qū)范圍為18.4 m，約為3 D（D為隧道直徑）。而左線隧道貫通后，2條隧道中間區(qū)域內(nèi)的地表沉降具有明顯的疊加效應(yīng)，在非疊加區(qū)域內(nèi)，擾動區(qū)范圍擴大為距右線中心10.7 m內(nèi)以及距左線中心10.9 m內(nèi)，總體影響范圍約為6 D。

3.2 沿盾構(gòu)方向的地表沉降分析

經(jīng)過上述分析，盾構(gòu)開挖對2條隧道中心附近引起的沉降較大，所以選取了右、左線正上方的地表測點進(jìn)行分析，如圖3所示。YX-1表示右線正上方第1排測點（與初始開挖面相距34.5 m），YX-2表示右線正上方第2排測點（與初始開挖面相距49 m），YX-3表示右線正上方第3排測點（與初始開挖面相距63.5 m），左線測點符號與之類似。本次數(shù)值模擬總步數(shù)約31390步，其中前7670步為右線開挖，后23720步為左線開挖。由圖3可知，隨著右線隧道的不斷掘進(jìn)，右線地表均是先略微隆起（不超過1mm），掘進(jìn)到測點位置處后開始迅速下沉。

圖3 隧道上方的地表沉降值

掘進(jìn)面遠(yuǎn)離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩(wěn)定。左線地表沉降呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。對比左右線地表沉降值可以發(fā)現(xiàn)，右線地表沉降值略大于左線，但2條隧道中心線地表的最大沉降值均不超過25mm。

本工程采用的檢測控制基準(zhǔn)及預(yù)（報）警值指標(biāo)為：地表沉降值隆起不超過10mm，下沉不超過20mm。而上述計算結(jié)果表明，2條隧道中心附近區(qū)域內(nèi)的地表最大沉降值在基準(zhǔn)之外，不符合規(guī)范要求。因此本工程需要采用加固措施保證隧道掘進(jìn)的安全進(jìn)行，減少對既有構(gòu)筑物的影響。

4 風(fēng)險控制措施分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，若盾構(gòu)機直接掘進(jìn)破除抗浮樁，將造成地表沉降值超限，進(jìn)而影響臨港路的安全運營。為此，針對穿越臨港路市政下穿隧道段施工擬采取以下加固技術(shù)措施。

1）對盾構(gòu)機采取針對性措施，在刀盤面板加焊接撕裂刀，配備8把保勁刀，便于及時切斷既有抗浮樁，減少盾構(gòu)機對隧道土體的擾動，在刀盤面板及切口環(huán)處加焊耐磨層，以適應(yīng)下穿隧道對設(shè)備自身的需求。

2）下穿臨港路隧道前在臨港路兩側(cè)施做新抗浮樁，U 6段新增6根抗浮樁，樁長10 m，U 7段新增8根抗浮樁，樁長12 m。以彌補破除隧道結(jié)構(gòu)既有抗浮樁后結(jié)構(gòu)自身抗浮力的損失。

3）盾構(gòu)下穿臨港路隧道破除既有抗浮樁會產(chǎn)生大量鋼筋，鋼筋數(shù)量及形態(tài)不明，為避免鋼筋影響后續(xù)盾構(gòu)施工，在通過下穿隧道后開倉對刀盤及土倉內(nèi)的鋼筋進(jìn)行清理。為確保地層穩(wěn)定，在盾構(gòu)通過下穿段前后施做降水井，降水井深度27.5 m。施做降水井對下穿臨港路段實施區(qū)域性降水，以達(dá)到可隨時進(jìn)倉處理抗浮樁鋼筋的條件。

4）對隧道范圍上方U形槽兩側(cè)土體進(jìn)行預(yù)加固，以減少盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對隧道上方土體的擾動。加固范圍為U形槽沿線路方向4.5 m，盾構(gòu)隧道外邊緣外擴4 m，地面預(yù)加固注漿孔布設(shè)于隧道范圍內(nèi)U形槽結(jié)構(gòu)兩側(cè)，U形槽外側(cè)注漿孔間距2 m，注漿孔位置如遇抗浮樁則取消布設(shè)。加固完成后清洗注漿管，盾構(gòu)通過時及通過后由地面注漿管進(jìn)行補漿。

5）盾構(gòu)機掘進(jìn)直接破除臨港路隧道既有抗浮樁時，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)：總推力為 12000～14000 k N，掘進(jìn)速度為 20～30mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min，刀盤扭矩 6000 k N·m以內(nèi)，土壓力 0.6～0.9 bar（1號），泡沫劑 100～150 L，同步注漿量不低于6 m3，同步注漿壓力不小于2 bar，膨潤土6～8 m3，出渣量 56 m3。

6）通過隧道內(nèi)二次注漿及地面跟蹤注漿對地層進(jìn)行補充，注漿壓力控制在 0.2～0.3MPa。

主要施工工序如圖4所示，注漿與加固措施如圖5所示。

圖4 施工流程

圖5 注漿與加固措施

采取上述擬定加固方案后，數(shù)值模擬計算得到的地表沉降結(jié)果如圖6，7所示。由圖6可知，右線隧道開挖后，地表最大沉降約為9.8mm，距右線中心6.6 m外的沉降量在2mm以內(nèi)，說明右線盾構(gòu)施工影響地表沉降的范圍為13.2m，約為2.2 D。左線隧道貫通后，右線地表沉降略微減少，左線隧道中心處地表出現(xiàn)較大沉降，但均不超過10mm，最終盾構(gòu)開挖的擾動區(qū)域在4.5 D以內(nèi)。2條隧道中心地表處的最大沉降約為2.4mm。

圖6 垂直于隧道方向的地表沉降值

圖7 隧道上方的地表沉降值

本次數(shù)值模擬總步數(shù)約86630步，其中前37200步為右線開挖，后49430步為左線開挖。由圖7可知，隨著右線隧道不斷掘進(jìn)，右線地表均是先略微隆起（不超過0.5mm），掘進(jìn)到測點位置處后開始迅速下沉，掘進(jìn)面遠(yuǎn)離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩(wěn)定，但都控制在10mm之內(nèi)。左線地表沉降呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。

對比加固前后地表沉降值可發(fā)現(xiàn)，在采用加固措施后，地表沉降規(guī)律與加固前基本一致，但最大沉降值由原來的23.8mm減少到9.8mm，完全在控制基準(zhǔn)范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

1）無論是否采用加固措施，隨著隧道不斷掘進(jìn)，隧道地表均是先略微隆起，掘進(jìn)到測點位置處后開始迅速下沉，掘進(jìn)面遠(yuǎn)離測點后變形趨勢減緩，最終趨于穩(wěn)定，且地表沉降最大值出現(xiàn)在左右線隧道中心處。

2）工程擬定的加固措施對地表沉降有明顯的控制作用。如果直接盾構(gòu)掘進(jìn)，引起的最大地表沉降值23.8mm，超過控制基準(zhǔn)20mm。采用加固方案后，計算得到的地表最大沉降值9.8mm，在基準(zhǔn)范圍之內(nèi)。盾構(gòu)開挖的影響范圍也從加固前的6 D減少到 4.5 D。

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