盾構(gòu)隧道近距離平行下穿暗挖隧道影響性分析

李書成，陳道政，李 鵬，候建林

（1.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，合肥230046；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥230009）

近年來(lái)，隨著大中型城市地鐵建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，地鐵隧道施工中也出現(xiàn)了各種復(fù)雜的施工條件，尤其是盾構(gòu)隧道下穿既有隧道的情況屢見(jiàn)不鮮.如何在開(kāi)挖過(guò)程中防止既有暗挖隧道坍塌并有效的控制開(kāi)挖引起的既有暗挖隧道沉降以及地面沉降逐漸成為地鐵隧道領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題.關(guān)于這一課題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已有較多研究.

李科治等[1]對(duì)盾構(gòu)隧道長(zhǎng)距離平行下穿既有給水管線關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得出在雙線平行穿越既有管線時(shí)，左線隧道施工對(duì)管線沉降影響大于右線隧道施工，同時(shí)采取必要的加固措施能有效控制管線沉降.朱先龍[2]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出在偏壓隧道中有內(nèi)支撐式型鋼拱架相比于無(wú)支撐式型鋼拱架對(duì)隧道支護(hù)安全作用更大.鐘可[3]通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行研究，對(duì)比分析了富水砂卵石地層中超近距離盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道的兩種加固方案的加固效果，得出MJS 水平加固措施的加固效果好于環(huán)向內(nèi)支撐加固.

本文通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行分析，驗(yàn)證在新舊隧道凈距小于一倍洞徑，二襯未施工，規(guī)范未允許的情況下先行下穿的可行性并以本工程為依托研究既有暗挖隧道常見(jiàn)洞內(nèi)加固方式的加固效果.

1 工程實(shí)例概況

1.1 工程概況

崔家店站-萬(wàn)年場(chǎng)站區(qū)間包含兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道：即崔家店站-萬(wàn)年場(chǎng)站左線和崔家店站-萬(wàn)年場(chǎng)站右線.右線隧道長(zhǎng)555.700 m，左線隧道長(zhǎng)499.193 m（其中長(zhǎng)鏈11.43 m）.本區(qū)間隧道（左線）盾構(gòu)掘進(jìn)至里程ZDK9+695～ZDK9+962.763 時(shí)，與出入場(chǎng)線暗挖隧道并行施工，并行段間距為1.8～4.2 m，最小凈距為1.8 m.盾構(gòu)隧道與暗挖隧道的位置示意圖如圖1所示.

圖1 區(qū)間隧道與崔家店出入場(chǎng)線縱剖面關(guān)系Fig.1 Relationship between longitudinal section of tunnel and entrance and exit line of cuijiadian

暗挖隧道往萬(wàn)年場(chǎng)方向長(zhǎng)度為182.8 m，暗挖隧道均采用CRD 法開(kāi)挖施工. 初期支護(hù)采用格柵鋼架+掛網(wǎng)噴漿，臨時(shí)支護(hù)采用與初期支護(hù)等距工字鋼+掛網(wǎng)噴漿.噴射混凝土采用C25 早強(qiáng)砼，噴射厚度為350 mm. 同時(shí)為了控制初支下沉，施工過(guò)程中在距離仰拱0.5 m 高處打入兩對(duì)四根鎖腳錨桿.

1.2 地質(zhì)情況

盾構(gòu)隧道與暗挖隧道位于復(fù)合地層，隧道頂部1.0～3.0 m 范圍內(nèi)為：黏土夾卵石，底部為：強(qiáng)風(fēng)化泥巖.隧道頂部以上依次為黏土夾卵石、黏土、雜填土.

1.3 本工程中難點(diǎn)

根據(jù)施工規(guī)范及設(shè)計(jì)要求盾構(gòu)在掘進(jìn)至小于一倍洞徑時(shí)出入場(chǎng)線暗挖隧道二襯需施工完畢，但盾構(gòu)掘進(jìn)至兩兩隧道間距小于一倍洞徑段時(shí)，出入場(chǎng)線暗挖隧道二襯未施工，只進(jìn)行了開(kāi)挖支護(hù)且已將中隔壁拆除，在此情況下盾構(gòu)必須停機(jī)等待，待暗挖隧道二襯施工完畢后方可掘進(jìn)，至此期間盾構(gòu)要停機(jī)2 個(gè)月，因工期節(jié)點(diǎn)要求盾構(gòu)無(wú)法停機(jī)等待，就此原因成都地鐵公司經(jīng)過(guò)討論決定盾構(gòu)先行（二襯未施工且小于一倍洞徑），盾構(gòu)掘進(jìn)前對(duì)暗挖隧道必須進(jìn)行加固.

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

地表沉降、拱頂沉降、水平收斂均按間距5 m 布設(shè)，在受影響段中線每隔5 m 布設(shè)一個(gè)沉降點(diǎn).監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)先用沖擊鉆鉆孔，然后放入沉降測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)采用Φ22 鋼筋，長(zhǎng)度為800 mm.待測(cè)點(diǎn)完全穩(wěn)定后，即可開(kāi)始測(cè)量.

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

將當(dāng)日測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程與隧道開(kāi)挖前測(cè)得的該測(cè)點(diǎn)初始值之差做為該測(cè)點(diǎn)的沉降累計(jì)變化量，表征的是從監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始值測(cè)得以來(lái)該測(cè)點(diǎn)受隧道開(kāi)挖影響所造成的總沉降情況.記錄各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)束后的最終累計(jì)沉降值即最大沉降值作為監(jiān)測(cè)結(jié)果.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2，圖3 所示.

圖2 最終累計(jì)沉降變化曲線Fig.2 Change curve of final accumulated settlement

圖3 最終累計(jì)凈空收斂變化曲線Fig.3 Change curve of final accumulated headroom convergence

由此可看出，在新舊隧道凈距小于一倍洞徑，二襯未施工，規(guī)范未允許的情況下，新建盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響在合理的范圍內(nèi).

在對(duì)廈門市實(shí)施可持續(xù)發(fā)展策略的過(guò)程中，首先應(yīng)通過(guò)資源調(diào)查確定廈門市旅游資源的承載力以及資源的自身優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保障可持續(xù)發(fā)展策略的實(shí)施。[1]

3 數(shù)值模擬分析

3.1 既有暗挖隧道洞內(nèi)加固

隨著新建隧道下穿既有隧道的情況越來(lái)越普遍，新建隧道無(wú)論是爆破法施工還是盾構(gòu)施工，當(dāng)新舊隧道凈距達(dá)到一定距離時(shí)都必須對(duì)既有隧道洞內(nèi)采取一定措施進(jìn)行加固.在實(shí)際工程中，對(duì)既有暗挖隧道洞內(nèi)的加固方式多種多樣.除了本工程的加固方案，有兩種較為常見(jiàn)的暗挖隧道洞內(nèi)加固方式，一種是采用“一橫兩豎”加固措施，即在兩側(cè)拱肩處設(shè)置工字鋼或者H 型鋼豎向支撐，同時(shí)拱腰處設(shè)置橫向拉結(jié).另一種最為常見(jiàn)的即沿隧道內(nèi)輪廓設(shè)置型鋼鋼架進(jìn)行加固.本文以本工程為依托對(duì)三種加固方式進(jìn)行對(duì)比，比較其在Ⅴ級(jí)圍巖大斷面暗挖隧道無(wú)二襯情況下的加固效果.

3.2 模型建立

選取左線ZDK99I0-ZDK9931 為數(shù)值模擬區(qū)間，利用MIDAS 有限元分析軟件建立本工程的三維模型.本模型水平方向取90 m，縱向延隧道軸線方向取60 m，高程取60 m.模型本構(gòu)采用修正摩爾庫(kù)倫，土層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬；管片、盾殼、噴混根據(jù)其特性采用2D 板單元進(jìn)行模擬；鎖腳錨桿采用一維植入式裄架單元進(jìn)行模擬；格柵鋼架和型鋼支撐采用一維植入式梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬.對(duì)于型鋼鋼架的模擬，采用等效轉(zhuǎn)換的方式將用于既有隧道加固的型鋼鋼架彈性模量折算給噴混的彈性模量[4].盾構(gòu)隧道考慮掘進(jìn)壓力0.12 MPa、千斤頂對(duì)管片的壓力0.1 MPa、注漿壓力0.15 MPa.每次掘進(jìn)兩個(gè)管片的長(zhǎng)度做隧道施工階段分析.考慮最危險(xiǎn)情況，新建盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道取最小凈距1.8 m.新建隧道采用盾構(gòu)法進(jìn)行開(kāi)挖，既有隧道采用CRD 法進(jìn)行開(kāi)挖. 模型情況如圖4 所示.同時(shí)，為了研究上述三種加固方式的加固效果，建立了4 個(gè)模型：

1）工況一.其他參數(shù)和條件不變，沿隧道內(nèi)輪廓設(shè)置型鋼鋼架；

2）工況二.其他參數(shù)和條件不變，既有隧道兩側(cè)拱肩設(shè)置豎向鋼支撐，長(zhǎng)度5 m，拱腰處設(shè)置鋼支撐作為橫向拉結(jié)，布置情況如圖5 所示；

3）工況三.既有隧道拱頂處設(shè)置H 型鋼豎向支撐，將每側(cè)拱腳和拱腰鎖腳錨桿數(shù)量增加到兩根，長(zhǎng)度由3 m 增加到4 m.即本工程的加固方式，布置情況如圖6 所示.

圖4 新舊隧道網(wǎng)格示意圖Fig.4 Grid diagram of new and old tunnels

圖5 工況二加固方案示意圖Fig.5 Reinforcement scheme under condition II

圖6 本工程加固方案示意圖Fig.6 Reinforcement plan of the project

4）工況四. 其他條件和參數(shù)不變，無(wú)上述加固措施.

通過(guò)對(duì)工況三的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析來(lái)研究本次下穿對(duì)既有隧道的影響，同時(shí)對(duì)比四種工況的位移結(jié)果，分析不同加固方式的加固效果.對(duì)于工況一工況二中的型鋼采用與本工程加固措施相同規(guī)格的型鋼，鋼支撐和鋼架均每1 m 設(shè)一榀.

3.3 計(jì)算參數(shù)

土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1 所示.

表1 土層計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameters of soil layer

對(duì)于隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)，參數(shù)見(jiàn)表2 所列.

表2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表Tab.2 Calculation parameters of tunnel support structure

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于本工程，盾構(gòu)隧道穿越完成后其位移結(jié)果如圖7 所示，盾構(gòu)隧道最大位移出現(xiàn)在拱底，大小為19 mm，既有隧道拱底距離盾構(gòu)隧道最近，受影響最大，因此最大豎向沉降也出現(xiàn)在拱底，四種工況下既有隧道豎向沉降變化情況如圖8 所示.由圖中可以看出，既有隧道的豎向沉降隨著開(kāi)挖的進(jìn)行逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定.相對(duì)于工況四不采取加固措施下的隧道最大沉降值20 mm，鋼拱架加固下的隧道最大沉降值為13.3 mm，降低33.5%；拱肩支撐加橫向拉結(jié)加固下的隧道最大沉降值為14.7 mm，降低26.5%；而由圖7 可以看出本工程加固方式下的隧道最大沉降值為15.6 mm，降低20.5%. 可見(jiàn)鋼拱架對(duì)于限制既有隧道受新建隧道擾動(dòng)而產(chǎn)生的豎向位移有較好的效果，拱肩支撐加橫向拉結(jié)次之，本工程所采用的加固措施有一定的效果，但不如前兩者.

圖7 盾構(gòu)隧道穿越完成后新舊隧道位移云圖Fig.7 Displacement cloud chart of new and old tunnels after shield tunnel crossing

圖8 既有隧道最大沉降變化曲線圖Fig.8 Maximum settlement curve of tunnel

既有隧道的水平位移方面，由數(shù)值模擬結(jié)果和施工經(jīng)驗(yàn)可以得出，既有隧道在新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的水平位移最大值出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳.其位移變化情況如圖9 所示.相對(duì)于未加固的工況四，左側(cè)拱腳在進(jìn)行加固后工況一、工況二、工況三最大值分別降低27%、22.5%和18.4%.可以看出，在限制水平位移方面，工況一和工況二加固效果差別不大，鋼拱架略好于拱肩支撐加橫向拉結(jié)，而本工程中加長(zhǎng)加密鎖腳錨桿對(duì)既有隧道拱腳收斂雖有一定的限制，但效果不如型鋼和鋼拱架.

圖9 左拱腳水平位移變化曲線圖Fig.9 Horizontal displacement curve of left arch foot

圖10 是地表最大沉降隨開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線圖.由圖中可以看出，地表沉降隨著開(kāi)挖的進(jìn)行逐漸增大，在開(kāi)挖結(jié)束后增長(zhǎng)到最大值. 與工況四相比，工況一、工況二、工況三在開(kāi)挖結(jié)束后的最大地表沉降分別降低28.7%、23.2%和18.6%.可以看出在限制地表沉降方面工況一＞工況二＞工況三.

圖10 地表最大沉降變化曲線圖Fig.10 Curve of maximum ground settlement

綜上所述，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖大斷面暗挖隧道，在無(wú)二襯情況下三種加固方式的加固效果鋼拱架＞拱肩支撐加橫向拉結(jié)＞拱頂鋼支撐+加長(zhǎng)加密鎖腳錨桿.

由圖7～圖10 中工況三的計(jì)算結(jié)果可以看出，無(wú)論是地表沉降、隧道豎向沉降以及拱腳收斂，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中各項(xiàng)變形的最大值均小于警戒值，并且數(shù)值模擬的各項(xiàng)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差別較小，有著較好的吻合，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性，從數(shù)值模擬的角度說(shuō)明了本工程盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有隧道的擾動(dòng)在合理范圍內(nèi).而對(duì)于本工程所采取的加固方案雖然加固效果不如前兩者，但加固后既有隧道變形已滿足安全性要求，有足夠的安全儲(chǔ)備.與此同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)說(shuō)本工程所采取的加固方式用鋼量小于前兩者，并且對(duì)鎖腳錨桿進(jìn)行加長(zhǎng)加密施工簡(jiǎn)單，注漿錨桿造價(jià)低，對(duì)既有隧道的加固效果最為直接.因此綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)本工程所采用的加固方式是可靠的，合理的.

4 結(jié) 論

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖大斷面暗挖隧道，三種常見(jiàn)暗挖隧道洞內(nèi)加固方式的加固效果，鋼拱架＞拱肩支撐，加橫向拉結(jié)＞拱頂豎向支撐+加長(zhǎng)加密鎖腳錨桿.而對(duì)于本工程的加固方式來(lái)說(shuō)雖然效果不如前兩者，但依舊滿足安全性要求.并且造價(jià)低，施工簡(jiǎn)單，符合經(jīng)濟(jì)效益，其加固方案的選擇是合理的.

無(wú)論是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還是數(shù)值模擬結(jié)果，都顯示既有隧道在盾構(gòu)穿越過(guò)程中各方面的變形均小于控制值.從而說(shuō)明對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，在新舊隧道凈距小于一倍洞徑，二襯未施工，規(guī)范未允許的情況下對(duì)暗挖隧道做好加固措施，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)是可以先行穿越的.從而為日后在穿越既有隧道的工程中出現(xiàn)類似情況提供借鑒.其中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，出土量注漿量等施工數(shù)據(jù)以及既有隧道的加固方式也為日后類似工程施工提供參考.