暗挖隧道近距下穿既有區(qū)間隧道施工方案對(duì)比研究

王志強(qiáng)， 孫明磊， 劉志春， 王 妍

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 122000)

近年來(lái)，隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，新建隧道下穿既有隧道的情況越來(lái)越多，由于下穿施工需要保證上方既有隧道正常運(yùn)營(yíng)，這就對(duì)既有隧道變形控制提出了較高的要求。目前下穿施工常見(jiàn)開(kāi)挖方法有CRD法、柱洞法、側(cè)壁導(dǎo)洞法，輔助措施有深孔注漿加固、頂升法、管棚支護(hù)法等，其目的在于減小開(kāi)挖范圍內(nèi)土體擾動(dòng)和地層損失，加固既有結(jié)構(gòu)[1-3]。

本文以北京地鐵17號(hào)線下穿既有6號(hào)線東大橋站工程為依托，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同施工方案下穿施工時(shí)既有隧道、新建隧道結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)施工方案的選擇提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 工程概況

17號(hào)線東大橋站與既有6號(hào)線東大橋站呈“T”型通道換乘。新建17號(hào)線東大橋站車站為島式車站，車站標(biāo)準(zhǔn)段為暗挖雙層雙柱三跨結(jié)構(gòu)。中間下穿既有6號(hào)線區(qū)間隧道為暗挖單層單洞結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)36.5 m)，北端為暗挖雙層三柱四跨結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)49.7 m)。雙層段結(jié)構(gòu)頂覆土約15.2 m，底板埋深約33.6 m，新建隧道頂部距6號(hào)線底部距離2.2 m，工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)。新建隧道與既有隧道位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

既有6號(hào)線東大橋站為已運(yùn)營(yíng)車站。該站位于朝陽(yáng)北路與東大橋路交叉口，沿朝陽(yáng)北路東西向布置，西端為兩層暗挖，東端暗挖單層，島式站臺(tái)，站臺(tái)寬度13 m，車站全長(zhǎng)255 m。既有6號(hào)線朝東區(qū)間為單洞單線暗挖隧道，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，下穿段區(qū)間覆土15.4 m，結(jié)構(gòu)初支厚度0.25 m，二襯厚度0.30 m。

1.2 工程地質(zhì)

圖1 分離式單洞隧道下穿既有區(qū)間隧道(單位：m)

1.3 方案比較

兩種開(kāi)挖方案(見(jiàn)圖2):新建隧道為平頂直墻+管棚支護(hù)(方案一)和新建隧道為拱頂直墻(方案二)，兩方案均采用超前注漿技術(shù)來(lái)加固隧道開(kāi)挖范圍的土體，防止出現(xiàn)土方塌陷對(duì)既有地鐵運(yùn)營(yíng)造成影響。隧道挖掘過(guò)程采用CRD法施工，施工中保持足夠的施工間距，挖掘后及時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)。

圖2 開(kāi)挖方案

2 建立計(jì)算模型

依據(jù)工程背景建立新建隧道下穿既有隧道的三維模型，分析管棚新建隧道對(duì)既有隧道的影響,模型尺寸為長(zhǎng)90 m、寬50 m、高50 m。新建隧道先開(kāi)挖左洞，待左洞貫通后開(kāi)挖右洞，每條隧道分為六部分邊開(kāi)挖邊支護(hù)，新建隧道左右邊墻外側(cè)2 m和底板下方1 m范圍內(nèi)注漿加固。隧道初支采用30 cm厚的C35噴射混凝土，采用板單元進(jìn)行模擬。土體采用實(shí)體單元模擬，管棚結(jié)構(gòu)按照剛度等效原則采用板單元模擬[4]，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

3 既有結(jié)構(gòu)和新建結(jié)構(gòu)變形受力分析

新建隧道下穿既有隧道平面位置如圖3所示。選擇新建隧道左洞上方既有隧道1的橫斷面，對(duì)比分析既有結(jié)構(gòu)豎向位移和主應(yīng)力在隧道斷面的分布特征，同時(shí)對(duì)比沿既有隧道仰拱中心線的豎向位移和主應(yīng)力變化特征。

圖3 平面位置關(guān)系

3.1 既有結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 變形分析

為確保上方既有地鐵隧道正常使用，應(yīng)對(duì)既有隧道的位移進(jìn)行分析。既有隧道監(jiān)測(cè)橫斷面發(fā)生沉降，其由仰拱至拱頂既有隧道結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小。從圖4可知,方案一既有隧道仰拱豎向沉降曲線呈W型分布，沉降最大值為1.8 mm;方案二既有隧道仰拱豎向沉降曲線呈V型分布，沉降最大值為2.1 mm。從控制沉降的效果來(lái)看，采用方案一時(shí)既有隧道沉降最大值為方案二的85%，且方案一沉降曲線小于方案二。以上結(jié)果表明采用管棚支護(hù)可以減小下穿施工時(shí)上方既有結(jié)構(gòu)沉降，最終沉降值在3.0 mm控制范圍內(nèi)，可以保證既有隧道正常使用。

圖4 既有隧道沉降

3.1.2 受力分析

由圖5～圖6發(fā)現(xiàn)：兩方案在既有隧道橫斷面上仰拱中部最小主應(yīng)力的最大值分別5.7 MPa和8.4 MPa，由底板到兩側(cè)拱肩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力逐漸減小;最小值分別為2.5 MPa和3.1 MPa，拱肩至拱頂應(yīng)力再次增大。兩方案中最大主應(yīng)力最大值分別為1.6 MPa和3.4 MPa,均出現(xiàn)在仰拱中部。通過(guò)分析既有隧道的最大、最小主應(yīng)力，最大值均出現(xiàn)在仰拱位置，其中方案一的主應(yīng)力均小于方案二,且方案一主應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)。

圖5 最小主應(yīng)力橫斷面分布

圖6 最大主應(yīng)力橫斷面分布

由圖7～圖8發(fā)現(xiàn)：方案一中既有隧道仰拱的最小主應(yīng)力在5.7～7.7 MPa變化，最大主應(yīng)力在0.7～2.1 MPa變化。方案二仰拱的最小主應(yīng)力在7.9～8.9 MPa變化，最大主應(yīng)力在3.4～4.1 MPa變化，超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度。方案一既有隧道仰拱的最大、最小主應(yīng)力始終小于方案二，故采用方案一時(shí)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力更小，結(jié)構(gòu)更安全。

圖7 既有隧道仰拱最小主應(yīng)力縱向分布

圖8 既有隧道仰拱最大主應(yīng)力縱向分布

3.2 新建結(jié)構(gòu)分析

選擇新建隧道左洞的橫斷面為監(jiān)測(cè)斷面(見(jiàn)圖3)，對(duì)比分析新建結(jié)構(gòu)豎向位移和主應(yīng)力在隧道斷面的分布特征，同時(shí)研究沿新建隧道頂部結(jié)構(gòu)的豎向位移和主應(yīng)力變化特征。

3.2.1 變形分析

新建隧道橫斷面上頂板沉降最大值分別為3.7 mm和3.0 mm，底板隆起分別為4.0 mm和4.2 mm。由圖9可知,方案一拱頂沉降在1.5～1.9 mm變化，而方案二拱頂沉降在0.8～1.3 mm變化，方案一新建隧道頂部沉降值大于方案二，原因是拱形結(jié)構(gòu)是更好的受力結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的沉降更小。

圖9 新建隧道拱頂沉降分布圖

3.2.2 受力分析

由圖10和圖11可知，方案一拱頂最小主應(yīng)力在4.3～5.7 MPa變化，最大主應(yīng)力在1.6 ～2.2 MPa變化;而方案二拱頂最小主應(yīng)力7.2～15.1MPa變化，最大主應(yīng)力在3.1～12.8 MPa變化，方案一在新建隧道拱頂?shù)淖畲?、最小主?yīng)力始終小于方案二。通過(guò)拱頂主應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，方案一主應(yīng)力分布較方案二更加均勻，而方案二在隧道兩端均出現(xiàn)應(yīng)力增大，且其最大應(yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。

圖10 新建隧道拱頂最小主應(yīng)力分布

圖11 新建隧道拱頂最大主應(yīng)力分布

4 施工過(guò)程分析

選擇既有隧道仰拱一處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)，研究該位置在施工過(guò)程中的位移和應(yīng)力變化。

由圖12發(fā)現(xiàn)，既有隧道仰拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工過(guò)程中沉降發(fā)生兩次快速增大，分析出現(xiàn)這種變化的原因:第1次是新建隧道左洞掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方，第2次為右洞掌子面在監(jiān)測(cè)點(diǎn)旁邊通過(guò)，且方案一沉降值在掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后始終小于方案二。由圖13和圖14發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工過(guò)程中產(chǎn)生的主應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，方案一最小主應(yīng)力在5.4～7.0 MPa隨施工步變化，最大主應(yīng)力在1.1～2.5 MPa隨施工步變化;方案二最小主應(yīng)力在7.9～8.6 MPa隨施工步變化，最大主應(yīng)力在3.0～3.9 MPa隨施工步變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力變化方案一始終小于方案二。

圖12 既有隧道底板豎向位移變化 圖13 既有隧道底板最小主應(yīng)力變化 圖14 既有隧道底板最大主應(yīng)力變化

5 結(jié)論

(1)通過(guò)比較既有隧道的沉降和主應(yīng)力可知，方案一中既有隧道的沉降是方案二的85%，最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別是方案二的68%和47%，表明方案一在控制既有結(jié)構(gòu)沉降和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力方面優(yōu)于方案二。

(2)通過(guò)比較新建結(jié)構(gòu)的豎向位移和主應(yīng)力可知，方案一的頂部沉降和底板隆起是方案二的120%、95%，方案一最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別是方案二的43%和30%。表明在新建隧道頂部沉降控制效果上方案一不如方案二，但方案一在控制新建結(jié)構(gòu)底部隆起和產(chǎn)生的主應(yīng)力方面優(yōu)于方案二。

(3)通過(guò)比較既有結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工過(guò)程中的位移和受力變化可知，方案一中的沉降、主應(yīng)力變化始終小于方案二。表明采用方案一時(shí)施工過(guò)程對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響更小，結(jié)構(gòu)更加安全。

綜合以上分析，工程采用方案一更加合理。