杭州市九溪線輸水通道施工對鄰近既有隧道影響分析

彭萬平,甘鵬路

（1.中鐵一局集團有限公司，陜西西安710054；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122）

近年來，在地下工程施工中經(jīng)常遇到新建通道上穿既有隧道的情況，上部開挖會對土層造成擾動，進而引起下部既有隧道的位移變化，對公共安全造成較大影響[1-3]。國內諸多學者對該問題進行了相關研究，賀美德、張成平等[4-5]以北京市地下人行通道近距離上穿地鐵10號線盾構隧道工程為背景，分析了大斷面通道上穿盾構隧道的變形情況。汪洋等[6]以廣州地鐵3號線大塘—瀝滘區(qū)間盾構隧道工程為背景，通過室內模型試驗和三維有限元數(shù)值計算相結合的手段，得出了盾構隧道正交下穿施工對既有隧道的變形及內力影響規(guī)律。溫鎖林[7]以上海東西通道跨越地鐵二號線工程為背景，研究了地鐵上方基坑明挖的施工控制技術。劉樹佳等[8]基于上海地鐵11號線與既有地鐵4號線多線疊交的復雜工況，采用數(shù)值模擬和實際監(jiān)測為多線疊交盾構施工微擾動的控制技術提供了一定理論基礎。

本文以杭州市第二水源輸水通道（九溪線）上穿既有紫之隧道為背景，其中九溪線在該區(qū)段與紫之隧道斜交，考慮到工程特殊性，施工方法采取放坡開挖。利用三維有限差分軟件，對九溪線基坑開挖過程進行了動態(tài)模擬，分析了既有隧道及箱涵位移變化規(guī)律，為該類地下工程設計施工提供參考。

1 工程概況

1.1 近接隧道相互位置關系

杭州市第二水源輸水通道（九溪線）主要選址之浦路、之江路沿線，新建輸水管道長約1355m。本次分析選取九溪線DG02-DG03段，該區(qū)段位于西湖區(qū)之江路與梅靈南路交叉口北側，輸水管2次上跨紫之隧道。擬建輸水管道為DN3200鋼管，壁厚32mm，受既有紫之隧道限制，輸水管道采用明挖法施工。管道管底最小標高為2.3m，該斷面內東、西線隧道拱頂標高分別為-8.1m和-8.5m，隧道頂距離開挖基坑底面為10.1m。九溪線與紫之隧道交叉角度約35°。既有引水箱涵位于九溪線南側，結構內壁與管道中心距離為8.85m。既有箱涵頂板標高5.3m。平面相對位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質條件及施工方案

九溪線輸水管道與既有紫之隧道交叉處，地層從上往下依次為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、碎石土和全風化泥質粉砂巖。九溪線DG02-DG03與紫之隧道交叉段施工方法為兩臺階1∶1.5放坡開挖。工程場地周邊地面絕對高程約8.70m（以下均以絕對高程表示），第一次開挖后標高5.3m，輸水管道管底標高2.30m?；訉嶋H開挖深度6.7～7.0m。開挖完成后安裝管線，之后以回填土分步回填，如圖2所示。

圖1 九溪線DG02-DG03與紫之隧道平面位置關系圖

圖2 放坡開挖示意圖

2 數(shù)值計算

采用FLAC3D軟件對本工程進行數(shù)值計算，模型假定巖土體為均質、各向同性材料，并符合Mohr-Cou?lomb屈服準則。模型邊界范圍考慮5倍洞徑，沿九溪線縱向（Y方向）取180m，與九溪線垂直方向（X方向）取60m，土層厚度（Z方向）取60m。紫之隧道模型與九溪線豎向投影斜交，交叉角度35°。數(shù)值模型如圖3所示。模型的邊界條件：前后左右面受水平約束，下邊界受豎向約束，上邊界（地表）為自由邊界。整體模型加自重應力場g=9.8m/s2。根據(jù)九溪線施工步序，模型施工計算步驟根據(jù)各建設內容的先后順序進行，具體詳見表1。依據(jù)地質資料和工程設計施工圖，地層物理力學參數(shù)以及上部九溪線和下部既有紫之隧道的結構力學參數(shù)取值見表2和表3。

圖3 上下交叉三維模型

表1 施工計算步序

3 計算結果分析

3.1 紫之隧道位移分析

紫之隧道二次襯砌豎向位移云圖如圖4所示，圖中左側為西線，右側為東線。通過分析九溪線基坑開挖、回填等各個施工步序中紫之隧道二次襯砌的拱頂與仰拱豎向位移情況可知：

（1）在基坑開挖過程中，沿紫之隧道縱向的二次襯砌豎向位移由交叉處向兩端逐漸減小，呈拋物線分布；

（2）在基坑回填過程中，沿紫之隧道縱向的二次襯砌豎向位移回落。從開挖到回填整個過程中二襯的位移變化較?。?/p>

（3）在各施工步序中，最大位移出現(xiàn)在基坑開挖完畢階段，位置為九溪線與紫之隧道交叉處的斷面，東線隧道二次襯砌拱頂最大上浮量為3.02mm，仰拱最大上浮量為2.56mm。西線隧道二次襯砌拱頂最大上浮量為2.98mm，仰拱最大上浮量為2.54mm。

表2 圍巖物理力學參數(shù)表

表3 支護結構物理力學參數(shù)表

3.2 紫之隧道應力分析

依據(jù)紫之隧道最大主應力計算結果，從開挖到回填完畢整個過程中紫之隧道最大主應力變化規(guī)律如下：

（1）在基坑開挖及回填的整個過程中，最大主應力量值較小，且集中在墻腳與拱腰；

（2）基坑開挖完畢后，最大拉力出現(xiàn)在東線墻腳，量值為1.59MPa，最大壓力在西線拱腰，量值為0.68MPa；

（3）基坑回填完畢后，最大拉力出現(xiàn)在東線墻腳，量值為0.96MPa，最大壓力在西線拱腰，量值為0.73MPa。

圖4 紫之隧道二次襯砌豎向位移云圖

3.3 紫之隧道安全性分析

通過研究分析，九溪線與紫之隧道交叉處隧道斷面為最不利截面。由于篇幅原因，本文只分析了在上部基坑開挖完畢時，最不利截面的受力特征。既有隧道截面的控制點布置如下圖5所示。

基坑開挖完成后，紫之隧道西、東線二次襯砌結構內力見表4。由表4分析可知：

（1）基坑開挖完成后，二次襯砌結構受力特征為受壓。

表4 基坑開挖完成紫之隧道二襯內力表

圖5 既有隧道截面控制點

（2）西線最不利位置為左邊墻，東線最不利位置為右邊墻。

（3）紫之隧道西線最大軸力位于左邊墻處為-1428kN，最大彎矩位于拱頂處，量值為40.63kN·m，最小安全系數(shù)為10.2，位于左邊墻處。東線最大軸力位于右邊墻處，量值為-123kN，最大彎矩位于右邊墻處，量值為-49.41kN·m，最小安全系數(shù)為11.4，位于右邊墻處。

3.4 引水箱涵位移分析

側邊基坑開挖引起了既有引水箱涵的位移變化，分析引水箱涵結構的豎向位移變化情況可知：

（1）隨著開挖進行，引水箱涵上浮位移增大；隨著回填進行，上浮位移減小，總體豎向位移有減小趨勢，回填完成后，箱涵靠開挖側變?yōu)橄鲁粒?/p>

（2）基坑開挖完畢時，頂板上浮位移最大，量值為5.1mm，靠基坑開挖側側墻上浮值為4.7mm；

（3）回填完畢時，靠近開挖側的側墻出現(xiàn)下沉，下沉最大值為2.17mm,遠離開挖處的側墻仍是上浮,上浮值為1.05mm。

分析引水箱涵結構的水平位移變化情況可知：

（1）隨著開挖進行，引水箱涵水平位移增大，向著基坑開挖側出現(xiàn)傾覆趨勢；隨著回填進行，水平位移有所減?。?/p>

（2）頂板水平位移最大，側墻水平位移沿豎向向下逐漸減??；

（3）在開挖完畢時，頂板水平位移最大，量值為5.35mm，靠基坑開挖側側墻位移為4.29mm。

4 結論

針對九溪線斜交上穿既有隧道的工程狀況，通過研究分析得出如下結論：

（1）上部輸水管線基坑開挖施工時，下部既有紫之隧道位移均表現(xiàn)為上?。?/p>

（2）在基坑開挖及回填的整個過程中，最大主應力量值較小，且集中在拱腳與拱腰處；

（3）基坑開挖完畢后，二次襯砌變形控制標準為受壓控制，且安全系數(shù)較高，西線最不利位置為左邊墻，東線最不利位置為右邊墻；

（4）隨著開挖進行，引水箱涵上浮及水平位移逐漸增大，頂板水平位移大于側墻水平位移，側墻水平位移沿豎向向下逐漸減小，出現(xiàn)傾覆趨勢；隨著回填進行，上浮及水平位移逐漸減小，總體位移有減小趨勢，回填完成后，箱涵靠開挖側變?yōu)橄鲁粒?/p>

（5）基坑開挖完畢后，紫之隧道東線交叉處二次襯砌拱頂最大上浮位移為3.02mm，紫之隧道西線交叉處二次襯砌拱頂最大上浮2.98mm；

（6）基坑開挖完畢后，引水箱涵頂板最大上浮位移為5.1mm，最大水平位移為5.35mm；靠九溪線側墻最大上浮位移為4.7mm，最大水平位移為4.29mm。

雖然既有隧道上浮位移值小于《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）[9]提供的預警值。但實際基坑開挖造成的影響受多方面因素控制。因此，在基坑開挖過程中應該加強交叉處隧道斷面的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整施工方案，以保證結構的安全性。