上下并行隧道先后下穿高速公路相互影響機(jī)理研究

韓磊 白陽陽

摘 要：西安地鐵 5 號(hào)線二期地鐵盾構(gòu)隧道、市政昆明二路下穿道為上下并行隧道，并行隧道先后下穿繞城高速公路，其空間關(guān)系復(fù)雜、工程社會(huì)影響重大;上下并行隧道施工不僅對既有繞城高速造成一定影響，其施工相互影響也不容忽視，因此分析研究上下并行隧道開挖對既有道路影響及相互影響機(jī)理具有重要實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：地鐵;隧道施工;高速公路;數(shù)值模擬;影響機(jī)理

中圖分類號(hào)：U215.1

1 研究背景

城市地下工程事故一旦發(fā)生將會(huì)造成非常嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，在地下穿越工程施工中，除工程自身結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)外，環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)的管理也是工程建設(shè)的重要內(nèi)容。目前，城市隧道施工工法及經(jīng)驗(yàn)豐富[1-2]，關(guān)于盾構(gòu)下穿既有建（構(gòu)）筑物施工已有大量研究，主要基于對地表、既有隧道、既有路基、商業(yè)住宅建筑等的影響[3-13]。關(guān)于盾構(gòu)隧道下穿高速公路的研究，蔣彪[14]

通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)測相結(jié)合對長沙地鐵2號(hào)線下穿京珠高速公路進(jìn)行了分析;張火軍[15]對盾構(gòu)下穿高速公路盾構(gòu)土倉壓力、推進(jìn)速度、同步注漿量及注漿壓力等盾構(gòu)措施進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有隧道下穿既有建（構(gòu)）筑物研究多數(shù)集中在空間較為簡單方面，而隧道上下并行先后下穿既有高速公路的研究相對較少。文章以雙線盾構(gòu)隧道、昆明二路大斷面隧道下穿西安繞城高速公路為背景，對不同工況下隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究地鐵隧道、市政隧道下穿繞城高速公路過程中高速路基和先建隧道的變形及地表的變化規(guī)律，可為后續(xù)類似穿越工程提供技術(shù)支撐。

2 工程概況

2.1 隧道下穿段西安繞城高速工程概況

下穿段位于西安繞城高速公路南段，阿房宮立交橋南側(cè)（高速里程約為K39+500～K40+150），繞城高速南段項(xiàng)目于2000年10月開工建設(shè)，2003年建成通車。下穿段路基寬度35 m，雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度120km/h。

2.2 地鐵隧道及昆明二路下穿道方案

西安地鐵5號(hào)線豐鎬村—周吳村區(qū)間（簡稱“豐周區(qū)間”）全長1247.549m，區(qū)間隧道洞頂覆土約10.5～24.0m，線間距14.0m。在里程ZDK18+999.000～ZDK19 + 042.500、YDK19 + 005.000～YDK19 + 048.500下穿繞城高速，隧道距繞城高速路面最近約為14.4 m。

豐周區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道橫截面為圓形，其外徑為6m，管片厚度為0.3m。

鑒于昆明二路現(xiàn)階段為規(guī)劃道路，下穿道具體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、施工方案尚未有確切資料。本文下穿道施工工法采用現(xiàn)階段較為成熟的頂管法通過繞城高速。下穿道橫截面為雙跨矩形，其跨度為9m。地鐵隧道、市政下穿道與繞城高速關(guān)系如圖1所示。

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 既有高速公路控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50911-2013 《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[16]規(guī)定高速公路與城市道路監(jiān)測項(xiàng)目控制值應(yīng)在調(diào)查分析道路等級(jí)、路基路面材料、道路現(xiàn)狀情況和養(yǎng)護(hù)周期等的基礎(chǔ)上，結(jié)合其與工程的空間位置關(guān)系和當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，并應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 073.2-2001 《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》 [17]和JTJ 073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》 [18]的有關(guān)規(guī)定。結(jié)合既有地鐵2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿北繞城高速公路的影響，5號(hào)線二期豐周地下區(qū)間及規(guī)劃昆明二路下穿繞城高速的允許沉降值為20 mm，速率控制值3 mm/天。

3.2 地鐵隧道及市政下穿道控制標(biāo)準(zhǔn)

GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》綜合各類技術(shù)規(guī)范要求和實(shí)測變形情況，給出城市軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測項(xiàng)目控制值：即當(dāng)無地方工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，城市軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)變形控制值可按表1確定。

4 模型建立

4.1 模型概況

地鐵隧道行走于粉質(zhì)黏土和中砂夾層，昆明二路下穿道主要穿越新黃土及古土壤。上覆為第四系全新統(tǒng)雜填土、第四系上更新系統(tǒng)殘黃土，地下水位埋深7.80～30.60m，水位標(biāo)高介于368.95～386.09 m，地下水年水位變幅1～2 m。為充分論證盾構(gòu)隧道下穿繞城高速施工過程對既有繞城高速的不利影響，采用分析軟件MIDAS GTS NX[19]對隧道下穿繞城高速建立模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

4.1.1 基本假設(shè)

（1）假定各土層均勻分布，地表水平且無其他任何建（構(gòu)）筑物;

（2）由于土體厚度不大，故地層初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響;

（3）土體變形為各向同性，隧道結(jié)構(gòu)材料選取為彈性模型;

（4）計(jì)算過程不考慮水的影響。

4.1.2 模型建立

盾構(gòu)下穿隧道與繞城高速路面距離約為14.4 m。模型上邊界取至路面，下邊界在隧道底部4倍盾構(gòu)隧道直徑以下，橫向取至距隧道中線兩側(cè)各8倍隧道直徑。具體在數(shù)值計(jì)算研究中沿埋深方向取地面以下50 m;考慮到建模方便，此區(qū)間隧道下穿繞城高速按正交下穿處理。最終確定模型區(qū)域?yàn)椋?20 m×50 m。建立的計(jì)算模型共包括6312個(gè)單元，6473個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的邊界條件除了上表面為自由面以外，其余方向和底部均采用位移約束，其計(jì)算地質(zhì)模型及單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

其中，填土、古土壤、粉質(zhì)黏土、中砂與黃土以及繞城路基等采用實(shí)體單元模擬，昆明二路下穿道、地鐵隧道襯砌采用梁單元模擬，采用平面應(yīng)變模型，根據(jù)JTGD 60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)范[20]，公路 -Ⅰ級(jí)車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5 kN/m，路面超載按20kN/m2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 圍巖參數(shù)取值

本斷面地鐵隧道拱頂距繞城高速路面約14.4 m，地下水位位于地鐵隧道底板以下。所處地層情況如圖3所示，具體參數(shù)如表2所示。

為分析隧道施工對繞城高速的影響及地鐵隧道與昆明二路下穿道施工相互作用機(jī)理，分別對方案一（先施工地鐵隧道）和方案二（后施工地鐵隧道）進(jìn)行多工況分析。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 繞城高速路基沉降分析

5.1.1 方案一

圖4為先施工地鐵隧道后施工昆明二路下穿道工況地層沉降云圖。地鐵隧道施工，由于地鐵隧道埋深較大約14.4 m，高速路面沉降值受上部土體塌落拱影響，繞城高速沉降較小，最大沉降值為1.20 mm;既有繞城高速路面沉降曲線形態(tài)為V型曲線，如圖5所示;昆明二路下穿道施工后，既有繞城高速路面沉降曲線形態(tài)為雙峰曲線，最大沉降值為8.16 mm，達(dá)到規(guī)范限值的40.8%。

5.1.2 方案二

圖6為先施工昆明二路下穿道后施工地鐵隧道工況地層沉降云圖。昆明二路下穿道施工后，既有繞城高速路面沉降曲線形態(tài)為雙峰曲線，繞城高速路面最大沉降值為7.38 mm，如圖7所示;地鐵隧道穿越后，既有繞城高速路面最大沉降值為7.85mm，達(dá)到規(guī)范限值的39.25%。進(jìn)一步研究可得先施工昆明二路下穿道，地鐵隧道后施工對繞城高速影響較小，沉降影響僅為0.47mm。分析其原因可能是下穿道施工后，下穿道結(jié)構(gòu)施工對繞城高速基底土層具有一定的加固作用。

對比分析地鐵隧道、昆明二路下穿道先后施工對既有繞城高速的影響，由于下穿道跨度大且距離繞城高速較近約3.7 m，下穿道施工相比地鐵隧道施工對既有繞城高速影響更大。

方案一、方案二對繞城高速影響基本一致，但后施工隧道將對先施工隧道造成一定的影響，故需進(jìn)一步分析論證昆明二路下穿道與地鐵隧道先后施工的相互影響機(jī)理。

5.2 昆明二路下穿道、地鐵隧道相互影響分析

5.2.1 方案一

先施工地鐵隧道，昆明二路下穿道后施工對地鐵隧道的影響如圖8所示，地層卸荷導(dǎo)致地鐵隧道有一定的上浮，其最大值約為1.25m，達(dá)到限值的25%，位于地鐵隧道底板位置。

5.2.2 方案二

先施工昆明二路下穿道，地鐵隧道穿越后對昆明二路下穿道的影響如圖9所示，下穿道頂板位置沉降最大值約1.26 mm，底板位置有上浮，最大上浮約為3 mm，達(dá)到限值的60%。分析下穿道底板上浮原因可能是下穿道施工后，下穿道結(jié)構(gòu)屬于補(bǔ)償性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，且下穿道結(jié)構(gòu)橫斷面較大，地鐵施工后對地層造成了一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致下穿道自身變形。

6 結(jié)論及建議

綜上相關(guān)工程案例及有限元數(shù)值模擬分析，得出主要結(jié)論及建議如下：

（1）市政下穿道與地鐵隧道先后施工順序?qū)@城高速路基沉降影響基本一致;

（2）后施工地鐵隧道對規(guī)劃下穿道影響較大，建議先施工地鐵隧道后施工市政下穿道;

（3）地鐵隧道、市政規(guī)劃下穿道穿越繞城高速技術(shù)可行，但應(yīng)做好穿越過程中的施工控制，同時(shí)做好施工應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全;

（4）數(shù)值計(jì)算分析均在理想情況下得出，所得規(guī)律及變形尚未得到實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的建立，并在此研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析總結(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇斌，蘇藝，江玉生，等.北京典型地層盾構(gòu)適應(yīng)性對比與施工關(guān)鍵技術(shù) [M].北京：人民交通出版社， 2013.

[2]張鳳祥，朱合華，付德明.盾構(gòu)隧道[M].北京：人民交通出版社， 2004.

[3]田世文，杜新飛，張柏.北京地鐵10號(hào)線盾構(gòu)下穿既有建筑物的控制措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（12）：148-151.

[4]王立新，汪珂，李儲(chǔ)軍，等.黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿既有線影響規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2019（10）：124-130，158.

[5]汪洋，何川，曾東洋，等.盾構(gòu)隧道正交下穿施工對既有隧道影響的模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].鐵道學(xué)報(bào)，2010（2）：79-85.

[6]王立新.盾構(gòu)超近距離穿越大型立交樁基群影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016（3）：761-768，838.

[7]張冬梅，宗翔，黃宏偉.盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起上方已建隧道的縱向變形研究[J].巖土力學(xué)，2014（9）：2659-2666.

[8]張毅，房明.盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工影響的三維數(shù)值模擬[J].廣州建筑，2012（6）：12-15.

[9]邵華，張子新.盾構(gòu)近距離穿越施工對已運(yùn)營隧道的擾動(dòng)影響分析[J].巖土力學(xué)，2004（S2）：545-549.

[10] 何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008（3）：91-98.

[11] 張瓊方，林存剛，丁智，等.盾構(gòu)近距離下穿引起已建地鐵隧道縱向變形理論研究[J].巖土力學(xué)，2015（S1）：568-572.

[12] 張海彥，何平，秦東平，等.新建盾構(gòu)隧道垂直下穿對既有隧道的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2013（2）：66-70.

[13]劉春陽，張鵬，張繼清. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路安全性分析[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（S2）：69-72.

[14] 蔣彪. 長沙地鐵二號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿京珠高速公路施工地表沉降控制研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012（25）：23-25.

[15] 張火軍. 土壓平衡盾構(gòu)下穿高速公路施工控制及參數(shù)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2013（4）：38-40.

[16] GB 50911-2013 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[17] JTJ 073.2-2001 公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2001.

[18] JTJ073.1-2001公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2001.

[19] 李治. Midas/GTS在巖土工程中應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[20] JTGD 60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2015.

收稿日期 2019-11-28

責(zé)任編輯 宗仁莉