土體加固范圍對(duì)既有盾構(gòu)隧道軌道的影響分析

孟慶坤，徐國(guó)元

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引 言

近年來(lái)，隨著盾構(gòu)技術(shù)不斷發(fā)展，盾構(gòu)施工越來(lái)越多運(yùn)用到城市地鐵建設(shè)中。盾構(gòu)施工不可避免穿越臨近既有隧道，盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)時(shí)，擾動(dòng)周圍土體，繼而引起既有隧道產(chǎn)生接縫張開、管片錯(cuò)臺(tái)、管片變形甚至軌道變形等問題［1-3］。若持續(xù)發(fā)展，不采取一定的保護(hù)措施，極有可能導(dǎo)致列車不能正常行駛。新建盾構(gòu)隧道斜下穿工程涉及受力因素和外界條件錯(cuò)綜復(fù)雜，結(jié)合已有的國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)，可以從擾動(dòng)源、輔助保護(hù)措施和傳播介質(zhì)等方面考慮控制既有隧道軌道沉降和軌道高差。

目前，針對(duì)新建盾構(gòu)隧道穿越既有隧道的控制性研究問題，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，其中以擾動(dòng)源、傳播介質(zhì)和輔助保護(hù)措施研究居多［4-6］。張治國(guó)等［7］采用簡(jiǎn)化理論方法、三維有限元數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合，揭示了盾構(gòu)穿越上下交疊地鐵隧道的變形規(guī)律，提出穿越地鐵隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)和安全控制技術(shù)措施；房明等［8］采取變剛度等效法模擬注漿材料的硬化，在不同的盾構(gòu)隧道斜穿角度下，研究了不同液壓缸推力、盾尾注漿、盾構(gòu)頂進(jìn)力等施工參數(shù)對(duì)既有隧道沉降的影響；楊成永等［9］依托北京地鐵14號(hào)線隧道近距下穿地鐵15號(hào)線工程背景，運(yùn)用數(shù)值仿真方法，根據(jù)已有盾構(gòu)施工參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究，論述既有隧道的沉降規(guī)律，給出了合理的盾構(gòu)施工參數(shù)；張冬梅等［10］以上海地鐵隧道注漿加固為工程背景，分析了隧道側(cè)向注漿對(duì)隧道橫向變形的影響機(jī)理，探索了注漿對(duì)隧道變形的影響規(guī)律，闡述注漿量和注漿范圍對(duì)注漿加固效果的影響規(guī)律；孫振宇等［11］為研究超前加固條件下隧道圍巖的力學(xué)行為，采用平面應(yīng)變模型中的靜水壓力代替深埋圓形隧道，將等效加固區(qū)簡(jiǎn)化成超前加固隧道，考慮并提出了超前加固的隧道圍巖力學(xué)分析模型；鐘可等［12］以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線超近距離盾構(gòu)下穿既有地鐵2號(hào)線為工程背景，采用Midas-gts巖土有限元分析軟件，對(duì)比分析了地層不加固、超前管棚加固、地表注漿加固、運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)加內(nèi)箍支撐及MJS工法加固等多種方案對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響。

綜上所述，以上文獻(xiàn)針對(duì)不同土體加固范圍如何控制既有隧道軌道的沉降和軌道高差的研究存在不足，給既有隧道軌道沉降和軌道高差帶來(lái)較大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響列車安全行駛，甚至停止列車運(yùn)營(yíng)進(jìn)行必要維護(hù)。鑒于此，本文以廣州市某盾構(gòu)隧道下穿11號(hào)線為工程背景，基于Midasgts有限元數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，研究不同土體加固范圍對(duì)既有軌道沉降及軌道高差的影響規(guī)律，以期為今后類似穿越工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州市軌道交通某盾構(gòu)隧道下穿11號(hào)左線，穿越長(zhǎng)度約12 m，最大坡度2.5%，隧道埋深21～33 m，11號(hào)左線下穿地段隧道埋深約12.1 m，見圖1。盾構(gòu)施工采用φ6 680 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，襯砌管片外徑6 400 mm，內(nèi)徑5 800 mm。新建盾構(gòu)隧道與11號(hào)左線隧道凈距為3.396 m，下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)沿下坡掘進(jìn)，坡度0.2%。

圖1 新建盾構(gòu)隧道與既有隧道位置關(guān)系圖（單位：m）Fig.1 Location relationship schematic of the new shield tunnel and the existing tunnel

2 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 模型建立及邊界條件

本文采用Midas-gts巖土有限元分析軟件模擬施工工況，并對(duì)模型施加位移邊界條件，首先對(duì)模型施加重力荷載，其次施加邊界約束，模型底部為固定邊界，并且限制模型四周的水平位移，最后約束軌道的縱向位移和扭轉(zhuǎn)?？紤]尺寸和邊界效應(yīng)對(duì)模型的影響，并根據(jù)該工程現(xiàn)場(chǎng)情況，最終取模型長(zhǎng)度為3～5倍的隧道直徑［13］，模型長(zhǎng)高寬依次為125，55，75 m。計(jì)算模型含417 886個(gè)單元，187 923個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體有限元模型和開挖土、管片、注漿層及盾殼有限元模型如圖2所示。

圖2 整體有限元模型（局部透視效果）Fig.2 Overall finite element model（local perspective effect）

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)，三維實(shí)體單元，鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，道床結(jié)構(gòu)、盾殼、注漿層以、管片以及加固體系采用彈性本構(gòu)。計(jì)算過(guò)程中主要荷載包括自重、注漿壓力、土倉(cāng)壓力和液壓缸壓力。通常注漿壓力為1.1～1.2倍的靜止土壓力，控制在0.25～0.4 MPa，土倉(cāng)壓力取120～180 k Pa，液壓缸壓力取5 400 kPa［14］，土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil layer parameters

2.3 盾構(gòu)施工工況模擬

本文在對(duì)設(shè)計(jì)和模擬施工工況步驟時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有盾構(gòu)施工研究成果，考慮并對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，較為真實(shí)地還原模擬盾構(gòu)施工工況，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度選定盾殼板單元長(zhǎng)9 m。新建盾構(gòu)隧道管片選用C50混凝土，寬1.5 m，重度25 kg/m3，泊松比0.2，考慮到施工實(shí)際情況，將管片剛度折減到0.85，取彈性模量30 GPa。

新建盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道施工的動(dòng)態(tài)過(guò)程采用鈍化和激活進(jìn)行模擬。本次分析工況包含47個(gè)施工步，主要模擬盾構(gòu)開挖土體、管片推出盾尾及同步注漿過(guò)程，工況模擬時(shí)每次掘進(jìn)1個(gè)單位管片長(zhǎng)度為1個(gè)掘進(jìn)循環(huán)，如圖3所示，根據(jù)實(shí)際施工工況步驟的具體模擬設(shè)計(jì)如表2所示。第2步位移清零，表示土層位移已經(jīng)穩(wěn)定，其余施工步未進(jìn)行位移清零，旨在分析后續(xù)新建隧道掘進(jìn)過(guò)程中引起既有隧道的變形量。

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程模擬Fig.3 Simulation of the shield tunnelling process

表2 模擬設(shè)計(jì)工況Tab.2 Simulation design conditions

2.4 模擬工況及理論基礎(chǔ)

本文根據(jù)實(shí)際盾構(gòu)施工情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工況，根據(jù)該工程地勘資料，忽略地下水影響，并基于盾構(gòu)施工擾動(dòng)塑性范圍［16］，分析不同土體加固范圍下新建盾構(gòu)隧道對(duì)既有地鐵隧道軌道的變形影響，闡述不同拱頂、拱底和橫向加固范圍對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律。表3分別列舉了不同土體加固范圍的工況設(shè)計(jì)，其中橫向加固取拱頂+拱底2 m范圍，具體加固方案見圖4～5。

表3 工況設(shè)計(jì)Tab.3 Working condition of the design

圖4 拱頂拱底不同加固范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of the different reinforcement ranges of vault and arch bottom

圖5 不同橫向加固范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of different horizontal reinforcement ranges

3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與分析

3.1 不同土體加固范圍影響分析

為分析土體加固范圍對(duì)控制既有隧道軌道沉降和軌道高差的影響效果，提取并處理拱頂、拱底、拱頂+拱底1，2，3 m和橫向加固1D，2D，3D及無(wú)加固措施工況下既有隧道軌道的計(jì)算結(jié)果，如圖6～15所示。

圖6 不同拱頂加固工況下既有隧道軌道沉降變化范圍Fig.6 Change range of existing tunnel track settlement under different vault strengthening conditions

圖7 不同拱頂加固工況下既有隧道軌道高差變化范圍Fig.7 Change range of height difference of the existing tunnel track under different vault strengthening conditions

盾構(gòu)施工過(guò)程中受盾構(gòu)施工的影響，既有隧道軌道會(huì)產(chǎn)生變形，由于為斜下穿工程，導(dǎo)致左右軌沉降值大小不同。由圖6～15可以看出，既有隧道軌道的沉降規(guī)律呈V型，兩隧道交叉處出現(xiàn)最大值，軌道高差呈W型，且在隧道交叉處出現(xiàn)波峰。由圖6，7，14，15可以看出，拱頂加固范圍逐漸增加時(shí)，既有隧道軌道最大沉降值依次為5.53，4.21，3.14，2.84 mm，既有隧道最終軌道高差最大值依次為0.08，0.05，0.03，0.02 mm，當(dāng)加固范圍從工況1變化到工況2～4時(shí)，軌道最大沉降值減小了23.9%，43.2%，48.6%，軌道高差幅度依次減少37.5%，62.5%，75%。由圖8，9，14，15可以看出，拱底加固范圍逐漸增加時(shí)，既有隧道軌道最大沉降值依次為5.53，5.03，4.42，3.86 mm，既有隧道最終軌道高差最大值依次為0.08，0.07，0.06，0.056 mm，加固范圍從工況1變化到工況5～7時(shí)，軌道最大沉降值分別減小了9%，20.1%，30.2%，軌道高差幅度依次減少12.5%，25%，30%。由圖10，11，14，15可以看出，拱頂+拱底加固范圍逐漸增加時(shí)，既有隧道軌道最大沉降值依次為5.5，3.53，2.58，2.15 mm，既有隧道最終軌道高差最大值依次為0.08，0.04，0.02，0.014 mm，當(dāng)加固范圍從工況1變化到工況8～10時(shí)，軌道最大沉降值減小了36.2%，53.3%，61.1%，軌道高差幅度依次減少50%，75%，82.5%。由圖12～15可以看出，橫向土體加固范圍逐漸增加時(shí)，既有隧道軌道最大沉降值依次為5.53，3.20，2.74，2.60，2.57 mm，既有隧道最終軌道高差最大值依次為0.08，0.06，0.03，0.023，0.02 mm，當(dāng)加固范圍從工況1變化到工況11～14時(shí)，軌道最大沉降值減小了42.1%，50.5%，53%，53.5%，軌道高差幅度依次減少25%，62.5%，71.3%，75%。

圖8 不同拱底加固工況下既有隧道軌道沉降變化范圍Fig.8 Change range of existing tunnel track settlement under different arch bottom strengthening conditions

圖9 不同拱底加固工況下既有隧道軌道高差變化范圍Fig.9 Change range of height difference of existing tunnel track under different arch bottom strengthening conditions

圖10 不同拱頂+拱底加固工況下既有隧道軌道沉降變化范圍Fig.10 Change range of existing tunnel track settlement under different vault and arch bottom strengthening conditions

圖14 不同土體加固下既有隧道軌道豎向變形變化趨勢(shì)Fig.14 Variation trend of vertical deformation of existing tunnel track under different soil reinforcement

圖15 不同土體加固下既有隧道軌道高差變化趨勢(shì)Fig.15 Variation trend of track height difference of existing tunnel under different soil reinforcement

通過(guò)以上分析可以看出，既有隧道軌道沉降值和軌道高差均隨著土體加固范圍的增加不斷減小，且拱頂加固2 m比加固1 m對(duì)既有隧道沉降和軌道高差的控制效果明顯；拱底土體加固逐漸增加時(shí)，軌道沉降值均勻減小，而軌道高差減小不明顯，表明拱底加固對(duì)既有隧道軌道高差不敏感；拱頂+拱底加固對(duì)于既有隧道沉降和軌道高差的控制更為明顯，軌道高差波動(dòng)范圍相對(duì)較大，拱頂+拱底加固1 m比2 m加固對(duì)于既有隧道沉降和軌道高差的控制效果有明顯提升；與其他土體加固相比，橫向加固軌道沉降值和軌道高差波動(dòng)更大，且橫向加固既有隧道兩側(cè)1D范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)既有隧道軌道沉降以及軌道高差控制效果明顯，以橫向加固范圍最為敏感；隨著土體加固范圍進(jìn)一步增加，既有隧道沉降和軌道高差減小均趨于平緩，甚至為0。當(dāng)盾構(gòu)隧道擾動(dòng)范圍大致離既有隧道兩側(cè)1D范圍時(shí)，既有隧道軌道沉降和軌道高差出現(xiàn)較大數(shù)值，因此對(duì)該區(qū)域合理加固，能夠有效改善既有隧道軌道沉降，減小既有軌道高差，保證既有隧道的正常運(yùn)營(yíng)。

3.2 數(shù)據(jù)擬合曲線

本文擬合了不同加固范圍條件下既有隧道軌道沉降最大值的近似曲線，并給出相應(yīng)曲線的函數(shù)關(guān)系式，如圖16所示。由圖16可以看出，隨著加固范圍擴(kuò)大，橫向、拱頂+拱底以及拱頂加固擬合曲線呈現(xiàn)近似對(duì)數(shù)增加，而拱底加固擬合曲線近似線性增加，同時(shí)軌道沉降值逐漸減小，但控制效果逐漸減弱；在一定土體加固范圍內(nèi)，加固效果由強(qiáng)到弱依次為橫向加固、拱頂+拱底加固、拱頂加固、拱底加固。根據(jù)以上規(guī)律，并結(jié)合工程實(shí)際可以大致得出：當(dāng)既有隧道兩側(cè)橫向加固1D范圍且拱頂+拱底加固2 m時(shí)，能夠有效改善既有隧道軌道的沉降變形。

圖16 不同加固范圍工況下既有隧道軌道最大沉降值擬合曲線Fig.16 Fitting curves of the maximum settlement of the existing tunnel track under different strengthening conditions

4 結(jié) 論

（1）受新建盾構(gòu)施工的影響，既有軌道沉降規(guī)律呈V型，且在兩隧道交叉處出現(xiàn)最大值，軌道高差呈W型，在隧道交叉處出現(xiàn)波峰。

（2）橫向土體加固對(duì)控制既有隧道軌道沉降值和軌道高差效果最顯著；當(dāng)橫向土體加固超過(guò)既有隧道兩側(cè)1D范圍時(shí)，對(duì)既有隧道軌道沉降和軌道高差的控制效果不明顯。

（3）既有隧道軌道的最大沉降值與拱頂、拱頂+拱底以及橫向土體加固范圍呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系；與拱底加固范圍呈線性關(guān)系；當(dāng)盾構(gòu)隧道擾動(dòng)范圍大致離既有隧道兩側(cè)1D范圍時(shí)，既有隧道軌道沉降值以及軌道高差出現(xiàn)較大數(shù)值，建議新建隧道兩側(cè)橫向加固1D范圍且拱頂+拱底加固2 m范圍時(shí)，可有效減小既有隧道軌道沉降，保證既有地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

（4）后期應(yīng)考慮地下水和附近建筑物等諸多復(fù)雜因素，而這些因素在實(shí)際施工中會(huì)對(duì)地質(zhì)水文條件產(chǎn)生負(fù)面影響，故還需要進(jìn)一步完善研究分析內(nèi)容對(duì)盾構(gòu)隧道軌道影響。