南寧地鐵三號線盾構下穿一號線運營線路沉降規(guī)律分析

趙強

中鐵一局集團城軌公司 江蘇無錫 214000；惠州市軌道交通有限公司 廣東惠州 516000

隨著我國城市軌道交通的飛速發(fā)展，越來越多的城市開始修建地鐵，而隨著地鐵線路的不斷完善，勢必會遇到新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的工況。而近年來大量的工程實例證明盾構下穿既有地鐵隧道的施工中具有較大的風險。因此有必要針對此方面進行研究。本文依南寧新建地鐵3 號線工程施工總承包02 標土建8 工區(qū)金- 埌區(qū)間下穿既有1 號線隧道段工程，分析探討盾構施工過程中既有1 號線的沉降，并總結其沉降規(guī)律為類似工程提供參考。

1 工程概況

本工程為南寧市地鐵3 號線金湖廣場站至埌西站區(qū)間（以下簡稱M3）盾構隧道下穿經(jīng)過既有地鐵1 號線（以下簡稱M1）工程。M3 金- 埌區(qū)間線路出金湖廣場站18．0m 后從民族大道下穿過，沿金湖路南到達終點埌西站。區(qū)間設計里程為DK17+318．093-DK17+892．801。左線長度為585．607m（長鏈10．90m），右線長度為574．708m，區(qū)間總長度為1160．315m。區(qū)間線路由一段直線和兩段曲線構成，曲線半徑分別為R300m、R450m，線路最大坡度為28‰，線間距11．0m-18．0m，隧道埋深11．3m-22．6m（下穿段22m）。下穿段平面圖如圖1 所示。

圖1 M1 下穿M3 平面圖

M3 金- 埌區(qū)間盾構隧道穿越的地層為：粉土層③1、粉砂層④1-1、圓礫層⑤1-1、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-2、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3，其中下穿M1 段穿越的土層為主要圓礫層⑤1-1、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-2、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3。

圓礫層⑤1-1 滲透性大，滲透系數(shù)高達8．1＊10-4m/s，且存在粒徑較大的礫石和卵石。根據(jù)盾構機選型經(jīng)驗，滲透系數(shù)小于10-4m/s，可以選用土壓平衡盾構，滲透系數(shù)大于10-7m/s，宜選用泥水盾構，同時泥水盾構機還適用于在粒徑較大的卵石、礫石地層中掘進。經(jīng)專家論證決定采用海瑞克S455 泥水平衡盾構機[1]。

2 數(shù)值模擬分析

由于本工程為南寧地區(qū)富水圓礫地層中首次盾構下穿既有運營地鐵隧道，施工難度較大，依靠施工經(jīng)驗難以準確預測既有隧道的變形，無法確保其安全。而隨著近年來科技的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了預測施工引起一系列影響的重要手段，本文基于本工程概況，通過數(shù)值模擬分析了盾構下穿施工對既有隧道的影響。

2.1 模型的建立

考慮到隧道開挖的影響，建立的模型寬度90m，為下穿范圍長度的4 倍；長度100m，包含了30m 的車站結構和70m 的M1區(qū)間隧道；高度38m，模型底部距M3 底部2D（D 為隧道洞徑），如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

計算時考慮如下因素：

（1）初始條件為M3 區(qū)間未開挖，且地層處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）土體視為彈塑性體，采用修正摩爾·庫倫本構模型（Modified Mohr-Coulomb Model），既有隧道、地下通道和車站采用各向同性彈性本構模型（Elastic Isotropic Model）。

（3）考慮到邊界影響及路面車輛荷載等影響，模型上邊界取至地面，設置為自由面，并施加20kPa 的面荷載模擬地面堆載，底部及四周施加法向約束。

（4）土層按勘察報告簡化為6 層，計算參數(shù)如表1 所示。考慮到地下水影響，地下水位（-8m）土體和構件取其浮重度。

（5）考慮到M1 隧道建成已建設完成，在初始平衡以及M1隧道和金湖東地道開挖后，將土體位移場進行清零后再進行M3 開挖；M3 按先左后右的順序進行開挖，開挖步距設置為1m，直至開挖結束。

表1 土層計算參數(shù)

2.2 模擬結果

M3 左線通過后變形云圖如圖3 所示，開挖區(qū)間正上方處M1結構沉降明顯；M1 右線最大沉降為2．41mm，左線為2．12mm，變形曲線呈正態(tài)曲線分布，縱向影響長度兩側(cè)各約為2D。

M3 右線通過后變形云圖如圖4 所示。與M3 左線通過后類似，M1 最大沉降亦發(fā)生于開挖區(qū)間正上方，縱向影響長度兩側(cè)各約為2D；M1 右線沉降值為2．35mm，左線為2．73mm。此外，M3 左右線之間距離為11．7m（約為2D），M3 區(qū)間右線通過后對M3 左線上方M1 管片影響不明顯，沉降值由2．41mm 增長至2．73mm，增長幅度約為13%。

圖3 M3 左線通過后變形云圖

圖4 M3 右線通過后變形云圖

由圖3、圖4 可知，在從正常施工條件下，新建M3 盾構施工會導致M1 隧道產(chǎn)生一定的沉降變形，最大沉降量為2．73mm，屬于規(guī)范允許范圍。建議施工中采取控制同步注漿壓力，二次補漿等措施，M1 隧道沉降可控[2]。

3 既有線監(jiān)測沉降分析

依照數(shù)值模擬結果，于沉降較大處（M1 范圍Z/Y458-Z/Y480環(huán)）劃為危險區(qū)、危險區(qū)兩側(cè)各10m 為風險區(qū)，風險區(qū)外20m 為過渡區(qū)。為了能夠監(jiān)測穿越過程中既有線的沉降規(guī)律，控制和預判潛在的風險，于既有線M1 區(qū)間布置共23 個監(jiān)測面，如圖5 所示。危險區(qū)監(jiān)測面間隔4-5m，風險區(qū)監(jiān)測面間隔10m，過渡區(qū)監(jiān)測面間隔20m；基準點在施工影響范圍外區(qū)間兩端各布置3 個，均為自動化進行監(jiān)測。穿越期間各斷面監(jiān)測頻率為1 小時/ 次，人工復核頻率為6 小時/ 次。

圖5 自動化監(jiān)測面分布圖

3.1 既有線M1 沉降結果

M3左線穿越施工結束后，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制 M1沉降槽曲線。如圖6 所示。由圖6 可以看出，M3 左線下穿施工過程中，M1 右線沉降值在盾尾離開M1 右線時達到最大值-2．92mm，穩(wěn)定之后為-1．91mm；M1 左線沉降規(guī)律與M1 右線類似，最大沉降值為盾尾離開M1 左線時的-1．67mm，穩(wěn)定之后為-1．5mm。M3右線穿越施工結束后，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制 M1沉降槽曲線。如圖7 所示。由圖7 可見，M3 右線下穿施工過程中，M1 右線最大沉降值為盾尾離開時的-3．03mm， 穩(wěn)定后為-2．85mm。 而M1 左線最大沉降值并非為盾尾離開時的-1．99mm，而是之后發(fā)展到了-4．14mm，這是由于而M3 右線穿越M1 左線時，由于施工方操作失誤，盾尾同步注漿量與同步注漿壓力不足所造成。在經(jīng)過緊急注漿等補救措施后最終也趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為-3．23mm。

圖6 M3 左線穿越時既有線M1 沉降槽曲線

圖7 M3 右線穿越時既有線M1 沉降槽曲線

3.2 既有線M1 沉降分析

總結圖6、圖7，除圖7（b）之外，盾構機刀盤即將到達M1時已經(jīng)開始對M1 產(chǎn)生有一定影響，當盾尾離開M1 范圍時M1 沉降值達到最大值，當同步注漿、二次注漿等施工措施實行之后沉降值有一定回升，并最終趨于穩(wěn)定?？梢姰斒┕ふ５那闆r下，既有隧道的沉降是由盾構開挖造成的地層損失引起的。

此外，各時段的M1 沉降槽曲線與高斯曲線較為符合，縱向影響長度兩側(cè)各約為10-15m（2-2．5D）。由于M3 線路具有一段小轉(zhuǎn)彎半徑的曲線段，沉降槽曲線呈現(xiàn)一定的非對稱性。

對比4 道沉降槽曲線與數(shù)值模擬結果，M3 左線通過后M1 沉降槽曲線與數(shù)值模擬結果比較接近；M3 右線通過后M1 沉降槽曲線最大沉降值及對稱軸與數(shù)值模擬結果有所出入，但均呈現(xiàn) “向下凹陷” 的形態(tài)，縱向影響范圍也較為一致?？梢姅?shù)值模擬能夠較好地預先確定沉降規(guī)律，能對項目工程的沉降控制方面提供一定的參考[3]。

4 結語

本文依托南寧地鐵3 號線下穿既有1 號線工程實例，結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對既有1 號線的沉降規(guī)律進行了分析與探討，成功為實際施工提供了參考，表明施工前利用數(shù)值模擬的方法模擬下穿施工的方法是可行的，數(shù)值模擬結果與實際實施得到了有效驗證，為類似工程施工積累了經(jīng)驗。