地鐵隧道與城際隧道小凈距并行影響分析及變形控制技術(shù)

潘 茜，勞曉春，游 杰

（1、佛山軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東佛山528315；2、佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東佛山528000）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多城市軌道交通隧道與城際鐵路隧道交叉或并行的情況，而對(duì)城際鐵路與城市軌道交通并行隧道的變形控制亟待研究，對(duì)增加隔離樁措施能否控制變形見解不一［1-7］。本文以廣佛線二期工程某區(qū)間隧道與廣佛環(huán)/廣佛江珠城際隧道并行段為工程背景，通過計(jì)算模擬，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)兩條隧道的變形影響進(jìn)行分析，以試圖對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行探討。

1 理論依據(jù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，通過有限元軟件對(duì)隧道及周邊土體的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律，可以有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。采用的主要理論如下：

1.1 線彈性分析平衡基本方程式

式中：K為體積模量；μ為體積變形率；p為力矢。

巖土材料的體積變形率：

1.2 土層采用摩爾-庫倫模型

式中：σ1為第一主應(yīng)力；σ3為第三主應(yīng)力。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

廣佛線二期某區(qū)間隧道與城際隧道（廣佛環(huán)、廣佛江珠線）共同沿某道路敷設(shè)，兩工程隧道之間的最小凈距為3.7 m。該區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，右線長1 211.918 m，左線長1 205.200 m。某道路路規(guī)劃路寬為50 m，已實(shí)現(xiàn)規(guī)劃，目前道路車輛較少。

地鐵盾構(gòu)隧道采用管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，環(huán)寬為1.5 m 的鋼筋混凝土管片，采用錯(cuò)縫拼裝，隧道埋深為10～20 m。

城際隧道為廣佛環(huán)和廣佛江珠兩線并行城際隧道，均采用明挖法施工。基坑最大寬度41.7 m，基坑深度為19 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m 厚地下連續(xù)墻，支撐采用鋼筋混凝土橫撐（水平間距6 m）方案。地鐵隧道與城際隧道并行段總平面與橫剖面如圖1所示。

圖1 地鐵隧道與城際隧道并行段總平面及橫剖面Fig.1 Master Plan and Profile of the Parallel Section of Metro Tunnel and Intercity Tunnel

根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度情況，廣佛線二期隧道已先期實(shí)施，城際隧道明挖結(jié)構(gòu)未進(jìn)行開挖，由于后期實(shí)施的明挖隧道開挖體量大，水平最小凈距為3.7 m，且基坑深于盾構(gòu)隧道底部埋深，故后期城際隧道的施工對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生較大的變形影響。

2.2 工程地質(zhì)條件

地下水位埋深約為0～2 m，兩線隧道結(jié)構(gòu)所處地層均處于飽和狀態(tài)。

巖土參數(shù)建議值如表1所示。

表1 巖土參數(shù)建議Tab.1 Geotechnical Recommendation

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元軟件MIDAS/GTS。城際隧道和連續(xù)墻采用plane 單元，土體采用修正摩爾-庫倫模型進(jìn)行模擬（見圖2）。結(jié)構(gòu)模型范圍取隧道外側(cè)左右兩側(cè)各40 m，下至隧道穩(wěn)定持力地層。主要分析盾構(gòu)隧道完成后，城際隧道基坑分步開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)變形及地表沉降等的影響（見表2、圖3）。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational Model

圖3 連續(xù)墻、隔離樁和城際隧道的空間關(guān)系Fig.3 The Spatial Relationship of the Continuous Wall，the Separation Pile and the Intercity Tunnel

3.2 分析方法

由于城際隧道結(jié)構(gòu)距離盾構(gòu)隧道較近，通過加固前后的結(jié)構(gòu)變形及地表沉降進(jìn)行對(duì)比，分析采取加固后的措施對(duì)兩條隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的有利影響。加固措施為考慮在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道之間增加隔離樁，隔離樁直徑1 m、間距1.2 m，隔離樁與地下連續(xù)墻的距離為1.0 m，與盾構(gòu)隧道的凈距為1.7～4.0 m。城際隧道的基坑模擬采用3 道混凝土支撐，分層開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。

表2 分析施工步驟Tab.2 Analyze of the Construction Steps

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過三維軟件計(jì)算得到2種不同工況下的計(jì)算云圖，其中圖4 為盾構(gòu)隧道的水平和豎向位移云圖，圖5為城際隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平及位移云圖，圖6 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖，圖7 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線，圖8為地表沉降云圖，圖9為地表沉降曲線。

由圖4～圖8可知：

⑴兩隧道之間土體內(nèi)無隔離樁時(shí)，盾構(gòu)隧道的水平位移為18.8 mm，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，地鐵隧道水平位移的控制值為20.0 mm，理論計(jì)算值已達(dá)到規(guī)范控制值的94%，并遠(yuǎn)超預(yù)警值10 mm 的要求，因此應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施以確保地鐵隧道的安全。

圖4 工況7隧道水平及豎向位移云圖Fig.4 Working Condition 7 Tunnel Horizontal and Vertical Displacement Cloud Map

圖5 隧道水平及豎向位移變化曲線Fig.5 The Curve of Tunnel Horizontal and Vertical Displacement

圖6 工況7圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.6 Condition 7 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Enclosure Structure

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線Fig.7 Horizontal Displacement Curve of Envelope Structure

圖8 工況7地表沉降云圖Fig.8 Condition 7 Surface Settlement Cloud Map

圖9 地表沉降曲線Fig.9 The Curve of Ground Settlement

⑵基于計(jì)算結(jié)果分析，通過設(shè)置隔離樁，隧道的水平位移由18.80 mm 變化為10.20 mm，位移量減少45.7%；隧道的豎向沉降由7.33 mm 變化為4.27 mm，沉降量減少41.7%；城際隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移由29.31 mm 變化為22.07 mm，位移量減少24.7%；地表沉降由39.50 mm變化為27.18 mm，位移量減少31.2%。

設(shè)置隔離樁后，可對(duì)地鐵隧道與城際隧道之間的土體形成有效約束，減少城際隧道施工對(duì)地鐵隧道的土體擾動(dòng)。雖對(duì)城際隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響不大，但對(duì)控制地鐵隧道的水平及豎向位移均有顯著影響，地表沉降也有較大程度地降低。

⑶通過對(duì)施工工序的模擬計(jì)算分析，施工步驟5城際隧道開挖至基坑底部時(shí)，地鐵隧道出現(xiàn)最不利情況，水平位移及豎向位移出現(xiàn)極大值。施工步驟4～施工步驟5 的過程中，即基坑從第3 道支撐到開挖基坑底部過程中，出現(xiàn)連續(xù)墻水平位移變化增幅極大值，應(yīng)在施工工程中予以重視和控制。

⑷通過模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，地鐵隧道實(shí)測(cè)最大水平位移為9.0 mm，最大豎向位移為3.9 mm，最大地表沉降為30.5 mm，地下連續(xù)墻最大水平位移為23.2 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果較為接近，說明本次三維計(jì)算模型、選取的計(jì)算參數(shù)基本合理。其中地表沉降數(shù)據(jù)較模擬計(jì)算至高出11%，分析主要原因?yàn)槟M計(jì)算并未模擬連續(xù)墻成槽過程中對(duì)地表沉降的影響，因此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)偏高。

⑸在城際隧道開挖的過程中，無隔離樁和有隔離樁兩種工況下盾構(gòu)隧道位移變化趨勢(shì)基本相同，說明設(shè)置隔離樁不改變盾構(gòu)隧道位移隨城際隧道基坑開挖的變化趨勢(shì)，并主要受基坑開挖深度的影響。

4 施工過程對(duì)地鐵隧道的變形控制技術(shù)

明挖城際隧道與盾構(gòu)隧道并行段距離較近，且并行段距離長，明挖隧道施工對(duì)已建地鐵盾構(gòu)隧道的變形及沉降影響較大。故采取針對(duì)且有效的變形控制技術(shù)對(duì)確?；雍偷罔F隧道的安全尤為關(guān)鍵。

4.1 增設(shè)隔離樁加固措施

通過計(jì)算分析及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用隔離樁加固措施能有效地控制地鐵隧道的變形及沉降。

4.2 連續(xù)墻采用雙輪銑成槽工藝［9-10］

由于隔離墻距離盾構(gòu)隧道較近，如采用傳統(tǒng)的沖錘成槽工藝，必然造成對(duì)盾構(gòu)隧道的影響過大。因此該工程采取了雙輪銑成槽的施工工藝，減小了對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道周邊土體的擾動(dòng)，通過實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該項(xiàng)工藝施工對(duì)地鐵隧道的影響均控制在5 mm范圍內(nèi)。

4.3 采取有效措施控制明挖基坑超挖

鄰近地鐵范圍的明挖隧道基坑支撐均采用混凝土支撐，通過代替原有鋼支撐的做法，既加強(qiáng)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐剛度，同時(shí)也規(guī)避了基坑超挖而引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的影響。

4.4 有效控制明挖基坑的接頭滲漏水

在基坑連續(xù)墻接頭提出利用超聲波透射法對(duì)地下連續(xù)墻接頭進(jìn)行檢測(cè)。

地下連續(xù)墻施工時(shí)的先行幅和后繼幅間的接縫處易成為圍護(hù)結(jié)構(gòu)防水的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是采用工字鋼接頭，接頭處易發(fā)生夾砂、夾泥的情況，容易導(dǎo)致基坑開挖過程中出現(xiàn)接頭漏水、漏砂的情況。通過超聲波透射法技術(shù)，可準(zhǔn)確的檢測(cè)出地下連續(xù)墻接頭質(zhì)量缺陷的位置，方便采取有針對(duì)性的預(yù)加固處理，免除了以往對(duì)有懷疑的接頭均進(jìn)行處理加固，節(jié)省了施工成本，規(guī)避地下連續(xù)墻接頭漏水、漏砂的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，降低了深基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過該項(xiàng)技術(shù)，針對(duì)性地對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)處理。規(guī)避了盾構(gòu)隧道因失水造成的變形或沉降等風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

本次計(jì)算分析采用三維模型，計(jì)算結(jié)果較為接近實(shí)際變形值?？紤]到本次計(jì)算結(jié)果已經(jīng)接近地鐵保護(hù)規(guī)范的控制要求，因此在采取針對(duì)性的保護(hù)措施前提下，城際隧道施工可以滿足盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全及變形要求。通過有限元的模擬計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在采取隔離措施的情況下，水平位移、豎向位移及地表沉降均有顯著降低，并補(bǔ)充了隔離措施施工過程中的控制技術(shù)，為后續(xù)類似工程的建設(shè)提供了技術(shù)參考。