大直徑地鐵盾構(gòu)隧道下穿高鐵明挖隧道方案研究

鄧文武 宋彥杰

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

高鐵作為國家交通命脈，對(duì)沉降等變形要求極其嚴(yán)苛，當(dāng)?shù)罔F隧道與高鐵相交時(shí)，對(duì)地鐵隧道下穿施工提出了較高要求，高鐵結(jié)構(gòu)變形一旦超標(biāo)，將影響安全運(yùn)營，甚至導(dǎo)致重大安全事故[1]。因此，對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路隧道的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，對(duì)不同施工方案進(jìn)行研究比選，優(yōu)選下穿方案，采取針對(duì)性的專項(xiàng)防護(hù)措施，對(duì)下穿施工引起的高鐵隧道的變形等進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)地鐵建設(shè)意義重大。

國內(nèi)科研人員針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有隧道開展了大量研究，李庭平等采用三維有限元法，對(duì)泥水盾構(gòu)在既有隧道下方推進(jìn)時(shí)泥水壓力與既有隧道變形的關(guān)系進(jìn)行了研究[2]；徐干成等以北京地鐵14號(hào)線某盾構(gòu)隧道為背景，對(duì)隧道下穿京津城際鐵路路基段進(jìn)行了三維仿真數(shù)值模擬[3]；康佐等采用三維有限元數(shù)值計(jì)算方法，分析了新建盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)地表及既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，得到了既有隧道管片位移、內(nèi)力以及既有隧道上方地表沉降的變化規(guī)律[4]；夏金春等依托新建地鐵盾構(gòu)下穿市政隧道工程，總結(jié)了既有隧道預(yù)留措施及施工加固措施[5]；康直利用有限元方法，分析地鐵與高鐵隧道垂直距離和地鐵施工順序?qū)扔懈哞F隧道受力和變形的影響[6]。

還有學(xué)者對(duì)地鐵盾構(gòu)施工對(duì)既有高鐵明隧道或機(jī)場跑道結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行研究，曾英俊等對(duì)盾構(gòu)下穿繞避深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻引起地連墻沉降進(jìn)行了有限元模擬[7-8]；石杰紅等從下穿盾構(gòu)安全性方面進(jìn)行相關(guān)分析[10]；劉文廣等研究了鉆孔爆破技術(shù)在盾構(gòu)穿越地連墻工程中的應(yīng)用[11]；羅剛等對(duì)雙線盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場高速沉降及變形規(guī)律進(jìn)行研究[12];張文超等運(yùn)用模擬軟件對(duì)盾構(gòu)下穿既有隧道進(jìn)行了模擬分析[13]；馬相峰等對(duì)盾構(gòu)下穿運(yùn)營高鐵或地鐵隧道的應(yīng)急保障措施進(jìn)行了探討[15]。

綜上，以往研究多從保證既有隧道安全角度出發(fā)，對(duì)新建隧道下穿既有隧道的一些問題進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)選施工加固方案，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等設(shè)計(jì)。但對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營中高鐵明挖隧道的研究少有相關(guān)報(bào)道。以天津?yàn)I海新區(qū)B1線一期工程塘沽站—外灘公園站盾構(gòu)區(qū)間下穿京津城際線解放路明挖隧道為依托，對(duì)既有高鐵明挖隧道現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)隧道現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，為新建工程下穿提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

天津?yàn)I海新區(qū)B1線一期工程塘-外區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)管片內(nèi)徑5.9 m，外徑6.6 m。采用兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，從外灘公園站始發(fā)，沿上海道以350 m曲線半徑右轉(zhuǎn)下穿塘沽一中運(yùn)動(dòng)場、煙臺(tái)道小區(qū)居民樓后進(jìn)入河北路，在塘沽站接收。線路在DK21+035處以57°直線下穿京津城際線解放路明挖隧道。盾構(gòu)隧道與既有高鐵明挖隧道平面關(guān)系見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道與高鐵明挖隧道平面位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)

依據(jù)工程巖土勘察報(bào)告，本工程處于軟土地層，場地內(nèi)分布較厚淤泥質(zhì)土，巖土性質(zhì)較差，土層自上而下依次為：雜填土、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂，其中，粉砂層為承壓水含水層，水頭埋深約9 m。

1.3 高鐵明挖隧道概況及現(xiàn)狀調(diào)查

京津城際鐵路解放路隧道為明挖單洞雙線隧道，整體式道床，結(jié)構(gòu)底板底埋深約14 m，底板下采用3 m水泥攪拌樁加固。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，長度約30 m。隧道于2014年5月貫通，2015年9月通車。

本工程盾構(gòu)隧道與京津城際解放路隧道相交，需對(duì)既有高鐵隧道現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)論為：①隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，運(yùn)營設(shè)施設(shè)備安裝良好；②局部結(jié)構(gòu)滲水，對(duì)列車運(yùn)行及隧道結(jié)構(gòu)無明顯影響；③隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體性沉降，差異沉降極小。

圖2 既有高鐵明挖隧道現(xiàn)狀檢測(cè)

1.4 高鐵明挖隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

京津城際線設(shè)計(jì)速度250 km/h，整體式道床，根據(jù)相關(guān)要求，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向變形控制值為3 mm，軌道豎向變形控制值為2 mm。

2 盾構(gòu)隧道下穿高鐵明挖隧道方案比選

借鑒已有研究成果，結(jié)合工程實(shí)際及既有高鐵明挖隧道現(xiàn)狀，提出4種設(shè)計(jì)方案。

2.1 方案一：盾構(gòu)下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構(gòu)下穿繞避高鐵明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻，考慮施工誤差等因素，控制盾構(gòu)區(qū)間外皮與地連墻底豎向凈距為2 m，盾構(gòu)下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖3。

圖3 盾構(gòu)下穿繞避明挖隧道地連墻剖面

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

盾構(gòu)下穿繞避高鐵隧道地連墻，無需施工臨時(shí)工程，前期對(duì)高鐵隧道無影響及破壞。盾構(gòu)掘進(jìn)施工擾動(dòng)土體，間接引起高鐵隧道發(fā)生沉降，可通過洞內(nèi)深孔注漿等加固措施，嚴(yán)格控制土體變形，確保高鐵隧道運(yùn)營安全。缺點(diǎn)是：盾構(gòu)區(qū)間埋深較深，屬超深埋隧道，管片配筋需加強(qiáng)，兩端車站需設(shè)置為地下三層站，地鐵工程成本增加，線路縱坡較大，后期運(yùn)營成本相對(duì)增加。

2.2 方案二：豎井內(nèi)水平加固后盾構(gòu)下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構(gòu)施工前，先在盾構(gòu)下穿點(diǎn)附近施工臨時(shí)豎井，對(duì)盾構(gòu)穿越土層進(jìn)行水平注漿加固，盾構(gòu)區(qū)間下穿繞避地連墻，控制盾構(gòu)區(qū)間外皮與地連墻豎向凈距同為2 m，豎井內(nèi)水平加固后盾構(gòu)下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖4。

圖4 豎井內(nèi)水平加固后盾構(gòu)下穿繞避明挖隧道地連墻剖面

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

該方案需在盾構(gòu)下穿點(diǎn)位附近先施工臨時(shí)豎井，對(duì)下穿部分土體進(jìn)行水平注漿加固，提高下穿范圍土體強(qiáng)度，對(duì)控制高鐵隧道沉降起到了一定的作用，缺點(diǎn)同方案一，且施工豎井深度較深，開挖豎井過程對(duì)高鐵隧道影響較大，不滿足高鐵保護(hù)區(qū)相關(guān)要求。開挖豎井、水平加固及盾構(gòu)下穿，對(duì)高鐵隧道造成三次影響及破壞，既有隧道變形不可控。

2.3 方案三：盾構(gòu)切割穿越高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構(gòu)下穿前應(yīng)換刀并控制姿態(tài)，盾構(gòu)直接切割高鐵隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻(左右線依次穿越)，盾構(gòu)切割穿越高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖5。

圖5 盾構(gòu)切割穿越明挖隧道地連墻剖面

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

地鐵盾構(gòu)區(qū)間埋深相對(duì)較淺，區(qū)間兩端車站設(shè)置地下兩層即可滿足要求，線路縱坡較小，后期運(yùn)營等成本增加較少。無需臨時(shí)工程，前期對(duì)高鐵隧道無影響及破壞，對(duì)高鐵隧道地連墻只有一次影響。缺點(diǎn)是：在軟土地層盾構(gòu)換刀風(fēng)險(xiǎn)較大，切割地連墻將對(duì)高鐵隧道造成直接破壞，可能引起結(jié)構(gòu)變形甚至開裂。

2.4 方案四： 預(yù)先破除高鐵明挖隧道地連墻后盾構(gòu)穿越

(1)方案介紹

盾構(gòu)施工前，先在盾構(gòu)下穿點(diǎn)附近施工開挖臨時(shí)豎井，采用爆破或人工方式預(yù)先對(duì)盾構(gòu)下穿處高鐵隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻進(jìn)行破除(盾構(gòu)左右線依次施工)，預(yù)先破除高鐵明挖隧道地連墻后盾構(gòu)穿越剖面見圖6。

圖6 預(yù)先破除明挖隧道地連墻后盾構(gòu)穿越剖面

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案四優(yōu)點(diǎn)同方案三，且規(guī)避了軟土地層換刀風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)是：需施工臨時(shí)豎井，開挖豎井過程對(duì)高鐵隧道影響較大，不滿足高鐵保護(hù)區(qū)相關(guān)要求，破除地連墻將對(duì)高鐵隧道造成直接破壞，可能引起結(jié)構(gòu)變形甚至開裂，開挖豎井、破除地連墻及盾構(gòu)穿越，對(duì)高鐵隧道地連墻造成三次影響及破壞，既有隧道變形不可控。

2.5 對(duì)比分析

從地鐵工程成本、對(duì)高鐵隧道影響次數(shù)及規(guī)范符合性等各方面，對(duì)上述方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比選分析，各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

由表1可知，本工程下穿高鐵隧道位置位于現(xiàn)狀市政道路下，周圍施工場地緊張，盾構(gòu)下穿土層為軟土。為盡量避免不必要的影響，宜采用洞內(nèi)注漿加固等措施對(duì)變形進(jìn)行控制，故推薦方案一。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

針對(duì)推薦方案，采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高鐵明挖隧道進(jìn)行計(jì)算分析。模型長130 m，寬100 m，深70 m。左右線盾構(gòu)隧道依次下穿既有高鐵明挖隧道，模型四周邊界采用垂直側(cè)邊的水平約束，底邊界采用豎向約束，有限元計(jì)算模型見圖7。

圖7 有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

既有線結(jié)構(gòu)和二次深孔注漿體采用實(shí)體單元模擬，隧道襯砌采用板單元模擬。混凝土結(jié)構(gòu)重度為25 kN/m3，土體采用修正摩爾-庫倫模型，按土層性質(zhì)整合為6層，土層計(jì)算參數(shù)及結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2及表3。

表2 土層計(jì)算參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算假定

(1)除自重外，考慮列車荷載及地面行車荷載，列車活載采用標(biāo)準(zhǔn)"中-活載"進(jìn)行檢算。地面行車荷載取20 kPa，列車荷載取ZK標(biāo)準(zhǔn)活荷載，見圖8。

圖8 列車豎向活荷載示意(單位：m)

(2)參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)特性及工程地質(zhì)，盾構(gòu)頂推力取掘進(jìn)掌子面水土壓力之和，側(cè)壓力系數(shù)取0.6，計(jì)算僅考慮正常掘進(jìn)狀態(tài)，未考慮地震等偶然工況。

(3)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，假定各土層呈水平層狀分布，厚度均勻，通過提高土體彈性模量的方法，完成對(duì)隧道周圍土體注漿加固的模擬。

(4)荷載釋放系數(shù)各階段取值：開挖階段為0.2，管片支護(hù)階段為0.4，盾構(gòu)加固土體階段為0.4。

(5)盾構(gòu)掘進(jìn)、管片拼裝、土體注漿加固是不斷循環(huán)的過程，采用逐步移動(dòng)的過程模擬動(dòng)態(tài)施工。

3.4 計(jì)算工況及施工過程

本工程地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵明挖隧道，盾構(gòu)隧道與高鐵明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻豎向凈距為2 m，盾構(gòu)隧道埋深約34 m，分為以下工況。

(1)工況一

先進(jìn)行左線盾構(gòu)施工，再進(jìn)行右線盾構(gòu)施工，不進(jìn)行深孔注漿。

(2)工況二

先進(jìn)行左線盾構(gòu)施工，再進(jìn)行右線盾構(gòu)施工，同時(shí)進(jìn)行全斷面深孔注漿加固，加固深度2 m。

具體施工步驟：初始地應(yīng)力分析-盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)土體開挖-盾構(gòu)管片支護(hù)-(土體加固)-盾構(gòu)掘進(jìn)下一環(huán)-循環(huán)至盾構(gòu)左線掘進(jìn)通過-盾構(gòu)右線掘進(jìn)通過。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 既有高鐵明挖隧道結(jié)構(gòu)變形

盾構(gòu)區(qū)間下穿繞避既有高鐵明挖隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻，盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)土體造成一定程度的擾動(dòng)，使高鐵隧道結(jié)構(gòu)及道床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，對(duì)列車運(yùn)營安全造成影響，通過數(shù)值模擬分析，兩種工況下高鐵明挖隧道結(jié)構(gòu)及道床結(jié)構(gòu)豎向位移分析結(jié)果見圖9～圖12，變形統(tǒng)計(jì)見表4。

圖9 明挖隧道結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算云圖

圖10 明挖隧道道床結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算云圖

圖11 明挖隧道結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算云圖

圖12 高鐵明挖隧道道床結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算云圖

表4 明挖隧道結(jié)構(gòu)及道床結(jié)構(gòu)豎向位移統(tǒng)計(jì) mm

由以上分析可知：①兩種工況下，高鐵隧道豎向位移在左右線盾構(gòu)施工完成后達(dá)到最大；②既有線隧道最大豎向位移發(fā)生在和新建B1線相交位置的底部；③工況一隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移約為1.62 mm，道床結(jié)構(gòu)最大豎向位移約為1.61 mm；工況二隧道最大豎向位移約為1.02 mm，道床結(jié)構(gòu)最大豎向位移約為1.01 mm。

5 結(jié)論

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)施工前， 通過對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查可掌握既有結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，從而確定設(shè)計(jì)方案，有針對(duì)性的采取保護(hù)措施，為盾構(gòu)隧道下穿提供前提條件。

(2)從工程地質(zhì)、現(xiàn)場施工條件及對(duì)既有高鐵的擾動(dòng)程度和次數(shù)分析，結(jié)合相關(guān)方意見，最終確定本工程采用盾構(gòu)下穿繞避地連墻方案。

(3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，兩種計(jì)算工況均能滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)高鐵隧道結(jié)構(gòu)變形小于2 mm的控制要求，從安全角度考慮，本工程盾構(gòu)穿越段采用全斷面深孔注漿加固措施，進(jìn)一步控制盾構(gòu)掘進(jìn)引起的既有高鐵明挖隧道沉降變形，增加安全冗余量，以確保高鐵的運(yùn)營安全。