暗挖隧道上穿既有盾構(gòu)隧道的影響研究

羅錫波，張雪松，陳發(fā)勇，陽 超,王玉鎖

(1.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司,安徽合肥 230088；2.西南交通大學 土木工程學院，四川成都 610031)

在城市的快速發(fā)展中面臨著人口激增、土地、交通等一系列問題，地鐵的安全、快捷、節(jié)約土地的優(yōu)點使其成為解決城市發(fā)展交通問題的一把利劍，也因此成為現(xiàn)代大都市的標配[1]。

目前，成都地鐵共開通6條線路(1、2、3、4、7、10號線)，線路總長約196 km，共計136座車站投入運營(換乘站不重復計算)，且成都地鐵的在建項目較多，目前在建線數(shù)達到10條、里程351 km，所以經(jīng)常存在多個隧道一同施工的情況，對彼此會產(chǎn)生一定程度上的影響，為此，本次結(jié)合成都地鐵9號線一期工程5標中采用暗挖法修建上穿盾構(gòu)隧道的項目，對暗挖隧道上穿修建完成不久的盾構(gòu)隧道的影響進行了研究，可為工程施工提供一定參考價值。

1 工程概況

成都軌道交通9號線5標共包括兩個盾構(gòu)區(qū)間和一個武青車輛段出段線。

盾構(gòu)區(qū)間包括武青南路站—機投橋站和機投橋站—培風站。武青南路站—機投橋站：左線(515#)全長2 435.299 m，右線(517#)全長2 427.717 m，區(qū)間隧道埋深18.4～25.3 m。機投橋站—培風站：左線(518#)長604.040 m，右線(516#)長1 238.231 m，區(qū)間隧道埋深20～28 m。

礦山法隧道施工區(qū)間為武青車輛段出段線，其位于機投鎮(zhèn)站—武青北路站正線區(qū)間西側(cè)，位于同時在建成浦鐵路橋附近。出線端與機投鎮(zhèn)站相接，武青車輛段出入段線位于機投橋站—培風站區(qū)間，大體呈八字型布置，入段線與培風站相接，出段線與機投橋站相接。出段線隧道起止里程為：CDK0+091.729～CDK0+880.000,長度799.271 m，其中，里程CDK0+340.291～ CDK0+753.000(412.709 m)段采用礦山法施工，區(qū)間埋深10 m左右，其余段均采用明挖法施工。地層從上到下依次為雜填土、沖擊卵石土(稍密)、沖擊卵石土(中密)、沖擊卵石土(密實)和冰水沉積、沖擊卵石土(密實)。成都地鐵9號線中盾構(gòu)隧道與礦山法隧道的關(guān)系圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道與礦山法隧道的關(guān)系

圖2 數(shù)值模型

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

本標段的盾構(gòu)區(qū)間管片采用的是混凝土裝配式預制管片，外徑6.7 m，內(nèi)徑6 m，管片厚度為0.35 m，長度為1.5 m，混凝土等級為C50，拼裝方式為錯縫式。礦山法隧道橫斷面尺寸圖見圖2，在數(shù)值模型中，對于管棚及超前錨桿強化圍巖的作用，采用等效方式來進行模擬，根據(jù)JTGD 70-2004《公路隧道設計規(guī)范》以及施工經(jīng)驗，在對隧道圍巖進行超前管棚預加固后，加固區(qū)的參數(shù)一般可認為提高一個級別[2]，經(jīng)等效換算后，各工況下管棚加固土及超前管棚加固土的參數(shù)取值見表1。隧道土層從上而下分別為雜填土(3.2 m)、稍密砂卵石(3.7 m)、中密砂卵石(12 m)、密實砂卵石(20.13 m)；暗挖隧道中的初期支護為鋼架+鋼筋網(wǎng)+C25噴射混凝土，二次襯砌為防水鋼筋混凝土(混凝土為C35)，初支和二襯的材料參數(shù)按抗彎剛度等效方法計算。隧道結(jié)構(gòu)及土層的計算參數(shù)分別見表1和表2。

表1 隧道結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)

表2 土層的計算參數(shù)

2.2 模型的建立

采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型(圖2)，該模型的長、寬、高分別為90 m、92 m和45.7 m。其中土有4層，從上至下分別為雜填土(3.2 m)，稍密卵石土(3.7 m)，中密砂卵石(12 m)，密實砂卵石(26.8 m)。均為三維摩爾庫倫本構(gòu)模型的單元。盾構(gòu)隧道管片和礦山法隧道的初支、二襯及仰拱均采用彈性實體單元進行模擬；對于超前管棚和超前錨桿的施作，進行了簡化處理，用摩爾-庫倫實體單元按等效方法來進行模擬。在模型中，上表面為自由邊界，側(cè)面及底面的位移是被約束了的。

在進行有限元數(shù)值模擬時，盾構(gòu)隧道每次開挖長度為1.5 m；礦山法隧道的施工方法為環(huán)形開挖預留核心土法，開挖進尺為0.5 m，上臺階長度為3 m，下臺階長度為6 m。整個施工過程分為如下6步：

步驟1：自重應力場計算。

步驟2：開挖盾構(gòu)隧道左線。

步驟3：開挖盾構(gòu)隧道右線。

步驟4：進行超前錨桿和管棚預加固。

步驟5：開挖礦山法隧道，并施作初支。

步驟6：在礦山法隧道區(qū)間開挖完成后，施作二襯。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 監(jiān)測斷面的選擇

在本節(jié)中，選擇礦山法隧道與盾構(gòu)隧道重疊的兩個斷面作為監(jiān)測斷面(y=34.5m及y=63m斷面處，分別記為截面Ⅰ和Ⅱ)，對開挖過程中各測點(具體位置見圖3)的地表沉降及豎向應力進行監(jiān)測。

在圖3(b)中，地面測點1～3處于截面Ⅰ的上方，地面測點4～6處于截面Ⅱ的上方；盾構(gòu)測點1～3位于截面Ⅰ右線盾構(gòu)隧道上，盾構(gòu)測點4～6位于截面Ⅱ左線盾構(gòu)隧道上。

圖3 監(jiān)測斷面及測點位置

3.2 地表及盾構(gòu)隧道位移分析

依據(jù)施工順序，各隧道開挖貫通的地表縱向沉降云圖見圖4。

由圖4可知，在盾構(gòu)隧道左線貫通以后，此時地表最大沉降為6.8 mm；在盾構(gòu)隧道右線也貫通以后，沉降最大處位于兩條盾構(gòu)隧道的中間最大沉降為10 mm，模型兩側(cè)土體有略微隆起(為1.9 mm)；在礦山法隧道開挖完成以后，此時地表沉降最大值為18.1 mm，坐標為(43.0,54.5,45.7)，位于兩重疊斷面的中間區(qū)域，而模型的左上角及右上角部分區(qū)域的地表有輕微的隆起(隆起的最大高度為4 mm)。

監(jiān)測斷面Ⅰ和Ⅱ中各測點所記錄地表及隧道結(jié)構(gòu)的位移見圖5，圖中橫坐標為計算步數(shù)，從3 042步到15 042步為模擬盾構(gòu)隧道(左線)開挖的計算；從15 042步到27 042步為模擬盾構(gòu)隧道(右線)開挖的計算；從27 042步以后為模擬礦山隧道開挖的計算；從64 042步以后為模擬二襯施作的計算，圖上的“盾構(gòu)左”、“盾構(gòu)右”、“礦山隧道”分別表示盾構(gòu)隧道左線、盾構(gòu)隧道右線及礦山法隧道開挖及初支的施作，“礦山隧道二襯”表示礦山法隧道二襯的施作。礦山法隧道開挖導致的盾構(gòu)隧道上浮矢量圖見圖6。

圖4 地表沉降云圖

圖5 地表及隧道結(jié)構(gòu)的位移

圖6 礦山法隧道開挖導致的盾構(gòu)隧道上浮矢量

由圖5(a)、圖5(b)，可知在隧道開挖過程中，y=34.5 m斷面處地面測點2的沉降值最大，為14.6 mm，在每條隧道臨近貫通前，位移都有向上的趨勢，這是由于隧道臨近貫通前，掌子面上方的地表沉降向下，而導致y=34.5m斷面處的位移有所回升，而在另外一條隧道開挖的時候，又開始向下沉降；y=63m斷面處地面測點5的沉降值及變化速率最大，為16.6 mm，相比于y=34.5斷面處的地表沉降略大一些，在每條隧道臨近貫通前，位移同樣的也都有向上的趨勢，原因和y=34.5m斷面的相同，在礦山法隧道開挖到此斷面前，地表位移略微上升，速率接近于0。

由圖5(c)、圖5(d)可知：在隧道開挖過程中y=34.5 m斷面處，盾構(gòu)隧道左線開挖對右線的三個測點豎向位移的影響均不大，在右線開挖至此斷面時，其拱頂開始出現(xiàn)明顯沉降，且沉降速率先急劇增大，最大值約為14.5 mm，盾構(gòu)開挖經(jīng)過此斷面以后，拱頂沉降有所回升，在礦山法隧道臨近貫通前，拱頂沉降接近為0，施作二襯期間，拱頂沉降值略微增大至1.2 mm，并趨于穩(wěn)定；而右線隧道兩拱腰處在開挖至此斷面前，左拱腰處有所上浮，右拱腰略有沉降，但是接近于0，在開挖到此斷面以后，左右拱腰的上浮速率急劇增大，在礦山法隧道施作二襯期間達到最大值(左拱腰上浮至16 mm，右拱腰上浮至14 mm)，在施作二襯經(jīng)過這個斷面以后，略有下降，左拱腰穩(wěn)定值約為15 mm，右拱腰的約為13 mm。

在y=63m斷面處，盾構(gòu)隧道左線開挖到此斷面前，左線上三個測點的位移接近于0，當開挖面接近于y=63m斷面時，左線拱頂開始出現(xiàn)明顯沉降，且沉降速率先急劇增大(其中拱頂速率最大)，拱頂沉降最大值約為16.5 mm，盾構(gòu)開挖經(jīng)過此斷面以后，拱頂沉降有所回升，在礦山法隧道臨近貫通前，拱頂沉降約為0.3 mm，施作二襯期間，拱頂沉降值略微增大至0.4 mm，并趨于穩(wěn)定；而左線隧道左右拱腰處在開挖至此斷面前，均有所沉降，且速率及大小基本相同，在開挖到此斷面以后，左右拱腰的上浮速率急劇增大，且基本相同，在盾構(gòu)隧道開挖近一半以后，位移有所下降，但是右拱腰下降速率小于左拱腰的，在礦山法隧道施作二襯期間，達到最大上浮值，左右拱腰分別為12.5 mm和15.4 mm。但臨近右線隧道拱腰的上浮值明顯要大一些，而且也比左線截面1處的大一些，而右線左拱腰的上浮值比右拱腰大一些，這可能是由于各側(cè)隧道開挖完成后，引起兩側(cè)較遠的土體略向上隆起，而右側(cè)有兩條隧道貫通所引起的。

從圖6可知，礦山法隧道開挖使得盾構(gòu)隧道左右線產(chǎn)生上浮，上浮最大位置位于礦山法隧道與盾構(gòu)隧道重疊處，施工時應予以重視。

3.3 盾構(gòu)隧道應力分析

盾構(gòu)隧道兩截面各測點的豎向應力變化曲線見圖7。

圖7 盾構(gòu)隧道各測點的豎向應力變化曲線

由圖7可知，在y=34.5m和y=63m斷面處，當測點各自所在的隧道開挖至此監(jiān)測斷面時，豎向應力值均有發(fā)生突變，且都是左拱腰處豎向應力值突變速率和幅度最大，最大值分別為-7.2 MPa(右線y=34.5m斷面)和-6.05 MPa(左線y=63m斷面處)，拱頂處均迅速從受壓變?yōu)槭芾?，但是左線y=63m斷面處達到1 MPa，明顯大于右線y=34.5m斷面處的0.2 MPa，這是由于開挖至各自監(jiān)測斷面時，產(chǎn)生了臨空面引起的，在施作管片以后，應力值緩緩增大，并趨于穩(wěn)定；在礦山法隧道上穿重疊區(qū)域時，各測點的壓應力均有所減小，這是由于上部隧道開挖至此處，產(chǎn)生空洞，而使得隧道有所上浮而引起的；在二襯施作到測點所在斷面以后，壓應力略有增大，并逐漸穩(wěn)定。

最終各測點的豎向應力穩(wěn)定值分別是：右線y=34.5m斷面處左拱腰為-6.5 MPa、拱頂為-0.4 MPa、右拱腰為-5.7 MPa；左線y=63m斷面處左拱腰為-5.4 MPa、拱頂為-0.9 MPa、右拱腰為-4.7 MPa。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對礦山法隧道上穿不久前貫通的盾構(gòu)隧道之影響進行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)在隧道開挖過程中，開挖至各監(jiān)測斷面時，此處地表沉降速率會迅速增大，且每個隧道臨近貫通前和另一隧道開挖初期，重疊斷面處的地表沉降都會有所上升；位于兩隧道之間的位置地表最終沉降最大，在y=34.5m和y=63m處截面處分別為14.6 mm和16.6 mm；在礦山法隧道開挖完成以后，此時地表沉降最大值為18.1 mm，位于兩重疊斷面的中間區(qū)域，而模型的左上角及右上角部分區(qū)域的地表有輕微的隆起(隆起的最大高度為4 mm)。

(2)在盾構(gòu)隧道開挖完成后，引起兩側(cè)較遠的土體略向上隆起，而導致左線盾構(gòu)隧道右側(cè)和右線盾構(gòu)隧道左側(cè)拱腰位移稍比另一側(cè)大；

(3)礦山法隧道的開挖會導致兩條已經(jīng)開挖完畢的盾構(gòu)隧道有所上浮，上浮最大距離為右線隧道的7.4 mm，兩條盾構(gòu)隧道的上浮最大位置都位于重疊斷面處，在施工時應予以重視；

(4)在礦山法隧道上穿重疊區(qū)域時，各測點的壓應力均有所減小，這是由于上部隧道開挖至此處，產(chǎn)生空洞，而使得隧道有所上浮而引起的；而在二襯施作到重疊斷面以后，豎向壓應力略有增大，并逐漸穩(wěn)定，最終重疊斷面處隧道結(jié)構(gòu)均受壓，最大不超過6.5 MPa。