盾構(gòu)隧道下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響及控制技術(shù)

張常委, 唐 禮, 張志強(qiáng)

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

為緩解城市交通壓力，近年來(lái)我國(guó)的城市地鐵建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在城市下方編織著一張龐大的地下交通網(wǎng)絡(luò)[1-2]。然而受有限地下修建空間的影響，地鐵盾構(gòu)隧道在建設(shè)過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)下穿復(fù)雜城市地下結(jié)構(gòu)的情況，引起其上方結(jié)構(gòu)的變形位移，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至造成不可預(yù)計(jì)的后果[3-4]。因此，在進(jìn)行盾構(gòu)隧道下穿施工前，準(zhǔn)確的評(píng)估隧道下穿對(duì)城市既有結(jié)構(gòu)的影響，并明確相應(yīng)控制措施的控制效果，對(duì)于保證盾構(gòu)隧道下穿施工后既有結(jié)構(gòu)的正常使用具有重要的意義[5]。

目前，針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)其上方結(jié)構(gòu)物的擾動(dòng)影響，專業(yè)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的研究，并且在此過(guò)程中數(shù)值模擬已經(jīng)成為學(xué)者們研究的重要工具。楊春山[6]采用有限元法對(duì)近距離下穿盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行了模擬，分析了新建隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)既有隧道的位移變化規(guī)律。萬(wàn)良勇[7]采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了不同開(kāi)挖方案引起的既有車(chē)站結(jié)構(gòu)及軌道的變形特點(diǎn)，并確定了最優(yōu)的施工工法。羅剛[8]采用有限差分軟件對(duì)雙線盾構(gòu)隧道下穿施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了高速公路路塹邊坡、路面及隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為之后隧道的安全施工提供了有力的參考。因此，文章依據(jù)擬建成都地鐵13號(hào)線區(qū)間隧道下穿城市復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)這一實(shí)際情況，建立盾構(gòu)隧道下穿城市復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響分析數(shù)值仿真模型，評(píng)估盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，并分析擾動(dòng)影響控制措施的必要性及控制效果，為該隧道下穿施工作業(yè)是否安全提供相應(yīng)的參考。

1 工程概況

擬建成都地鐵13號(hào)線路線于培風(fēng)站—瑞星路站下穿鐵路框架橋、斗渠、管廊和污水管這四類城市地下結(jié)構(gòu)及地表運(yùn)行成雅鐵路路基軌道，其中地表運(yùn)行鐵路軌道與盾構(gòu)隧道軸向相互垂直，各地下結(jié)構(gòu)尺寸及相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿期間地下結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

其中污水管材料為C30鋼筋混凝土，鐵路框架橋、管廊和斗渠材料均采用C40鋼筋混凝土，盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)厚度為40 cm，管片材料采用C50鋼筋混凝土。

2 安全控制標(biāo)準(zhǔn)

為確保盾構(gòu)隧道下穿期間既有結(jié)構(gòu)的安全，及隧道下穿施工后地表成雅鐵路是否能夠正常使用，結(jié)合前人的研究成果及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從應(yīng)力和位移兩個(gè)方面提出了安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，取C40混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為29.5 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為2.7 MPa。為進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)，并兼顧材料的劣化情況，評(píng)估時(shí)取上述控制標(biāo)準(zhǔn)的70 %進(jìn)行考慮，即：C40混凝土結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力小于20.65 MPa、拉應(yīng)力小于1.89 MPa。

2.2 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》及框架橋內(nèi)鐵路的設(shè)計(jì)時(shí)速，取10 m弦的高低偏差管理值3.0 mm作為評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道下穿施工后其上方成雅鐵路路基結(jié)構(gòu)是否能夠安全行車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)值模型建立

根據(jù)成都13號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，通過(guò)Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了三維仿真計(jì)算模型，如圖2所示，模型內(nèi)各結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系如圖3所示。模型沿縱向取60.0 m、沿橫向取87.7 m、模型底部取擬建地鐵下方20 m、頂面取至地表。模型前后左右面均為水平約束，底面豎向約束，地表為自由面。模型中圍巖、隧道襯砌等結(jié)構(gòu)均采用彈塑性實(shí)體單元模擬，服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。數(shù)值仿真過(guò)程中首先進(jìn)行污水管、管廊、框架橋、斗渠的開(kāi)挖，并給結(jié)構(gòu)賦予相應(yīng)的參數(shù)，然后進(jìn)行模型地應(yīng)力的平衡，最后實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖。因污水管道距離盾構(gòu)施工區(qū)域距離較遠(yuǎn)，根據(jù)類似隧道施工經(jīng)驗(yàn)，污水管道受到隧道施工的擾動(dòng)較小，故在此不考慮隧道下穿施工對(duì)污水管道的擾動(dòng)，主要分析隧道下穿對(duì)其他地下結(jié)構(gòu)和地表路基結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 成都地鐵13號(hào)線盾構(gòu)下穿模型

為分析擾動(dòng)影響控制措施的必要性及控制效果，數(shù)值模擬計(jì)算分兩種工況，第一種工況不對(duì)圍巖進(jìn)行加固，第二種工況對(duì)鐵路在鐵路軌道下方一定范圍內(nèi)對(duì)圍巖進(jìn)行加固。模擬中所用參數(shù)如表1所示。

圖3 模型內(nèi)部各結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

不考慮注漿加固條件下，盾構(gòu)隧道下穿施工后，管廊、框架橋、斗渠所受應(yīng)力和鐵路軌面的位移如圖4所示。

由圖4可知在不考慮注漿加固措施情況下，盾構(gòu)隧道下穿施工完成后，管廊最大拉應(yīng)力為1.30 MPa，最大壓應(yīng)力為2.14 MPa；鐵路框架橋最大拉應(yīng)力為0.69 MPa，最大壓應(yīng)力為1.26 MPa；斗渠最大拉應(yīng)力為0.92 MPa，最大壓應(yīng)力為1.63 MPa；其中，鐵路框架橋結(jié)構(gòu)、綜合管廊、蘇坡斗渠框架受力較大，但壓應(yīng)力小于20.65 MPa、拉應(yīng)力小于1.89 MPa，受力滿足應(yīng)力安全標(biāo)準(zhǔn)。但鐵路軌面最大豎向位移值為3.66 mm，明顯大于控制值3.0 mm，不能正常滿足鐵路日常行車(chē)的要求，因此不采取加固措施，盾構(gòu)隧道直接下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 未加固條件下盾構(gòu)隧道上方地下結(jié)構(gòu)受力及鐵路軌面沉降情況

考慮注漿加固條件下，盾構(gòu)隧道下穿施工后，管廊、框架橋、斗渠所受應(yīng)力和鐵路軌面的位移如圖5所示。

圖5 加固后鐵路軌面豎向位移

由圖5可得若考慮注漿加固措施，當(dāng)下穿盾構(gòu)隧道施工完成后，管廊最大拉應(yīng)力為0.44 MPa，最大壓應(yīng)力為1.12 MPa；鐵路框架橋最大拉應(yīng)力為0.51 MPa，最大壓應(yīng)力為1.10 MPa；斗渠最大拉應(yīng)力為0.66 MPa，最大壓應(yīng)力為0.97 MPa。從上述數(shù)據(jù)可以看出，鐵路框架橋結(jié)構(gòu)、綜合管廊、蘇坡斗渠框架受力情況仍然滿足應(yīng)力控制要求，但相對(duì)于未加固之前，其受力情況有了明顯的改善，各結(jié)構(gòu)所受的極限拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)了明顯的降低。同時(shí)，其上方鐵路路軌面最大豎向位移值為1.41 mm，相對(duì)于未加固時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移下降了61.5 %，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值3.0 mm。因此，綜合結(jié)構(gòu)物所有拉壓應(yīng)力及鐵路軌面結(jié)構(gòu)的沉降情況來(lái)看，采取注漿加固措施后，盾構(gòu)隧道直接下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)是安全可行的。同時(shí)，盾構(gòu)下穿施工前采取注漿對(duì)地層進(jìn)行加固對(duì)于保證隧道的安全下穿施工是完全必要的。

5 結(jié)論

采用Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了盾構(gòu)隧道下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響分析數(shù)值仿真模型，明確了盾構(gòu)隧道施工對(duì)其上方城市結(jié)構(gòu)的影響，探明了地層加固措施的必要性，得到的主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)成都地鐵13號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿的實(shí)際情況，針對(duì)隧道上方的地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及地表鐵路路基軌道的使用特點(diǎn)及相關(guān)規(guī)范，分別提出了位移和應(yīng)力兩種安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)未采取加固措施時(shí)，盾構(gòu)隧道直接下穿城市復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路框架橋結(jié)構(gòu)、綜合管廊、蘇坡斗渠結(jié)構(gòu)的安全性影響較小，結(jié)構(gòu)的受力在合理的范圍內(nèi)，但此時(shí)鐵路軌道的沉降值已達(dá)到3.66 mm，超過(guò)安全限值，說(shuō)明此不采取加固措施，盾構(gòu)隧道直接下穿復(fù)雜城市結(jié)構(gòu)將會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。而采取加固措施后，不僅結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到了極大地降低，而且路基的豎向沉降下降了61.5 %，能夠符合安全控制要求，說(shuō)明在盾構(gòu)下穿施工前采取注漿對(duì)地層進(jìn)行加固是極其必要的。