新建地鐵隧道鄰近既有線施工影響研究進(jìn)展

鄭業(yè)勇

（中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙410004）

近年來，隨著大量人口涌入大中城市帶來的城市交通壓力與日俱增，地下軌道交通以快捷、時(shí)間可控、可利用地下空間成為城市交通規(guī)劃的首選。地下交通網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯使得新建地鐵隧道必然產(chǎn)生新的交叉節(jié)點(diǎn)，通過換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思路可以規(guī)避交叉節(jié)點(diǎn)施工帶來的風(fēng)險(xiǎn)，但多數(shù)車站早期規(guī)劃未預(yù)留穿越條件，新建地鐵隧道不可避免要穿越既有線。

目前存在上跨和下跨既有運(yùn)行線路兩種，這兩種跨越方式對既有隧道的影響機(jī)理有所不同，同時(shí)也與開挖方式、地質(zhì)水文、相對角度和距離等因素密切相關(guān)。如何準(zhǔn)確預(yù)估新建地鐵隧道施工與既有運(yùn)行線隧道之間的相互作用引起的結(jié)構(gòu)變形量對保障既有線運(yùn)營安全是鄰近施工面臨的關(guān)鍵問題得到了研究者的廣泛關(guān)注。地鐵可利用地下空間通常在10～30 米之間，隧道埋深要求與洞徑設(shè)計(jì)限制造成大多新建地鐵隧道以較小間距穿越既有運(yùn)行線路。當(dāng)既有線限界預(yù)留空間較小時(shí)，開挖引起的既有線結(jié)構(gòu)變形可能導(dǎo)致列車侵入界限而造成運(yùn)營線路的停運(yùn)[1]。通過預(yù)測隧道沉降，采取相應(yīng)輔助施工措施控制變形，減少掘進(jìn)過程的風(fēng)險(xiǎn)是一個研究難題。不僅需要理論模型與施工監(jiān)測相結(jié)合，還需要在施工過程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立更加精確和簡便的模型預(yù)測變形，為設(shè)計(jì)提供有效數(shù)據(jù)支撐，在設(shè)計(jì)階段便采取相應(yīng)的技術(shù)措施控制風(fēng)險(xiǎn)對隧道長期運(yùn)行安全至關(guān)重要。

鄰近施工使既有隧道周圍的土體受到較大擾動，土體平衡受到破壞，土體向開挖面發(fā)生松弛現(xiàn)象，引起既有隧道的豎向和水平方向變形，變形的出現(xiàn)必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，超過極限承載能力時(shí)會對結(jié)構(gòu)造成永久性破壞，降低安全使用壽命。隧道變形導(dǎo)致接縫處張開同樣會對管片間粘貼的橡膠止水條防水性能產(chǎn)生影響[2]。

提前預(yù)測施工中影響范圍及變形量，在盾構(gòu)到達(dá)交叉節(jié)點(diǎn)前對地層進(jìn)行加固處理，并在整個穿越施工過程中對既有線實(shí)時(shí)監(jiān)測，并加大監(jiān)測頻率，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況選定恰當(dāng)?shù)脑粮牧即胧?，確保穿越過程安全可控。研究既有線隧道變形規(guī)律，對于總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)方案有很好的價(jià)值。

1 研究方法

新建隧道穿越既有隧道產(chǎn)生的影響從水平方向分析，通常分為三階段（圖1）：到達(dá)交接區(qū)域前、在交接區(qū)域范圍內(nèi)、離開交接區(qū)域后。從剖面方向分析，交叉節(jié)點(diǎn)區(qū)域隧道存在不同的空間位置關(guān)系、地質(zhì)情況等（圖2）。研究者根據(jù)工程實(shí)際情況，采取經(jīng)驗(yàn)法、分析法、實(shí)體實(shí)驗(yàn)、場地監(jiān)測和數(shù)值模擬等方法評估鄰近既有隧道施工的影響[3]。

圖1 三階段影響區(qū)域平面圖

圖2 相交區(qū)域土體剖面圖

目前，國內(nèi)外采用最多的研究方法是利用有限元或有限差分法(FDM)進(jìn)行隧道模擬計(jì)算再結(jié)合施工現(xiàn)場采用自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。隧道內(nèi)監(jiān)測項(xiàng)目主要有拱頂下沉、拱底隆起、凈空收斂，拱頂下層通常每隔20 米設(shè)置1 個測點(diǎn)，加密區(qū)為5 米，凈空收斂每隔30 米設(shè)置3 個測點(diǎn)，加密區(qū)為10 米3 個測點(diǎn)。昝子卉[4]通過施工過程全動態(tài)模擬與全自動化監(jiān)測的結(jié)果對比分析，研究了盾構(gòu)施工上跨既有線的變形規(guī)律。數(shù)值模擬的精確度通常由選擇的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則是否足夠準(zhǔn)確模擬巖土的力學(xué)行為和變形決定，選擇Mohr-Coulomb 模型作為傳統(tǒng)的固體材料彈塑性的本構(gòu)模型。

在軟土地層中，張治國等[5]假設(shè)隧道周圍土體為彈性體，并把既有隧道看作是支撐在winkler 地基上的彈性梁。梁榮柱等[6]把既有隧道看做是擱置在winkler 地基上的歐拉-伯努利梁，通過明德林解來快速計(jì)算卸荷應(yīng)力，并建立參數(shù)模型分析前進(jìn)距離、空間距離、多隧道等不同的影響。

2 變形影響機(jī)理

新建地鐵隧道上跨既有線隧道在開挖前受到上部土體荷載作用，隧道掘進(jìn)時(shí)對周圍一定范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生擾動，使得原巖體平衡狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生微變形，甚至移位，未及時(shí)制止的移位可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)出現(xiàn)局部坍塌。上跨隧道隨著開挖面不斷向交叉中心推進(jìn)，卸載了既有線上部部分土體荷載，夾層土受到二次擾動后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，地層迅速將擾動結(jié)果傳播到既有隧道，使得襯砌支護(hù)力下降。隧道下部的彈性反力大于上部土體荷載，使得既有隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮。開挖后土體荷載轉(zhuǎn)移到隧道兩側(cè)土體，隧道承受的側(cè)向力增加，使得既有隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步上浮，嚴(yán)重時(shí)甚至整體彎曲變形。既有隧道豎向沉降量遠(yuǎn)大于水平位移量，受影響的范圍通常在交叉節(jié)點(diǎn)兩側(cè)1D（洞徑）范圍內(nèi)[4]。采用盾構(gòu)法施工時(shí)，土倉壓力略大于主動土壓力，位于盾構(gòu)掘進(jìn)下面的隧道受力也會有所增大。既有線距離交點(diǎn)中心越近變形量通常越大，呈現(xiàn)出兩邊低中間高的波谷變形。

新建地鐵隧道下跨既有隧道的對土體擾動影響與上跨相同?；谧詣踊O(jiān)測與有限元差分法模擬，隧道出現(xiàn)了豎向位移和扭轉(zhuǎn)變形，兩種變形疊加易導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。下跨隧道施工改變了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起沉降，導(dǎo)致既有隧道受力增加和彎曲變形，可能對既有線的正常運(yùn)行產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。

3 施工保障措施

施工前對既有隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)查和監(jiān)控量測測點(diǎn)布置，提前對地鐵隧道進(jìn)行全方位自動化實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少對既有隧道的負(fù)面影響。在粘質(zhì)粉土和粉砂土層中通常選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能夠較好的控制土體沉降。同時(shí)，盾構(gòu)法施工需要減少盾構(gòu)推力和降低掘進(jìn)速度的盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整來保障鄰近施工結(jié)構(gòu)物安全。盾構(gòu)施工橫斷面監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3 所示，AB 為道床沉降監(jiān)測點(diǎn)，C 為拱頂沉降監(jiān)測帶點(diǎn)，DF 為水平位移監(jiān)測點(diǎn)。采用盾構(gòu)法或礦山法施工的隧道，在掌子面達(dá)到交叉中心之前對易受影響范圍內(nèi)的地層進(jìn)行地面注漿預(yù)加固處理[1,7]。盾構(gòu)試掘進(jìn)過程中嚴(yán)控掘進(jìn)參數(shù)，試掘進(jìn)參數(shù)如表1 所示。盾構(gòu)穿越后，根據(jù)監(jiān)測情況及時(shí)進(jìn)行二次注漿和管片徑向注漿。最新研究表明，采取相應(yīng)施工措施之后，最大位移小于3mm[2]，變化量滿足規(guī)范控制指標(biāo)±10mm要求。

圖3 橫斷面監(jiān)測點(diǎn)布置

表1 盾構(gòu)試掘進(jìn)參數(shù)

4 結(jié)論

通過新建地鐵隧道上跨或下跨既有線隧道交叉節(jié)點(diǎn)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、隧道空間位置等信息建立模型預(yù)測沉降量，在設(shè)計(jì)階段局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)較少沉降風(fēng)險(xiǎn)，在施工階段加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)反饋監(jiān)測信息及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。模型預(yù)測與設(shè)計(jì)結(jié)合、監(jiān)控量測與施工過程同步開展能顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn)，對既有線安全運(yùn)行意義重大。