淺埋盾構(gòu)隧道上跨既有運(yùn)營隧道施工影響分析

陳家財(cái)，趙為磊，王啟濤

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

隨著城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵線網(wǎng)越發(fā)復(fù)雜。新建線路勢必要跨越既有的地鐵隧道，形成了多線疊交的復(fù)雜工況。當(dāng)新建隧道從既有隧道上方跨越時(shí)，將造成既有隧道周圍土體的二次擾動，并且對既有隧道的變形產(chǎn)生影響。研究新建盾構(gòu)隧道上跨工程中既有隧道的變形機(jī)理，從而預(yù)測既有隧道變形并采取控制措施，具有十分重要的理論研究和現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

以青島地鐵6 號線富春江路站-錢塘江路站上跨1 號線右線工程項(xiàng)目為背景，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 模擬盾構(gòu)施工過程，探究施工過程中新建盾構(gòu)隧道對既有隧道變形的影響，從而更好地指導(dǎo)了施工過程并為該類施工提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

青島市地鐵6 號線富春江路站至錢塘江路站右線上跨1 號線右線，跨越段里程為：YDK34+882.120～YAK10+737.707，此時(shí)盾構(gòu)的拱頂覆土約5.3m，覆土較淺，為Ⅱ級自身風(fēng)險(xiǎn)工程，跨越區(qū)間的土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

隧道盾構(gòu)施工時(shí)，地鐵6 號線右線上跨運(yùn)營中的地鐵1 號線，形成新建盾構(gòu)隧道上跨已有地鐵隧道的特殊工況，盾構(gòu)與1 號線隧道豎向凈距約1.5m，并且1 號線與6 號線區(qū)隧道的斷面分別為馬蹄形斷面和圓形斷面。新建地鐵6 號線與1號線位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與地鐵1號線位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)兩條地鐵隧道之間的相對位置，采用有限元軟件ABAQUS 對新建盾構(gòu)隧道上跨施工進(jìn)行了有限元分析，研究了盾構(gòu)施工對既有隧道的變形影響。綜合考慮開挖范圍以及邊界效應(yīng)，模型尺寸選為50m×30m×50m（長×寬×高），計(jì)算模型包含了169 885 個(gè)單元（圖2）。

圖2 計(jì)算模及整體單元網(wǎng)格劃分圖

盾構(gòu)施工開始時(shí)既有隧道和巖土體在重力的作用下均已完成固結(jié)沉降，因此可以認(rèn)為施工過程中產(chǎn)生的沉降完全是由于新建隧道對巖土體的擾動產(chǎn)生的。新建隧道的盾構(gòu)開挖以及注漿漿液的硬化過程在ABAQUS 中通過單元生死和彈性模量軟化法來實(shí)現(xiàn)。既有隧道以及盾構(gòu)隧道與周圍巖土之間的接觸采用面面接觸，考慮混凝土與周圍巖石之間的滑移與分離。土體和管片僅采用C3D8R 單元進(jìn)行模擬，土的本構(gòu)關(guān)系選用摩爾庫倫模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見參考文獻(xiàn)[5]～[7]。開挖模擬步驟如圖3 所示。

圖3 開挖模擬步驟示意圖

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 地層變形結(jié)果

本文重點(diǎn)研究盾構(gòu)施工對既有隧道的影響，為了更加直觀的研究分析分別取存在既有隧道和不存在隧道的地層研究，監(jiān)測盾構(gòu)施工對上述地層的沉降的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。以模型中心所在平面為監(jiān)測斷面D，中心線位置為橫坐標(biāo)，Z 方向產(chǎn)生的沉降量為縱坐標(biāo)。分別繪制盾構(gòu)施工對地表以及盾構(gòu)施工隧道下表面以下0.75m 處，即既有隧道與盾構(gòu)隧道之間土層的沉降影響如圖5 所示。

圖4 盾構(gòu)施工完成后沉降云圖

圖5 盾構(gòu)施工對地表沉降影響

分析圖4、圖5 可知，當(dāng)監(jiān)測斷面左線施工完成時(shí)在監(jiān)測斷面D 處產(chǎn)生了較小的擾動，這是由于在盾構(gòu)施工前本工程預(yù)先對盾構(gòu)區(qū)間段做了加固處理，如圖1 陰影部分所示。當(dāng)監(jiān)測斷面右線施工完成后，地表產(chǎn)生微小沉降，沉降量最大出現(xiàn)在中心線處約0.05mm，并且與沉降中心線距離越遠(yuǎn)，沉降值越小，沉降規(guī)律符合Peck 曲線特征，曲線呈“V”型。圖5 呈現(xiàn)倒“V”型曲線，是由于監(jiān)測斷面右線施工時(shí)，上覆土層被挖去但由于浮力總用產(chǎn)生了微小的隆起，最大隆起量出現(xiàn)在中心線處約0.14mm。

綜上所述，本項(xiàng)目產(chǎn)生的沉降以及隆起量均時(shí)微小的這是由于盾構(gòu)隧道以及既有隧道均是建造在凝灰?guī)r中具有良好的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致的。

2.2.2 既有隧道變形結(jié)果

盾構(gòu)施工勢必會對下部既有隧道的變形產(chǎn)生影響，對所建立模型沿盾構(gòu)施工方向提取沉降數(shù)據(jù)，分別取第3、7 和13 號管片，分析整個(gè)盾構(gòu)施工開挖過程對監(jiān)測管片沉降的影響，施工對既有隧道頂部及底部的沉降如圖6、圖7 所示。

圖6 隧道頂部沉降

圖7 隧道底部沉降

1 號線所處土層凝灰?guī)r具有較大的剛度，上部盾構(gòu)施工對既有隧道底部最大沉降僅有0.043mm 左右的沉降，從圖6 中清晰看到，盾構(gòu)施工至相應(yīng)監(jiān)測管片處既有隧道頂部會產(chǎn)生較明顯的沉降增量，待施工繼續(xù)進(jìn)行這一增量也逐漸減小，即盾構(gòu)施工所產(chǎn)生的擾動也相應(yīng)減小。

3 結(jié)論

1）對于盾構(gòu)施工上跨既有隧道的工況，在上跨區(qū)域的既有隧道頂部會產(chǎn)生豎向的沉降，且沉降曲線呈“V”型分布。

2）對于盾構(gòu)施工上跨既有隧道的工況，盾構(gòu)施工至相應(yīng)監(jiān)測管片處既有隧道頂部會產(chǎn)生較明顯的沉降增量，待施工繼續(xù)進(jìn)行這一增量也逐漸減小，即盾構(gòu)施工所產(chǎn)生的擾動也相應(yīng)減小。