小凈距重疊盾構(gòu)隧道下穿鐵路線施工安全技術(shù)研究

張玉龍 劉 潔 龔 磊 曹玉新 段景川

(1. 中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司,北京 100044;2. 興悅設(shè)計(jì)咨詢(北京)有限公司,北京 100016;3. 中電建南方建設(shè)投資有限公司,廣東深圳 518009)

隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)的不斷推廣,隧道施工引起的地表沉降及地層變形成為了研究的熱點(diǎn),許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究:楊三資等[1]認(rèn)為,在黏性土地層中采用大直徑盾構(gòu)法施工,地層損失和地表最大沉降較小。 周文波[2]以上海外灘公路隧道施工為例,對淤泥質(zhì)黏土地層盾構(gòu)施工引起的地表變形進(jìn)行了研究。 白雪峰等[3]利用Pasternak 地基模型,分析了雙線平行隧道施工過程對既有隧道的影響。 周燦朗[4]對蘇州軌道交通1 號線穿越富水粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工過程中的地層變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為埋深與沉降值總體成線性關(guān)系。 姚先力[5]針對盾構(gòu)隧道在粉砂地層中連續(xù)穿越河道和鐵路的施工難點(diǎn),給出了有效的沉降控制技術(shù)措施。 張昭[6]針對盾構(gòu)在砂性地層長距離掘進(jìn)施工中存在的風(fēng)險,通過改進(jìn)刀盤參數(shù)、改良土體等技術(shù)措施,有效控制了隧道上浮和地表沉降。張亞洲等[7]對上軟下硬地層盾構(gòu)施工的主要問題及其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,分別從隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)及工程實(shí)施等角度提出相應(yīng)的對策措施。

以深圳地鐵7 號線筍崗站-洪湖站區(qū)間(以下簡稱筍-洪區(qū)間)下穿廣深鐵路火車站站場為工程實(shí)例,采用數(shù)值模擬分析的方法,比較上下重疊隧道不同施工順序引起的地層變形、管片結(jié)構(gòu)位移和受力情況,并通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

筍-洪區(qū)間隧道左右線以重疊方式下穿廣深鐵路筍崗火車站,穿越長度約為180 m,隧道與鐵路交叉角約為80°,車站內(nèi)道岔密布,股道眾多,信號控制網(wǎng)密集。 上下隧道間夾層土厚度最小約2 m(見圖1)。 其中,左線隧道頂部覆土厚約22.8 m,穿越地層主要為強(qiáng)、中風(fēng)化混合巖;右線隧道頂部覆土厚約12.8 m,穿越地層主要為砂質(zhì)黏性土,全、強(qiáng)風(fēng)化混合巖。 巖土層分布及特性見表1。

采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工,隧道外徑為6.28 m,管片寬1.5 m,厚0.3 m。 根據(jù)文獻(xiàn)[8]及施工圖要求,本工程地表總沉降控制值為10 mm。

圖1 下穿鐵路平面

表1 巖土層分布及特性

2 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

通過有限元法對地表沉降、管片結(jié)構(gòu)位移和受力情況進(jìn)行計(jì)算。 采用非線性動力學(xué)Hu-Washizu 變分方程描述應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,采用形函數(shù)描述位移場,采用羅貝托積分法進(jìn)行數(shù)值求解。 其中,應(yīng)力應(yīng)變方程為

式中:δGext表示外力產(chǎn)生的虛功, u 表示位移,σ表示應(yīng)力,ε 表示應(yīng)變,σ(ε)為用應(yīng)變表示應(yīng)力,▽為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系算子。

形函數(shù)及其相關(guān)數(shù)值積分可參閱文獻(xiàn)[9],此處不再贅述。

應(yīng)用MIDAS GTSNX 工程軟件對重疊隧道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,區(qū)域橫向取66 m,縱向取1 m,計(jì)算高度為(L1+L2+2D+12) m,其中L1為上隧道埋深,L2為重疊隧道凈距,D 為隧道內(nèi)徑(取6 m)。

地層及注漿材料采用實(shí)體單元(Mohr-Coulomb 模型模擬);管片襯砌及盾構(gòu)機(jī)殼采用梁單元(線彈性模型模擬);四周邊界及下表面采用單向鉸支約束,上表面采用自由約束。 計(jì)算區(qū)域見圖2。

圖2 疊線隧道計(jì)算區(qū)域

根據(jù)筍-洪隧道區(qū)間工程實(shí)際情況,盾構(gòu)殼體、管片結(jié)構(gòu)和注漿材料的參數(shù)選擇如表2 所示。 考慮到拼裝縫隙會引起管片剛度折減,折減系數(shù)取0.7。

表2 盾構(gòu)殼體、管片結(jié)構(gòu)和注漿材料參數(shù)

3 施工過程模擬與分析

通過改變重疊隧道凈距L2、上隧道埋深L1及上下隧道施工順序,計(jì)算不同情形下地表沉降及變形情況。先開挖下隧道再開挖上隧道的方式被稱為“先下后上”,反之則稱為“先上后下”。 “先下后上”掘進(jìn)過程的模擬采取以下步驟:①改變L1和L2參數(shù),建立計(jì)算模型;②計(jì)算初始應(yīng)力場;③開挖下隧道毛洞;④下隧道盾構(gòu)自重加載;⑤下隧道管片支護(hù)并注漿;⑥開挖上隧道毛洞;⑦上隧道盾構(gòu)自重加載;⑧上隧道管片支護(hù)并注漿;⑨調(diào)取計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行后處理。 “先上后下”掘進(jìn)過程的模擬與“先下后上”方式類似。

3.1 地表沉降分析

圖3 和圖4 為上、下隧道完成后的豎向位移,從圖3 和圖4 可以看出,采用“先下后上”方式掘進(jìn),下隧道施工引起的最大地表沉降為8.361 mm,“先上后下”時則為8.306 mm,兩者的最大沉降值基本相同。 采用“先下后上”掘進(jìn)時,上隧道施工引起的最大地表沉降為13.934 mm,“先上后下”時則為15.516 mm,“先上后下”較“先下后上”大1.5 mm 左右。

圖3 下隧道完成后豎向位移

圖4 上隧道完成后豎向位移

兩種掘進(jìn)方式下,上隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表最大沉降值始終比下隧道大,且均超過了下穿的準(zhǔn)高速鐵路軌道沉降控制值(10 mm),必須采取相應(yīng)的加固措施[1113]。

3.2 管片結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力分析

圖5 ～圖8 為管片所受的軸力和彎矩情況。 從圖5 ～圖8 可以看出,后施工隧道對先完成隧道管片的豎向位移會產(chǎn)生一定影響,“先上后下”時產(chǎn)生的最大位移為13.706 mm,“先下后上”時為3.238 mm,“先上后下”比“先下后上”要大3.2 倍左右;“先上后下”時管片結(jié)構(gòu)最大彎矩為155.71 kN·m,“先下后上”時為104.21 kN·m,前者比后者大50%左右,且軸力也同時增加。

“先下后上”時,后施工隧道對先完成隧道管片的豎向位移影響比較小(遠(yuǎn)小于10 mm);“先上后下”對先完成隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移的影響比較大(為13.706 mm),超過了控制值37.06%,故需要采取加固措施(特別是上下隧道間夾層土體的加固)。 “先下后上”時盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)最大彎矩小于控制值(120 kN·m),滿足管片結(jié)構(gòu)的受力要求,“先上后下”時最大彎矩超過控制值,不滿足管片結(jié)構(gòu)的受力要求,必須采取特殊措施。

4 巖土體加固前后數(shù)值計(jì)算與工程監(jiān)測值對比分析

4.1 巖土體加固前后數(shù)值計(jì)算

圖5 下隧道施加管片和注漿后軸力

圖6 下隧道施加管片和注漿后彎矩

圖7 上隧道施加管片和注漿后軸力

圖8 上隧道施加管片和注漿后彎矩

經(jīng)綜合分析,重疊盾構(gòu)隧道掘進(jìn)順序采用“先下后上”的方式。 考慮到未加固條件下,“先下后上”掘進(jìn)引起鐵路軌道的沉降達(dá)到了22.294 mm(超過了軌道沉降控制值)。 因此,隧道掘進(jìn)前,應(yīng)對鐵路線路采用樁梁加固,對隧道間夾層土體采用預(yù)注漿加固,對鐵路軟土路基采用預(yù)注漿加固,加固前后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 加固前后的數(shù)值計(jì)算

由表3 可知,對鐵路線路、上下隧道間夾層土體和鐵路路基軟土進(jìn)行加固后,地表總沉降減小至9.525 mm(小于控制值10 mm),且后施工隧道對先完成隧道管片結(jié)構(gòu)的豎向位移均在控制值10 mm 的范圍內(nèi);管片的最大變矩為38.223 kN·m,滿足管片結(jié)構(gòu)的受力要求。

4.2 沉降監(jiān)測值分析

本工程的監(jiān)測測點(diǎn)布置:①每條軌道布置10 個監(jiān)測點(diǎn)(26 條軌道);②信號機(jī)、轉(zhuǎn)折機(jī)布置19 個監(jiān)測點(diǎn);③每個電氣化立柱布置1 個沉降觀測點(diǎn)和1 個傾斜觀測點(diǎn)(共布置24 個觀測點(diǎn));④橋墩基礎(chǔ)布置4 個監(jiān)測點(diǎn);⑤每條線路布置32 個軌道幾何尺寸監(jiān)測點(diǎn)(26 條股道共布置464 個點(diǎn))。 對監(jiān)測值的綜合分析表明,廣深正線軌道最大沉降為5.9 mm,信號機(jī)最大沉降為2.0 mm,接觸網(wǎng)最大沉降為2.9 mm,均小于控制值。 但在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)檢修、開倉換刀等情況下,軌道沉降會顯著增加(達(dá)到了16.82 ～18.83 mm,均超過了控制值10 mm)。 此時,可通過調(diào)整軌道高程來滿足運(yùn)營要求[1415]。

5 結(jié)論

(1)“先上后下”和“先下后上”兩種掘進(jìn)方式下,上隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表最大沉降值始終較下隧道大,且地表最大沉降值均超過了下穿的準(zhǔn)高速鐵路軌道沉降的控制值(10 mm)。 因此,必須先采取加固措施,才能實(shí)施盾構(gòu)掘進(jìn)施工。

(2)采用“先下后上”施工時,后施工隧道對先完成隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移的影響比較小。 采用“先上后下” 施工時,對先完成隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移的影響比較大。 此時,需要采取加固措施(特別是上下隧道間夾層土體的加固)。 “先下后上”施工時,盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)最大彎矩小于控制值120 kN·m,滿足管片結(jié)構(gòu)的受力要求;“先上后下”施工時,最大彎矩超過控制值,不滿足管片結(jié)構(gòu)的受力要求,必須采取特殊措施。

(3)對鐵路線路、上下隧道間夾層土體和鐵路路基軟土進(jìn)行加固后,經(jīng)數(shù)值計(jì)算與沉降觀測,“先下后上”掘進(jìn)的沉降值均在控制值范圍內(nèi)。