黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿既有線影響規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究

王立新,汪 珂,李儲(chǔ)軍,白陽(yáng)陽(yáng)

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

引言

近年來(lái)，隨著地鐵、市政等地下工程的建設(shè)規(guī)模不斷加大，線路的縱橫交錯(cuò)現(xiàn)象越來(lái)越普遍，隧道下穿已建地鐵及各類已修筑于地下的管線等市政設(shè)施已不可避免。因新建隧道施工的本質(zhì)對(duì)地層是一個(gè)卸載過(guò)程，而在實(shí)際工程中無(wú)論采取什么手段都不可能及時(shí)抵消卸荷的影響，故其必將引起施工區(qū)域內(nèi)的周圍巖土體向開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，繼而對(duì)臨近既有線的運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生影響。黃土特殊的生成環(huán)境造成了其以粉粒為主的組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有富含可溶鹽、欠壓密、大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育等特性，導(dǎo)致了諸多工程問(wèn)題，因此黃土地層新建隧道施工對(duì)既有線變形規(guī)律的預(yù)測(cè)、變形的控制及防治己然成為隧道現(xiàn)代化建設(shè)過(guò)程中一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

凌昊等[1]采用土工離心模型試驗(yàn)分析了近接盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置和推進(jìn)距離對(duì)隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響。黃德中等[2]采用土工離心模擬技術(shù)，分別研究了盾構(gòu)上穿及下穿對(duì)既有隧道的影響。汪洋等[3]以某盾構(gòu)隧道為背景，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了盾構(gòu)正交下穿對(duì)既有隧道的影響，得出既有隧道出現(xiàn)的“上壓下拉”的應(yīng)力變化趨勢(shì)。Ghaboussi J等[4-5]通過(guò)建立有限元模型，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)踐對(duì)比研究了隧道上穿地下通道的影響。E.Soliman，H.Duddeck等[6]通過(guò)建立近距離平行設(shè)計(jì)雙孔隧道的有限元模型，得出雙孔隧道的解可用單孔隧道來(lái)近似。張毅[7]以廣州地鐵交叉隧道為背景，通過(guò)施工模擬對(duì)既有隧道的沉降和水平位移進(jìn)行了分析。張海彥等[8]利用有限元軟件ANSYS，對(duì)新建隧道不同近距離正交盾構(gòu)下穿既有隧道的施工過(guò)程進(jìn)行了模擬。翁效林，王俊，王立新等[9]針對(duì)黃土地層浸水濕陷開(kāi)展了研究。王立新[10]針對(duì)盾構(gòu)超近距離穿越大型立交樁基群影響開(kāi)展了系統(tǒng)研究。邵華，張子新[11]開(kāi)展了盾構(gòu)近距離穿越施工對(duì)已運(yùn)營(yíng)隧道的擾動(dòng)影響研究。胡群芳，黃宏偉[12]開(kāi)展了盾構(gòu)下穿已運(yùn)營(yíng)隧道施工監(jiān)測(cè)與技術(shù)分析，何川等[13]開(kāi)展了地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對(duì)上方已建隧道的影響。張瓊方[14]，張冬梅[15]，黃栩[16]均開(kāi)展了盾構(gòu)近距離穿越施工對(duì)已建隧道的縱向變形研究。

黃土的特性，可簡(jiǎn)要?dú)w納為三點(diǎn)：第一，富含碳酸鹽類使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯；第二，實(shí)際工程中一般以非飽和、大孔隙狀態(tài)存在；第三，較強(qiáng)的水敏性。下穿隧道對(duì)既有隧道和周邊環(huán)境的影響受多種因素影響，其中下穿隧道與既有隧道之間豎直凈距的影響尤為突出，而目前對(duì)其的研究較少。鑒于此，以西安地鐵5號(hào)線盾構(gòu)下穿既有2號(hào)線隧道工程為依托，采用MIDAS/GTS對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有隧道進(jìn)行模擬，分析在既有隧道與下穿隧道豎直凈距為盾構(gòu)隧道管片外徑(D=6 m)的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍5種工況下的地表沉降，既有隧道特定位置處的拱頂及拱底位移、附加應(yīng)力，得出保證既有隧道安全運(yùn)營(yíng)的位移控制標(biāo)準(zhǔn)，可為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

既有地鐵隧道為淺埋暗挖單洞單線隧道，南北走向，馬蹄形斷面，高度6.5 m，寬度6.28 m，兩隧道水平凈距為6.27 m，埋深約9.6 m；新建盾構(gòu)隧道為單洞單線隧道，東西走向，外徑為6 m的圓形斷面，兩隧道水平凈距為9.5 m，埋深約18.6 m；既有隧道與新建盾構(gòu)隧道豎向最小凈距約為2.5 m，兩者的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。地層自上而下依次為：1-2素填土、3-1-1新黃土、3-1-2新黃土、3-2-2古土壤、4-1-2老黃土、4-4粉質(zhì)黏土。該工程為黃土地層中雙線近距下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道，地層條件復(fù)雜，下穿距離較近，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 新建隧道和既有隧道相對(duì)位置關(guān)系(單位：mm)

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS對(duì)該工況進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際工程情況，建立如圖2所示的三維模型：模型長(zhǎng)60 m，寬60 m，高38 m；地下水位埋深為10.0 m，既有隧道埋深9.5 m，隧道水平凈距為6.27 m；新建隧道水平凈距為9.5 m，既有隧道與新建隧道之間的垂直距離為0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D；掘進(jìn)方向如圖所示，先開(kāi)挖左線再開(kāi)挖右線；既有隧道位于3-1-2新黃土、3-2-2古土壤和4-4粉質(zhì)黏土中。

圖2 三維模型(單位：m)

2.2 土層參數(shù)

研究區(qū)域土層自上而下依次為：1-2素填土，厚度為2.1 m；3-1-1新黃土，厚度為5.4 m；3-1-2新黃土，厚度為2.8 m；3-2-2古土壤，厚度為3.5 m；4-4粉質(zhì)黏土，厚度為22.8 m；地下水位位于地表以下10.0 m。地層巖土參數(shù)如表1所示[17]。

表1 地層巖土參數(shù)

2.3 隧道材料參數(shù)

查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料[18]可得既有隧道的二次襯砌是厚度為35 cm的C30鋼筋混凝土。新建隧道的管片采用C50鋼筋混凝土。因新建隧道管片接頭會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度產(chǎn)生影響，故將管片結(jié)構(gòu)彈性模量折減20%[19]，具體參數(shù)如表2所示[18]。

2.4 盾構(gòu)下穿既有隧道豎直凈距的影響

既有隧道和新建隧道豎直凈距分別取其為盾構(gòu)隧道管片外徑的0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍，具體見(jiàn)表3。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表3 不同豎直凈距的工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中的地表沉降，在既有隧道連心線的中點(diǎn)正上方地表布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)線。為監(jiān)測(cè)既有隧道的拱底及拱頂沉降和應(yīng)力，在既有隧道和新建隧道的正交部位的正交截面上，分別布設(shè)既有隧道拱頂和拱底位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)8個(gè)，布置方式如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)布置

3.2 不同豎直凈距盾構(gòu)下穿結(jié)果分析

3.2.1 地表沉降分析

將5種工況地表最終沉降曲線繪于圖4內(nèi)，由圖4可知，地表最大沉降值隨豎直凈距的增大而呈減小趨勢(shì)，各工況的地表沉降峰值如表4所示。

圖4 5種工況地表沉降最終曲線

表4 地表沉降峰值統(tǒng)計(jì) mm

將5種工況下的地表沉降峰值進(jìn)行擬合，得到的圖形如圖5所示?？梢钥闯?，隨豎直凈距的增加地表沉降峰值呈線性減小的趨勢(shì)，擬合度較好。

圖5 地表沉降峰值隨豎直凈距變化

3.2.2 既有隧道拱底沉降分析

各工況的左右線拱底最終沉降曲線如圖6所示，新建隧道盾構(gòu)完全穿越后，既有隧道左線拱底沉降曲線呈現(xiàn)出雙峰形態(tài)，左峰值小于右峰值。既有隧道右線沉降曲線呈現(xiàn)出與左線相似的規(guī)律，但兩者最終的沉降峰值差異量最大約為0.51 mm。原因?yàn)樽缶€穿越既有隧道后隧道發(fā)生了整體沉降。此外，從圖6可以看出，隨豎直凈距的不斷減小，左右線拱底沉降呈不斷增加的趨勢(shì)，沉降曲線形態(tài)由寬而淺的沉降槽轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃某两挡邸８鞴r既有隧道沉降峰值見(jiàn)表5，由表5可知，左線拱底的峰值均大于右線相同狀況下的峰值，原因是右線隧道發(fā)生整體沉降時(shí)，左線下方已被開(kāi)挖，因而產(chǎn)生更大變形。

表5 既有隧道拱底沉降峰值統(tǒng)計(jì) mm

圖6 既有隧道拱底沉降曲線

將雙線貫通時(shí)刻既有隧道拱底各工況沉降峰值與豎直凈距繪于坐標(biāo)軸中并進(jìn)行擬合，得到的圖形如圖7所示。從圖7可以看出，兩隧道的拱底沉降峰值均隨豎直凈距的增加而呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，且相關(guān)性較好。

圖7 雙線貫通時(shí)刻既有隧道拱底沉降與凈距關(guān)系

3.2.3 既有隧道拱頂沉降分析

各工況的左右線拱頂最終沉降曲線如圖8所示，沉降曲線的形態(tài)表現(xiàn)為各工況的沉降差值基本相等，隧道拱頂沉降形態(tài)近似于隨著豎直凈距的增加整體增加。新建隧道盾構(gòu)完全穿越后，因隧道拱腰和拱肩對(duì)拱頂?shù)募s束作用使變形受限，既有隧道左右線拱頂沉降曲線呈現(xiàn)出單峰形態(tài)。既有隧道拱頂沉降峰值如表6所示。

圖8 既有隧道拱頂沉降曲線

mm

同樣將雙線貫通時(shí)刻既有隧道拱頂各工況沉降峰值與豎直凈距繪于坐標(biāo)軸中并進(jìn)行擬合，得到的圖形如圖9所示。從圖9可以看出，兩隧道的拱頂沉降峰值均隨凈距的增加而呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì)，相關(guān)性較好。

圖9 既有隧道拱頂沉降與豎直凈距關(guān)系

3.2.4 既有隧道與盾構(gòu)隧道正交截面拱底附加應(yīng)力分析

在圖2(b)所示位置提取拱底X方向上的應(yīng)力，并通過(guò)計(jì)算得到附加應(yīng)力，研究附加應(yīng)力的變化規(guī)律，得到的5個(gè)工況下拱底的附加應(yīng)力如圖10所示。圖10表明，各工況附加應(yīng)力曲線出現(xiàn)較大分化始于盾構(gòu)通過(guò)既有隧道下方時(shí)，各工況新建右線隧道上方拱底附加應(yīng)力曲線，在新建隧道左線穿越其所在隧道下方時(shí)出現(xiàn)了微弱的分化，各工況新建左線上方拱底的附加應(yīng)力曲線在右線穿越其所在隧道下方時(shí)明顯減小，但各工況應(yīng)力的差值基本不變。隨著豎直凈距的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化幅度逐漸減弱。

圖10 既有隧道拱底附加應(yīng)力5種工況對(duì)比

將雙線貫通時(shí)刻既有隧道拱底附加應(yīng)力與豎直凈距繪于坐標(biāo)軸中并進(jìn)行擬合，得到的曲線如圖11所示。圖11表明，拱底附加應(yīng)力值隨豎直凈距的增加而呈現(xiàn)不斷減小趨勢(shì)，且拱底附加應(yīng)力與豎直凈距呈線性關(guān)系，相關(guān)性較好。

圖11 拱底附加應(yīng)力與凈距關(guān)系

3.2.5 既有隧道與盾構(gòu)隧道正交截面拱頂附加應(yīng)力分析

在圖2(b)所示位置提取拱頂X方向上的應(yīng)力，與拱底附加應(yīng)力的處理方法類似，得到的5個(gè)工況下拱頂?shù)母郊討?yīng)力如圖12所示。曲線的變化規(guī)律與拱底相似，與之不同的是新建隧道左線上方拱頂應(yīng)力在整個(gè)施工過(guò)程中一直保持負(fù)值，新建隧道右線上方拱頂應(yīng)力在左線穿越其所在的既有隧道下方時(shí)向正值發(fā)展，在之后右線穿越其下方的階段迅速發(fā)展為負(fù)值；右線穿越既有隧道下方的同時(shí)，新建隧道左線上方拱頂壓應(yīng)力在明顯減小。既有隧道拱底為拉應(yīng)力，拱頂為壓應(yīng)力，說(shuō)明既有隧道在盾構(gòu)穿越過(guò)程中產(chǎn)生正彎矩。拱頂附加應(yīng)力產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋盒陆ㄋ淼雷缶€盾構(gòu)穿越過(guò)程中，由于彎矩反彎點(diǎn)的作用，位于右線上方的同一既有隧道的拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力；在新建隧道右線盾構(gòu)穿越過(guò)程中，由于彎矩反彎點(diǎn)的抵消作用，使得位于同一既有隧道左線上方的拱頂壓應(yīng)力明顯減小。由于左線下方土體受之前左線穿越的擾動(dòng)，其對(duì)左線的應(yīng)變約束能力減弱，因此右線穿越時(shí)，左線上方彎矩反彎點(diǎn)產(chǎn)生的反方向應(yīng)力大于左線穿越時(shí)在右線上方反彎點(diǎn)產(chǎn)生的反方向應(yīng)力，導(dǎo)致雙線貫通時(shí)刻既有隧道右線上方拱頂壓應(yīng)力大于左線上方拱頂壓應(yīng)力。

圖12 既有隧道拱頂附加應(yīng)力5種工況對(duì)比

將雙線貫通時(shí)刻既有隧道拱頂附加應(yīng)力以豎直凈距為橫坐標(biāo)繪于坐標(biāo)軸中并進(jìn)行擬合，得到的圖形如圖13所示。圖13表明，拱頂附加應(yīng)力絕對(duì)值隨凈距的增加呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)，拱頂附加應(yīng)力值與豎直凈距呈線性關(guān)系，相關(guān)性較好。

圖13 拱頂附加應(yīng)力與凈距關(guān)系

4 雙線盾構(gòu)下穿的位移控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證既有線路運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[20]規(guī)定，既有隧道拱頂沉降值應(yīng)控制在10 mm范圍內(nèi)。由圖6可知當(dāng)豎直凈距為0.2D時(shí)，既有隧道左右線拱底沉降峰值均超出限值；當(dāng)豎直凈距為0.4D時(shí)，既有隧道左右線拱底沉降峰值與限值基本相等；當(dāng)豎直凈距>0.4D時(shí)，既有隧道左右線拱底沉降峰值距限值較遠(yuǎn)。因此在雙線盾構(gòu)下穿時(shí)，應(yīng)盡量避免豎直凈距<0.4D的情況；當(dāng)采用0.4D豎直凈距下穿時(shí)，隧道拱底的沉降發(fā)展應(yīng)進(jìn)行密切關(guān)注，防止沉降超限；當(dāng)豎直凈距>0.4D時(shí)，既有隧道拱底的沉降值不會(huì)超出限值，符合相關(guān)規(guī)定。

對(duì)0.4D工況進(jìn)行著重研究，確保既有線的安全運(yùn)營(yíng)。為方便與經(jīng)濟(jì)，將拱底沉降的監(jiān)測(cè)限值用新建隧道拱頂沉降限值代替，雙線貫通時(shí)刻新建隧道拱頂沉降曲線繪于圖14中。從圖14可以看出，在0.4D豎直凈距工況下，為保證雙線盾構(gòu)下穿時(shí)既有隧道底板沉降值滿足運(yùn)營(yíng)要求，應(yīng)將兩條新建隧道拱頂沉降值控制在13.0 mm以內(nèi)。

圖14 0.4D工況新建隧道拱頂沉降

5 結(jié)論

(1)地表和既有隧道的拱頂和拱底的位移和應(yīng)力值均隨著既有隧道與新建隧道豎直凈距的增加而呈線性減小趨勢(shì)。

(2)各工況下地表沉降曲線與既有隧道拱頂位移曲線呈現(xiàn)單峰形態(tài)，而拱底位移曲線呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，且左峰值小于右峰值。隨著豎直凈距的減小，拱底位移沉降曲線形態(tài)由寬而淺的沉降槽轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃某两挡邸?/p>

(3)各工況中，既有隧道拱底為拉應(yīng)力，拱頂為壓應(yīng)力，說(shuō)明既有隧道在盾構(gòu)過(guò)程中產(chǎn)生正彎矩。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同工況下的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值，均在盾構(gòu)穿越其正下方時(shí)出現(xiàn)分化。

(4)為保證既有隧道安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)盡量避免豎直凈距小于0.2D的雙線盾構(gòu)下穿；當(dāng)采用0.4D豎直凈距下穿時(shí)，應(yīng)將新建隧道拱頂沉降值控制在13 mm以內(nèi)。