沉井施工對鄰近地鐵區(qū)間隧道的變形影響分析

中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430074

文章以武漢某水環(huán)境應(yīng)急治理工程鄰近地鐵區(qū)間為例，探討沉井及附屬管道施工期間對周邊已建地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)存在變形的影響，為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒。

1 工程概述

武漢某水環(huán)境應(yīng)急治理工程為引水管埋設(shè)、一體化抽排泵站沉井施工，上跨某地鐵區(qū)間隧道，如圖1所示。一體化抽排泵站規(guī)模為0.5m3/s，外設(shè)Φ6.0m工作井，井深12.7m，為沉井施工，距離地鐵區(qū)間右線8m，對應(yīng)里程約為DK19+796；新建2根D630×10mm引水管與區(qū)間隧道斜交，夾角約40°，對應(yīng)里程約為DK19+761～DK19+796，引水管底距區(qū)間隧道頂約7m。

圖1 沉井及附屬管道與某地鐵區(qū)間隧道關(guān)系平面圖

2 工程及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)分區(qū)原則，擬建場區(qū)屬于剝蝕堆積垅崗區(qū)（相當(dāng)于長江沖洪積三級階地）。根據(jù)此次勘探揭露，擬建場地表層為松散的人工填土層（Qml）及淤泥（Q1)；上部主要為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）一般黏性土層，中部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+P1）老黏性土及砂質(zhì)黏性土夾粉土、粉砂、黏質(zhì)粉砂及礫卵石層；下伏基巖主要為志留系（S）泥巖、含砂粉砂巖及含鈣泥質(zhì)粉砂巖。

2.2 水文地質(zhì)

根據(jù)場區(qū)原始地形條件、地層的水理性質(zhì)、賦水性能及地下水的埋藏條件，可以得出在勘探深度范圍內(nèi)，擬建場地地下水類型主要為上層滯水、孔隙承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于（1）層填土層中，接受大氣降水及周邊居民生活用水垂直下滲補(bǔ)給，勘察期間測得場地上層滯水初見水位在地面下0.3～3.5m?？紫冻袎核饕x存于（11-1）層砂質(zhì)黏性土夾粉土、粉砂、（11-2）層黏質(zhì)砂土及（12）單元卵礫石層中，含水層厚度一般為9.4～37.8m（局部未揭穿）。因?qū)又叙ち：科?，滲透途徑不甚暢通，故水量一般。碎屑巖裂隙水主要賦存于志留系的泥巖、含粉砂泥巖、含鈣泥質(zhì)粉砂巖中的構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙中，水量一般較小。

3 施工控制措施

為研究沉井及附屬管道施工對周邊地鐵區(qū)間隧道的影響，施工過程采取以下對比分析措施：第一，引水管埋設(shè)采用明挖基坑快速開挖、快速回填反壓，以減少土體長時間卸荷對地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，且軌道交通控制保護(hù)區(qū)即區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)50m范圍內(nèi)應(yīng)僅清除表面浮淤，嚴(yán)格控制清淤深度以免對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。第二，引水管采用水平定向鉆牽引管施工工藝，采用這種非開挖頂進(jìn)施工工藝以避免土體卸荷對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大擾動。一體化抽排泵站沉井施工過程嚴(yán)禁降水并及時封底，避免水土大量流失對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

4 地鐵區(qū)間隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013）、《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）相關(guān)要求，結(jié)合工程實(shí)際情況，確定變形控制值如表1所示，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移控制值為5mm。

表1 城市軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)變形控制值

5 數(shù)值模擬分析

5.1 計(jì)算假定

采用Midas GTS NX 2017有限元軟件，用軟件模擬不降水沉井、大開挖及非開挖卸荷施工工藝，計(jì)算一體化抽排泵站沉井施工、引水管埋設(shè)施工對某地鐵區(qū)間的隧道變形，計(jì)算原則如下：（1）假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)體，土體采用Modified Mohr-Coulomb模型，該模型可以考慮土體的壓縮硬化與剪切硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則；（2）假定各土層均成層均質(zhì)水平分布，地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)；（3）由程序自動獲得初始平衡地應(yīng)力；（4）沉井及附屬管道施工過程中不降水。

5.2 參數(shù)選取

土層參數(shù)參照當(dāng)次《巖土工程勘察報(bào)告》確定，各土層基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理力學(xué)指標(biāo)

5.3 引水管明挖施工模型尺寸及邊界條件

采用Midas-GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，計(jì)算采用的范圍為長150m、寬140m，高度方向（Z方向）取46m，區(qū)間盾構(gòu)管片采用板單元模擬。模型上表面為自由約束、底部為固定約束、四周為法向約束，模型如圖2、圖3所示。

圖2 引水管明挖施工數(shù)值三維模型

圖3 引水管明挖施工沉井及附屬管道與某地鐵區(qū)間隧道空間位置關(guān)系

5.4 引水管明挖施工計(jì)算結(jié)果分析

引水管明挖施工計(jì)算步驟與施工工況如表3、表4所示。

表3 引水管明挖施工計(jì)算步驟

表4 引水管明挖施工工況

沉井及附屬管道施工期間四種工況下地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖4所示，引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果如圖5所示。

圖4 引水管明挖施工對某地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖5 引水管明挖施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移擾動曲線

從圖4、圖5可以看出，沉井及附屬管道施工完成后，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為5.93mm，發(fā)生在工況3，引水管明挖基坑開挖完成后，地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生的變形不滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向變形控制限值5mm要求。

5.5 引水管水平定向鉆牽引施工模型尺寸及邊界條件

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，計(jì)算采用的范圍為長150m、寬140m，高度方向（Z方向）取46m，區(qū)間盾構(gòu)管片采用板單元模擬。模型上表面為自由約束、底部為固定約束、四周為法向約束，模型如圖6、圖7所示。

圖6 引水管水平定向鉆牽引施工數(shù)值三維模型

圖7 引水管水平定向鉆牽引施工沉井及附屬管道與某地鐵區(qū)間隧道空間位置關(guān)系

5.6 引水管水平定向鉆牽引施工計(jì)算結(jié)果分析

引水管水平定向鉆牽引施工計(jì)算步驟與施工工況如表5、表6所示。

表5 引水管水平定向鉆牽引施工計(jì)算步驟

表6 引水管水平定向鉆牽引施工工況

沉井及附屬管道施工期間2種工況下地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖8所示，引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如圖9所示。

圖8 引水管水平定向鉆牽引施工對某地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖9 引水管水平定向鉆牽引施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移擾動曲線

從圖8、圖9可以看到，沉井及附屬管道施工完成后，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.375mm，發(fā)生在工況2，引水管水平定向鉆施工完成后，滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向變形控制限值5mm要求。

由此結(jié)果確定一體化泵站采用沉井施工工藝，引水管、出水管均采用水平定向鉆頂進(jìn)施工工藝。

6 結(jié)束語

文章以武漢某水環(huán)境應(yīng)急治理工程沉井及附屬管道鄰近某地鐵區(qū)間隧道施工為例，分別從沉井施工過程控制、附屬管道施工工藝選取等角度，結(jié)合有限元數(shù)值模擬分析，得出了其對鄰近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響的規(guī)律：采用沉井及附屬管道明挖施工工藝，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為5.930mm，超過規(guī)范規(guī)定限值；而采用沉井及附屬管道水平定向鉆施工工藝，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.375mm，隧道結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范限值要求。這說明沉井施工、水平定向鉆頂進(jìn)等施工工藝可有效控制土體卸荷對地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，較明挖施工影響小，是較為合理的施工開挖工藝。