深埋礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路隧道影響研究

陳志勇

(健研檢測集團有限公司 福建廈門 361100)

0 引言

地鐵隧道在越來越多的城市中建設(shè)，給市民帶來方便，同時具有緩解城市交通壓力，但新建地鐵隧道難免存在下穿既有鐵路、隧道、公路等情況。在新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道時，必然擾動周邊巖土層，使應力重新分布，導致巖土體運動，產(chǎn)生隧道拱頂下沉、凈空收斂、地表不均勻沉降等。既有鐵路隧道亦產(chǎn)生變形、收斂、軌道面沉降等，當結(jié)構(gòu)不均勻變形到達臨界強度時，隧道結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)開裂破壞，嚴重的甚至出現(xiàn)塌陷，從而影響鐵路的正常運營。

新建地鐵隧道下穿既有隧道會產(chǎn)生一系列變形，眾多學者研究淺埋隧道下穿既有隧道相互間變形規(guī)律。沈剛[1]利用MIDAS研究深圳地鐵新建盾構(gòu)隧道垂直下穿既有隧道相互影響機理；郭建寧等[2]利用三維有限元數(shù)值分析方法研究寧波地鐵隧道斜交下穿公路隧道對既有公路框架隧道的影響；梁建波[3]通過實測數(shù)據(jù)與有限元模擬分析廣州新建盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線沉降影響。江華等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法分析北京新建盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有結(jié)構(gòu)工程誘發(fā)的車站結(jié)構(gòu)變形等。然而，目前國內(nèi)對深埋隧道研究較少，雖然比起淺埋隧道影響較小，但在圍巖強度低、土質(zhì)不好等情況下仍然會誘發(fā)較大變形。

本文通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合方法，以廈門某礦山法深埋隧道下穿既有鐵路隧道位研究背景，分析隧道開挖對上部鐵路隧道的變形情況以及新建地鐵隧道的變形規(guī)律，期為指導施工提供依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，保證隧道開挖過程相互之間的安全穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

廈門某礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路隧道，與既有鐵路隧道的交角為28°，區(qū)間隧道左右線結(jié)構(gòu)頂距既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)底的距離約為38m。區(qū)間礦山法隧道鉆孔揭露巖層從上而下依次為：素填土、散體壯強風化花崗巖、碎裂強風化花崗巖和中風化花崗巖。隧道主要穿越地層為中風化花崗巖。根據(jù)地勘資料和工程巖體分級標準，研究范圍內(nèi)的區(qū)間隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖。隧道上部地表無其他建構(gòu)筑物。

1.2 深埋隧道界定及監(jiān)測項目確定

研究范圍內(nèi)區(qū)間隧道埋深約為34m～81m，隧道開挖直徑約7m，《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]對隧道埋深大于3倍的開挖直徑，劃分為深埋隧道。不適用于采用地表沉降曲線Peck計算公式預測的方式對淺埋隧道劃分，建議對于影響區(qū)域的劃分參照接近度概念。因此，結(jié)合隧道埋深及周邊環(huán)境和相關(guān)地區(qū)監(jiān)測經(jīng)驗，依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風險管理規(guī)范》[6]對軌道交通地下工程影響范圍環(huán)境設(shè)施的相互鄰近程度及相互位置關(guān)系，推定該區(qū)間隧道地表“不接近”，屬于一般影響區(qū)外；其次，《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[7]對隧道埋深大于3倍隧道直徑，地表沉降可不必測。綜上，本次新建隧道監(jiān)測項目僅考慮隧道凈空收斂、拱頂沉降，未設(shè)置地表沉降監(jiān)測，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降由相關(guān)自動化單位提供監(jiān)測布點圖及數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 巖土體物理力學參數(shù)

計算模型中涉及的巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計及工程地質(zhì)資料，模型坐標原點位于模型底面，考慮地鐵隧道開挖影響范圍為(3～5)D，取x=y=100m，z方向高度根據(jù)實際地形取z=(57～112m)。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，存在1條既有隧道，中風化花崗巖層按巖體強度等級分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖，各級圍巖按隧道掘進方向長度分別為25m、45m和30m；地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關(guān)系

2.3 隧道開挖對既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響分析

新建地鐵隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖，在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交部位圍巖等級分別為Ⅳ級(鄰近Ⅳ、Ⅲ級圍巖交界面)、Ⅲ級(鄰近Ⅲ、Ⅱ級圍巖交界面)(下稱(右交、左交))。從圖2(a)模擬隧道開挖過程既有鐵路結(jié)構(gòu)底板變形情況分析可知：

(1)在Ⅳ圍巖區(qū)間，即新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交這一區(qū)間，采用臺階法施工。臺階法施工有利于開挖面的穩(wěn)定，尤其是上部開挖支護后，可以通過初支限制圍巖的變形。從圖2(b)可以看出，在該區(qū)間既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降從0.85mm增加至1.15mm，在斜交處達到最大，說明在Ⅳ圍巖地質(zhì)條件下地鐵隧道開挖對既有鐵路隧道產(chǎn)生一定沉降量。

(2)在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交之間的區(qū)間隧道圍巖等級為Ⅲ級，為了降低隧道開挖對既有鐵路隧道的影響，在下穿既有鐵路隧道部位前后30m范圍采用臺階法，其他部分為全斷面開挖，從數(shù)值模擬的結(jié)果可知，Ⅲ級圍巖條件下，既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降趨于線性減少，從1.15mm降至0.60mm，說明圍巖強度越高，隧道開挖對既有鐵路沉降影響降低。

(a)

A—新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道相交處B—新建地鐵隧道左線與既有鐵路隧道相交處(b)圖2 新建隧道開挖開挖過程中既有鐵路隧道底板結(jié)構(gòu)沉降變形情況

(3)在Ⅱ級圍巖區(qū)間，即左線與既有鐵路隧道斜交至最后部位，圍巖強度較好，采用全斷面開挖方式，沉降量從0.65mm降至0.50mm，既有鐵路隧道受影響越來越小，一方面圍巖強度越來越好，另一方面隧道開挖面與既有鐵路隧道距離越遠。

(4)在隧道開挖過程，既有鐵路隧道沉降位移云圖均勻，并沒有表現(xiàn)出不規(guī)則、突變情況。并且在Ⅳ圍巖強度，沉降最大為1.15mm。假定對既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降超過1.00mm為新建地鐵隧道對既有鐵路隧道的影響范圍，那么，影響范圍為新建隧道右線與既有鐵路隧道斜交處前后15m左右，即30m左右對既有鐵路隧道影響范圍。

2.4 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖凈空收斂變形分析

在數(shù)值模擬中取Ⅳ級圍巖、Ⅳ級(右交)、Ⅲ級(左交)、Ⅱ級圍巖，4個斷面來綜合分析新建地鐵隧道開挖的變形規(guī)律。

從圖3的4個側(cè)墻位移云圖可以看出，4個斷面位移云圖最大位移分別為1.0mm、0.8mm、0.4mm、0.3mm，對應的收斂位移值為2.0mm、1.6mm、0.7mm、0.5mm。新建隧道開挖對凈空收斂變形較小，圍巖性質(zhì)越好，變形越小。新建隧道凈空收斂大小與圍巖強度等級有關(guān)，強度越高變形越小。

(a) (b)

(c) (d)圖3 Ⅳ級圍巖、Ⅳ級圍巖(右交)、Ⅲ級圍巖(左交)、Ⅱ級圍巖側(cè)墻位移云圖

2.5 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖拱頂沉降變形分析

(a) (b)

(c) (d)圖4 Ⅳ級圍巖、Ⅳ級圍巖(右交)、Ⅲ級圍巖(左交)、Ⅱ級圍巖拱頂沉降位移云圖

同分析隧道凈空收斂一樣，取相同部位的4個斷面(圖4)來分析新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道的沉降變形規(guī)律。從圖4可知，不同圍巖等級下新建隧道拱頂沉降最大位移為4.7mm、3.9mm、2.5mm、1.6mm，方向向下。新建地鐵隧道左右線拱頂沉降，在Ⅳ級圍巖下沉降量最大，Ⅱ級圍巖下沉降量最小，拱頂沉降變形規(guī)律同側(cè)墻變形規(guī)律：隨著圍巖強度的提高，隧道拱頂沉降變形越小，如表2所示。

表2 不同圍巖等級下各監(jiān)測項累計變形最大值

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道施工監(jiān)測運用于隧道開挖全過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)直接反饋隧道在初期支護下的變形大小，及時掌握施工過程出現(xiàn)的各種突變情況，以便確定和優(yōu)化下一步施工參數(shù)，從而指導現(xiàn)場施工，對預防可能出現(xiàn)的事故具有重要指導意義。

3.1 現(xiàn)場主要監(jiān)測布設(shè)情況

根據(jù)工程地質(zhì)情況，對新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道部位左、右線各布設(shè)8個監(jiān)測斷面，在Ⅳ圍巖以及下穿既有鐵路隧道位置布設(shè)2對收斂線，1個拱頂沉降監(jiān)測點，布設(shè)間距為10m/斷面；其他圍巖條件下布設(shè)1條收斂線和1個拱頂沉降監(jiān)測點，布設(shè)間距為15m/斷面。

在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交前10m，左線與既有鐵路隧道斜交后10m，共布設(shè)6個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在上部既有鐵路襯砌結(jié)構(gòu)的拱腳處左右側(cè)各布設(shè)一個監(jiān)測點，共計布設(shè)12個沉降監(jiān)測點。布設(shè)情況如圖5所示。

圖5 新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道監(jiān)測點平面圖

3.2 既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降分析

由于既有鐵路隧道受鐵路管控，從相關(guān)自動化監(jiān)測單位獲取數(shù)據(jù)并匯總?cè)鐖D6所示。從圖6可知，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降先增大后減少，在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交處沉降最大，最大沉降量為1.3mm；在Ⅱ級圍巖也就是在第六個監(jiān)測斷面既有鐵路隧道沉降最小，沉降量為0.4mm；在新建隧道開挖初期，既有隧道結(jié)構(gòu)沉降量大于開挖后期，表現(xiàn)出圍巖強度越高、沉降越小?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)及變化趨勢一致，驗證了模擬的可靠性與準確性。

圖6 既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降累計值

3.3 新建地鐵隧道拱頂沉降變形分析

(a)

(b)圖7 新建地鐵隧道左線、右線拱頂沉降累計變化值曲線圖

圖7數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。由表3可見，隧道拱頂沉降累計最大值為6.2mm，右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：5.7mm、3.2mm，隨著圍巖強度的提高，變形越小?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)變化趨勢與數(shù)值模擬吻合。由于受施工現(xiàn)場初期支護滯后、注漿滯后等施工因素影響，監(jiān)測值略大于模擬數(shù)據(jù)屬于正常情況。在隧道開挖后期，受初期支護結(jié)構(gòu)作用，圍巖處于應力平衡狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定。

表3 現(xiàn)場實測下新建地鐵隧道拱頂沉降變形最大值

3.4 新建地鐵隧道凈空收斂變形分析

圖8數(shù)據(jù)總結(jié)如表4所示。由表4可見，新建地鐵隧道在Ⅳ級圍巖收斂最大，最大值為4.81mm；右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：3.66mm、2.79mm。新建隧道變形表現(xiàn)出圍巖強度越高，變形越小。隧道凈空收斂的變形趨勢與數(shù)值模擬相似，受現(xiàn)場爆破振動、支護滯后、開挖步距偏差、監(jiān)測儀器的誤差等，監(jiān)測值略大于模擬值屬于正常情況。隧道收斂在開挖初期的1～2月基本完成隧道的收斂變形，在監(jiān)測后期，收斂趨于穩(wěn)定。

(a)

(b)圖8 新建地鐵隧道左線、右線凈空收斂累計值變化曲線

表4 現(xiàn)場實測下新建地鐵隧道凈空收斂變形最大值

4 結(jié)論

為研究新建深埋地鐵隧道下穿既有鐵路隧道對既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降的影響，以及下穿過程中新建地鐵隧道拱頂沉降、凈空收斂的變化規(guī)律，通過對深埋地鐵隧道開挖過程數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，總結(jié)如下：

(1)從模擬數(shù)據(jù)可知既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為1.15mm，并且在下穿部位都未出現(xiàn)突變等變化較大的情況，同時模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測高度吻合，而《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]對隧道結(jié)構(gòu)沉降變形控制值為3mm～10mm。因此，在Ⅱ級～Ⅳ級圍巖下深埋隧道開挖對既有鐵路隧道的影響較小。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果反應出來的變形規(guī)律吻合，并且都表現(xiàn)為圍巖強度越高，變形越小。受現(xiàn)場初期支護滯后、不可避免地存在注漿空洞缺陷、監(jiān)測儀器誤差等，圍巖強度等級越低現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變形略大于模擬數(shù)據(jù)，從而驗證了模擬結(jié)果的準確性。

(3)結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，Ⅳ級圍巖下的位移值約為Ⅲ圍巖變形值的2倍，因此，在深埋隧道施工中重點關(guān)注較低強度圍巖的安全穩(wěn)定，其次關(guān)注上部既有鐵路隧道等周邊環(huán)境的影響。