某山嶺隧道疊交上穿施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道影響分析

張旭東

(1.河北省公路安全感知與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)試驗(yàn)室 石家莊市 050000； 2.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

受地理?xiàng)l件及地下空間資源所限，越來(lái)越多的隧道線路不得不近距離穿越既有的地下結(jié)構(gòu)，在此類工程的修建和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，尤其是疊交上穿既有隧道的施工，由于近接影響面積較大，嚴(yán)重威脅既有交通線路及人員的安全。

對(duì)于該類工程，諸多專家學(xué)者已經(jīng)做出較多研究，賀美德[1]結(jié)合地下過(guò)街通道上穿地鐵區(qū)間隧道實(shí)際工程，對(duì)淺埋暗挖隧道上穿既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律及受力情況進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的變形控制措施；張玥等[2]對(duì)某小凈距隧道平行上穿既有隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)施工過(guò)程中既有隧道的變形及內(nèi)力進(jìn)行了分析，研究了上下短臺(tái)階法施工的可行性；屈文彬[3]基于實(shí)際工程并采用FLAC3D軟件，對(duì)新建電力隧道正交上穿施工過(guò)程中既有隧道的變形進(jìn)行了研究。

基于上述研究分析可知，對(duì)于新建隧道上穿既有隧道施工的研究多局限于施工期的研究，且對(duì)非平行上穿的隧道施工研究較少。因此，采用Midas/GTS軟件，針對(duì)依托工程的施工及運(yùn)營(yíng)兩階段，對(duì)既有隧道的變形規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)該工程的安全性進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

依托工程既有地鐵區(qū)間隧道與擬建隧道部分重疊和斜交，兩者重疊區(qū)長(zhǎng)度約200 m，最小豎向凈距約13.72 m，依托工程地質(zhì)情況如圖1所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

依托實(shí)際工程建立精細(xì)化三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，結(jié)合地形確定模型平面尺寸為145m×280m，豎向高度75.7～145m，從上往下依次為：素填土，強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，中風(fēng)化石英砂巖，微風(fēng)化石英砂巖。模型中巖土體采用3D實(shí)體單元，土層均視為彈塑性體，材料的破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，地鐵區(qū)間隧道與擬建隧道襯砌均采用2D板單元模擬，截面參數(shù)與實(shí)際相同。

1.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

(1)第一工況：初始應(yīng)力場(chǎng)分析。該工況為地鐵及擬建隧道施工前場(chǎng)地應(yīng)力分析，考慮土體自重及位移邊界，形成耦合應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行位移清零。

(2)第二工況：既有地鐵區(qū)間隧道施工。該工況進(jìn)行了既有線的開(kāi)挖與施做回填，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行位移清零。

(3)第三工況：新建隧道施工分析。本步驟為分部開(kāi)挖，采用CRD法開(kāi)挖，每一臺(tái)階領(lǐng)先下一臺(tái)階兩個(gè)施工步，當(dāng)后步施工支護(hù)完成后拆掉中隔壁及臨時(shí)仰拱。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

(4)第四工況：隧道運(yùn)營(yíng)分析。此時(shí)在新建隧道底板將人員荷載、車輛荷載及結(jié)構(gòu)荷載以均布力的形式施加，查看隧道運(yùn)營(yíng)期對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的影響。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 施工階段既有隧道位移影響分析

評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)地鐵隧道的影響的主要指標(biāo)為結(jié)構(gòu)的位移，也最能反應(yīng)隧道項(xiàng)目施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度。模型計(jì)算可以直觀地讀取地鐵結(jié)構(gòu)的位移值，從而從定量的角度評(píng)判地鐵結(jié)構(gòu)的安全性。由于在工況二中將位移清零，因此在工況三中地鐵結(jié)構(gòu)造成的位移即影響位移，既有地鐵區(qū)間隧道的XYZ三向位移如圖3所示。

圖3 施工階段既有隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行分析可知，由于新建隧道的開(kāi)挖引起2號(hào)線上浮4.05mm，水平最大位移1.84 mm，滿足地鐵集團(tuán)關(guān)于安保區(qū)內(nèi)工程變形控制指標(biāo)[4]的規(guī)定10 mm的要求，滿足廣東省標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中既有結(jié)構(gòu)安全控制值水平、豎向位移值15 mm的規(guī)定要求，滿足中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5](CJJ/T 202—2013)中安全控制指標(biāo)值的車站及隧道結(jié)構(gòu)水平、豎向位移控制值小于20mm的規(guī)定要求；對(duì)比水平方向位移，豎向位移較為明顯，為地鐵結(jié)構(gòu)的主要位移，因此此類工程施工期間需要對(duì)既有隧道的豎向位移加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)量，以保證施工的安全問(wèn)題。

2.2 運(yùn)營(yíng)階段既有隧道位移影響分析

運(yùn)營(yíng)階段既有地鐵區(qū)間隧道的位移變化情況如圖4所示。

圖4 運(yùn)營(yíng)階段既有隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

通過(guò)對(duì)圖4進(jìn)行分析可知，由于新建隧道運(yùn)營(yíng)后將引起既有隧道上浮3.74mm，水平最大位移0.64 mm，仍滿足相關(guān)要求；對(duì)比水平方向位移，既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的主要位移仍然為豎向位移。且較施工階段有所減小，這主要由于上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開(kāi)挖卸荷所造成的結(jié)構(gòu)影響。

2.3 既有隧道位移影響進(jìn)一步分析

根據(jù)以上分析可知，豎向位移為重點(diǎn)分析指標(biāo)，且影響主要集中在施工階段，現(xiàn)提取各計(jì)算步既有隧道豎向位移值，并繪制既有隧道的豎向位移時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 豎向位移時(shí)程曲線

通過(guò)對(duì)圖5進(jìn)行分析可知，從第五開(kāi)挖步開(kāi)始，即新建隧道下臺(tái)階開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，對(duì)既有隧道開(kāi)始產(chǎn)生影響，第36步之后即擬建項(xiàng)目拐出既有隧道上方時(shí)，影響基本消除，因此在新建隧道疊交上穿既有地鐵區(qū)間隧道施工時(shí)，從下臺(tái)階開(kāi)始施工到新建隧道遠(yuǎn)離與既有隧道的疊交影響區(qū)域，均需嚴(yán)格控制爆破方式，對(duì)既有隧道的豎向位移加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)反饋指導(dǎo)施工，并在遠(yuǎn)離疊交區(qū)域后可適當(dāng)?shù)胤艑捠┕た刂埔栽诎踩秶鷥?nèi)提高施工速度。

3 結(jié)論

(1)新建隧道的開(kāi)挖對(duì)既有隧道位移影響以豎向位移為主，上浮4.05mm，水平位移最大值為1.85mm，均滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)新建隧道運(yùn)營(yíng)期對(duì)既有隧道的位移影響仍以豎向位移為主，上浮3.74mm，水平位移最大值為0.64 mm，均滿足相關(guān)要求，且較施工階段有所減小，這主要由于上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開(kāi)挖卸荷所造成的結(jié)構(gòu)影響所致。

(3)新建隧道疊交上穿既有地鐵區(qū)間隧道施工時(shí)，從下臺(tái)階開(kāi)始施工到新建隧道遠(yuǎn)離與既有隧道的疊交影響區(qū)域，均對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的位移產(chǎn)生影響，需要對(duì)新建隧道施工加強(qiáng)控制，并對(duì)既有隧道的豎向位移加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋指導(dǎo)施工，保證施工安全。