上穿既有隧道大直徑管棚支護(hù)效果研究

何繼華，姜 瀟，張 宇，宋卓華，陶連金，呂金彪

（1.中鐵二十三局集團(tuán)第六工程有限公司，重慶 401121；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100045）

1 研究背景

城市地鐵的大規(guī)模密集建設(shè)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致地鐵線路出現(xiàn)交叉，而穿越既有線路常出現(xiàn)近距離交叉施工的情況[1]。

在近距離上穿既有隧道的情況下，控制對(duì)下方既有結(jié)構(gòu)的影響，防止既有結(jié)構(gòu)過(guò)大隆起，是穿越工程中的重中之重。其中，采用管棚支護(hù)減小地下工程施工對(duì)既有隧道的影響，是較常用的施工方法。

針對(duì)上穿工程，朱衛(wèi)平等[2]運(yùn)用彈性地基理論以及Peck公式，建立了盾構(gòu)疊交隧道地層移動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。賀美德等[3]通過(guò)分析人行通道上穿地鐵盾構(gòu)隧道工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了覆跨比與夾土層厚度對(duì)變形的影響。張孟喜等[4]依托佛莞城際中盾構(gòu)隧道上穿廣州地鐵7號(hào)線工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元方法分析了既有隧道的變形問(wèn)題。張強(qiáng)[5]通過(guò)理論解析和數(shù)值方法，對(duì)城市中各種類型的上跨既有地鐵隧道的開挖卸荷工程引起既有隧道豎向變形進(jìn)行了分析，并在某工程中進(jìn)行了驗(yàn)證。Yazdchi等[6]基于倫敦某工程，在不同的條件下計(jì)算了隧道立體交叉所引起的地面沉降位移，以及對(duì)附近結(jié)構(gòu)位移的影響。

針對(duì)管棚支護(hù)，劉悅[7]將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元方法模擬相結(jié)合，分析了下穿既有線工程中采用大直徑管棚支護(hù)的效果，研究了管棚合理參數(shù)。伍振志等[8]對(duì)管棚注漿在松軟地層中的淺埋隧道工程的加固機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了管棚注漿的工程效果。王海濤[9]分別推導(dǎo)了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計(jì)算公式，并基于Pasternak彈性地基梁理論，建立了管棚的力學(xué)分析模型。陳崢等[10]通過(guò)引入合理拱軸線，并考慮側(cè)向土壓力的影響，結(jié)合管棚間土拱破壞條件，給出了管棚合理間距的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。

通過(guò)對(duì)上述既有研究的分析可以看出，針對(duì)交叉穿越既有隧道過(guò)程中的力學(xué)分析已有較多研究，在下穿既有隧道工程中采用管棚工法控制既有線變形的工程也有較多案例。但是，在上穿既有隧道工程中采用大直徑管棚控制既有結(jié)構(gòu)隆起的相關(guān)案例十分少見，針對(duì)上穿工程中管棚控制既有線隆起的作用效果或作用機(jī)理的研究更為罕見。

本研究以北京地鐵大興機(jī)場(chǎng)線暗挖上穿既有盾構(gòu)隧道的工程實(shí)例為背景，利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，研究在上穿工程中采用大直徑管棚的效果和作用機(jī)理。

2 工程依托

2.1 實(shí)際工程概況

北京地鐵大興機(jī)場(chǎng)線是為配合北京大興機(jī)場(chǎng)工程而建設(shè)的地鐵線路，全長(zhǎng)41.36 km。其中，磁各莊站—草橋站區(qū)間位于馬草河?xùn)|側(cè)、鎮(zhèn)國(guó)寺北街南側(cè)的地塊內(nèi)，全長(zhǎng)264.351 m。該段上跨既有10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間，上跨段暗挖施工長(zhǎng)60 m，暗挖區(qū)間斷面為微拱直墻斷面。施工采用洞樁法，最大開挖寬度14.8 m，最大開挖高度9.3 m，拱頂覆土約4 m，結(jié)構(gòu)底距10號(hào)線隧道頂最小凈距約0.85 m。

2.2 水文地質(zhì)概況

施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況如下：地面以下0.5～3.6 m為填土層，3.6～5.4 m為粉細(xì)砂層，5.4～16.1 m為砂卵石層。新建工程主要位于粉細(xì)砂地層中，既有線完全位于砂卵石地層。地下水主要為潛水，穩(wěn)定水位深度24.8～25.9 m，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流和向下越流為主要排泄方式。

2.3 管棚布置形式

新機(jī)場(chǎng)線隧道超近距離上跨10號(hào)線既有結(jié)構(gòu)，因此在大興機(jī)場(chǎng)線暗挖區(qū)間上跨段施工中，隧道底部布置了大直徑超前管棚，以控制既有隧道的隆起，如圖1所示。

圖1 相對(duì)位置(縱剖面)Figure 1 Schematic of relative position (longitudinal section)

管棚位于新機(jī)場(chǎng)線下方，10號(hào)線在既有盾構(gòu)區(qū)間上方，具體位置見圖2。管棚鋼管外徑402 mm，管厚16 mm，總長(zhǎng)38.5 m。管棚鋼管打入地層后，在鋼管內(nèi)填充水泥砂漿，以提高鋼管的整體性與整體剛度。

圖2 采用大直徑管棚控制既有隧道隆起Figure 2 Control of existing tunnel uplift with large-diameter pipe shed

工程采用洞樁法進(jìn)行施工，主要施工步序如下：

1) 深孔注漿加固上導(dǎo)洞拱部地層。從兩豎井同時(shí)開挖①④導(dǎo)洞。

2) ①④導(dǎo)洞進(jìn)洞10 m后施工②導(dǎo)洞，②導(dǎo)洞進(jìn)洞10 m后施工③導(dǎo)洞。①④導(dǎo)洞通后施作人工挖孔樁與樁頂冠梁。

3) ②③洞通后施作導(dǎo)洞內(nèi)二襯，每10 m一段跳倉(cāng)施工，保留格柵主筋及型鋼支撐。

4) 二襯扣拱完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆導(dǎo)洞中隔壁。二襯扣拱中豎井開挖到位，打設(shè)下部管棚。

5) 開挖下部土體。

3 工程實(shí)測(cè)

3.1 實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)對(duì)大興機(jī)場(chǎng)線暗挖上穿 10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，收集了關(guān)于機(jī)場(chǎng)線上跨段地表沉降和機(jī)場(chǎng)線附近51 m范圍內(nèi)的既有10號(hào)線結(jié)構(gòu)沉降的數(shù)據(jù)。既有線豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖3所示。

圖3所示的隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于區(qū)間結(jié)構(gòu)側(cè)墻上，測(cè)點(diǎn)標(biāo)志采用直徑8 mm的膨脹螺栓，按預(yù)定位置鉆孔埋入。使用Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，1 km往返測(cè)中差0.3 mm，采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量。

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

以圖3中南北線兩個(gè)D點(diǎn)的既有結(jié)構(gòu)豎向位移為代表，分析兩既有隧道豎向位移的變化趨勢(shì)。提取既有盾構(gòu)隧道南線和北線監(jiān)測(cè)點(diǎn)D隨著開挖發(fā)生的豎向位移值，繪制點(diǎn)線如圖4所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Figure 3 Layout of measurement points

圖4 施工過(guò)程中既有線豎向位移Figure 4 Vertical displacement of existing line during construction

從圖4中可以看出：在第170天前后，隧道豎向變形數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了較為明顯的沉降。究其原因，是這期間施工既有線上部管棚，位置貼近既有線上方(＜0.5 m)，打設(shè)管棚對(duì)周圍土體產(chǎn)生了一定的擠壓作用。在第190天之后，進(jìn)入下部土體開挖階段。從圖4中看出此時(shí)是既有結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起的階段。這主要是由于既有線周圍土體卸載，下部土體發(fā)生回彈變形。因?yàn)殚_挖掌子面穿過(guò)南北線隧道的時(shí)間不同，開挖首先經(jīng)過(guò)南線隧道，所以北線隧道的變化也就略微滯后。在第250天之后，隧道穿越既有線的施工基本完成，從圖4中也可以看出既有線豎向變形已經(jīng)基本穩(wěn)定。

既有線南北線的最終變形曲線如圖5所示，新建結(jié)構(gòu)中心線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D點(diǎn))橫坐標(biāo)位置定為0。

圖5 施工完成后既有線變形曲線Figure 5 Deformation curve of existing line after construction

從圖5中可以看出：由于由南向北施工中先穿越南線，所以北線上各點(diǎn)最終變形量(隆起)均小于南線；最終隆起的變形集中在開挖區(qū)(+7～-7 m)，以及開挖區(qū)外0.5倍開挖區(qū)寬度(-7～-15 m)，即變形集中在以開挖區(qū)中線為中心的2倍開挖區(qū)寬度內(nèi)；最終既有隧道隆起變形小于2 mm，實(shí)際控制效果良好。

4 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬階段，首先仿照實(shí)際地層和工程情況建立三維計(jì)算模型，按照實(shí)際施工過(guò)程分7個(gè)施工步驟和2種工況(有無(wú)管棚)進(jìn)行模擬，采用有限差分方法計(jì)算；最后提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了整理與分析。

4.1 數(shù)值模型建立

整體模型尺寸為60 m×60 m×45.8 m，隧道襯砌與管棚均采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，樁、錨等采用結(jié)構(gòu)單元建模，土體采用六面體單元建模。模型上邊界自由，四周邊界限制了雙向水平位移，底部限制三向位移。計(jì)算模型網(wǎng)格及尺寸如圖6所示。

圖6 模型示意Figure 6 Model diagram

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況數(shù)據(jù)，在模型中將場(chǎng)地分為 3層，從上到下依次為人工填土、粉細(xì)砂和砂卵石。土體在同一層內(nèi)均勻連續(xù)。由于實(shí)際水文地質(zhì)情況中水位較深，因此模型中不考慮地下水的影響。土體采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則下的理想彈塑性模型。

模型中采用的材料參數(shù)見表1，采用的地層參數(shù)見表2。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 地層參數(shù)Table 2 Formation parameters

按照上述參數(shù)，并參考前述的實(shí)際施工過(guò)程，分7個(gè)施工步驟和2種工況(有無(wú)管棚)進(jìn)行模擬，采用有限差分方法計(jì)算。計(jì)算結(jié)果按照與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)提取。

4.2 既有結(jié)構(gòu)位移

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用相同的處理方法，在數(shù)值模擬結(jié)果中分析D點(diǎn)(見圖3)位置的既有結(jié)構(gòu)豎向位移。提取既有盾構(gòu)隧道南線和北線監(jiān)測(cè)點(diǎn) D隨著開挖進(jìn)行而發(fā)生的豎向位移，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，繪制點(diǎn)線如圖7、8所示。

圖7 既有線南線豎向位移變化Figure 7 Vertical displacement change in existing south line

圖8 既有線北線豎向位移變化Figure 8 Vertical displacement change in existing north line

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以看出數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。

4.3 管棚作用效果

通過(guò)在數(shù)值模型中取消新建結(jié)構(gòu)底部的抗隆起管棚的作用，控制其他條件與有管棚計(jì)算工況相同(施工步序、結(jié)構(gòu)參數(shù)、地層參數(shù)等)，建立了無(wú)管棚作用下的施工模型并進(jìn)行計(jì)算，再將其結(jié)果與有管棚的工況進(jìn)行對(duì)比分析。

分別提取兩種工況下既有線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn) D(見圖3)在模型中不同施工步驟作用下發(fā)生的豎向位移值，將其繪制成豎向位移變化折線圖，如圖9、10所示。

圖9 既有線南線豎向位移Figure 9 Vertical displacement of existing south line

可以得出以下結(jié)果：在兩種工況下，隆起都主要發(fā)生在土體開挖階段，沉降都主要發(fā)生在打設(shè)管棚階段，這與實(shí)測(cè)的結(jié)論一致；相比無(wú)管棚工況，在新建結(jié)構(gòu)底部采取打設(shè)管棚的施工方式，可以減少既有線1.5～2 mm最終隆起值；在打設(shè)管棚的階段(130～180 d)，相比無(wú)管棚工況，有管棚工況多發(fā)生0.5 mm左右的沉降。

圖10 既有線北線豎向位移Figure 10 Vertical displacement of existing north line

5 結(jié)語(yǔ)

為了研究大直徑管棚對(duì)上穿工程中既有線隆起變形的控制效果，以北京大興機(jī)場(chǎng)線暗挖上穿既有 10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間工程為例，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，并得到以下結(jié)論：

1) 基于實(shí)際工程建立數(shù)值模型，并通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本研究采用的數(shù)值模型的正確性。

2) 既有線的隆起主要發(fā)生在土體開挖階段，而既有線的沉降主要發(fā)生在打設(shè)管棚階段。

3) 最終既有盾構(gòu)隧道隆起變形，集中在以開挖區(qū)中線為中心的2倍開挖區(qū)寬度內(nèi)；最終既有隧道隆起變形小于2 mm，實(shí)際控制效果良好。

4) 在打設(shè)管棚的階段，有管棚工況比無(wú)管棚工況多發(fā)生了0.5 mm左右的沉降；而相比無(wú)管棚工況，管棚可以減少既有隧道1.5～2 mm最終隆起值。這證明，通過(guò)采用管棚工法，可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的隆起變形。