地鐵暗挖隧道鄰近既有運營盾構(gòu)區(qū)間施工變形影響研究

張劍濤， 馬 靜

(1. 北京環(huán)安工程檢測有限責任公司， 北京 100082； 2. 北京市市政專業(yè)設計院股份公司， 北京 100037)

0 引言

為解決城市交通擁堵問題，大量的地鐵投入運營，眾多交叉、平行的地鐵線路密布于城市地下空間內(nèi)部。在既有地鐵運營區(qū)間鄰近區(qū)域內(nèi)進行新建地鐵車站及隧道施工越來越多的涌現(xiàn)。新建地鐵車站及隧道施工形成了一系列復雜的卸荷、加載過程，對處于運營狀態(tài)的區(qū)間隧道產(chǎn)生了重要影響。

不少學者對該問題進行了研究，為既有運營隧道的保護提供大量的有益經(jīng)驗。李立云等[1]、陳方[2]、田帥[3]、馬靜[4]等對基坑開挖卸荷施工過程中，運營盾構(gòu)區(qū)間的變形特性、應力分布規(guī)律等進行了研究； 鄭世杰等[5]、鞏立青[6]、張興麗等[7]、鄧碧等[8]針對平行隧道施工過程中，涉及上軟下硬復合地層、粉砂地層、軟土地層等多種工程地質(zhì)條件進行了研究； 白雪峰等[9]對基于兩階段分析方法研究預測平行雙洞隧道開挖引起上方已建隧道的縱向變形的簡化解析方法； 矯永剛[10]以濱海軟土地層中盾構(gòu)隧道平行上穿既有隧道為背景，研究了盾構(gòu)隧道施工頂推力對周邊地層及其內(nèi)部既有隧道受力變形的影響； 周巧玲等[11]利用有限差分程序，模擬在近場強震作用下雙孔并行地鐵隧道的地震響應，分析其相對位移差峰值、水平向加速度峰值、水平向應力峰值隨埋深及隧道間距徑比變化而變化的特性； 趙鵬[12]、姜葉翔[13]等研究了新建隧道施工過程中，既有隧道的變形控制技術(shù)，研究成果涉及注漿預加固、砂袋反壓回填、二襯跳槽施作以及短段施工等多種技術(shù)。

圖 1 地鐵暗挖通道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置平面圖(m)Fig.1 The plane map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(m)

綜上所述，現(xiàn)有成果集中于研究基坑、隧道施工過程中鄰近盾構(gòu)區(qū)間的變形響應規(guī)律、應力分布特征、地震響應、變形控制技術(shù)等內(nèi)容，較少涉及地鐵運營區(qū)間軌道幾何形位的變化特性。對于在地鐵運營區(qū)間側(cè)方近距離進行暗挖隧道施工所引起的隧道結(jié)構(gòu)變形、運營區(qū)間軌道幾何形位變化的研究就更少了，缺乏可供推廣的研究成果。

基于此，本文以太原某典型地鐵暗挖隧道近距離平行穿越盾構(gòu)區(qū)間為例，應用數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了地鐵暗挖隧道施工過程中，鄰近運營區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形特性。

1 工程概況

太原某新建地鐵車站位于城市核心區(qū)，其附屬結(jié)構(gòu)包含1條主通道(分為明挖段和暗挖段2部分)和3個出入口(4B出入口、4C出入口和4D出入口)，為保證4D出入口的正常運營，在4C和4D出入口之間設置一連接通道，即4號出入口主通道暗挖段。該暗挖隧道采用“CD”法施工，結(jié)構(gòu)為單跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，初期支護結(jié)構(gòu)凈高5.62～6.46m，凈寬8.3m，初期支護結(jié)構(gòu)厚度0.30m，臨時中隔壁厚度0.25m，拱頂覆土厚度約4.18m。地鐵暗挖隧道主要位于黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土及中砂層。地鐵暗挖隧道西側(cè)存在一盾構(gòu)區(qū)間主線，該盾構(gòu)區(qū)間已于2020年12月底投入運營，盾構(gòu)區(qū)間拱頂埋深在10.1～17.8m，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)主要經(jīng)過粉土、粉細砂，隧道圍巖分級為Ⅵ級。盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑6.2m左右，采用板形鋼筋混凝土管片，管片襯砌混凝土強度等級為C50、抗?jié)B等級為P10。地鐵暗挖隧道與盾構(gòu)區(qū)間水平距離約為2.83m，地鐵暗挖隧道結(jié)構(gòu)底板距離盾構(gòu)區(qū)間頂部距離約為2.02m。地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置平面如圖 1所示，地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置剖面如圖 2所示。

圖 2 地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置剖面圖(mm)Fig.2 The profile map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(mm)

圖 3 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Finite element model mesh generation

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件進行數(shù)值計算分析，著重分析暗挖通道施工過程中，既有運營盾構(gòu)隧道及其內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)的變形特性。為充分考慮暗挖隧道左右兩側(cè)出入口及施工進尺對計算結(jié)果的影響，須建立三維有限元模型進行計算分析。綜合考慮暗挖隧道及盾構(gòu)區(qū)間埋深、幾何尺寸、地基土性質(zhì)等的影響，數(shù)值計算模型土體部分尺寸為300m×180m×60m(長×寬×高)，滿足忽略邊界效應的要求。整體模型網(wǎng)格劃分如圖 3a所示，暗挖隧道、盾構(gòu)區(qū)間及出入口部分網(wǎng)格劃分如圖 3b 所示。

2.2 模型材料參數(shù)設定

數(shù)值計算模型中，地基土體選用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型，以最大限度弱化因隧道開挖應力釋放所導致的回彈效應影響。土體參數(shù)依據(jù)對應的工程勘察報告選取。既有運營盾構(gòu)隧道管片、暗挖通道初期支護及臨時中隔壁采用板單元模擬，彈性本構(gòu)模型； 暗挖通道二次襯砌、地鐵車站出入口采用實體單元模擬，彈性本構(gòu)模型； 盾構(gòu)隧道鋼軌采用梁單元模擬，彈性本構(gòu)模型。計算模型物理力學計算參數(shù)詳見表 1。

表 1 計算模型物理力學計算參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of calculation model

2.3 施工工況模擬

數(shù)值計算中，施工步序設置應如實反映施工現(xiàn)場情況。參考施工圖及施工組織設計，地鐵暗挖通道施工步序如下：

圖 4 計算點布置圖(mm)Fig.4 Layout of observation points(mm)

(3)常年排煙溫度在220 ℃左右，未能進行有效的熱回收，而從醫(yī)院了解的情況看，蒸汽冷凝水的回收率亦未達到標準規(guī)定的60%的要求；

(2)激活“盾構(gòu)區(qū)間、地鐵暗挖通道、4C及4D號出入口”結(jié)構(gòu)模型，并再次將位移場清零，保留應力場；

(3)地鐵暗挖通道管棚施工；

(4)定義地鐵暗挖通道“CD”法動態(tài)施工步序，每個施工進尺定義為4m；

(5)依次循環(huán)第(4)步，直至開挖完成；

(6)地鐵暗挖通道二襯結(jié)構(gòu)施工；

(7)計算分析及后處理。

3 計算點布置與變形控制標準

3.1 計算點布置

圖 5 暗挖通道周圍土體位移云圖(mm)Fig.5 Displacement cloud map of soil around the underground bored tunnel(mm)

3.2 變形控制標準

注：徑向坐標表示位移，單位：mm； 環(huán)向坐標表示監(jiān)測點編號。圖 6 盾構(gòu)區(qū)間位移分布雷達圖Fig.6 Radar diagram of the displacement distribution of the shield section

4 計算結(jié)果與分析

4.1 地鐵暗挖隧道周圍土體變形分析

暗挖通道貫通后，周圍土體位移云圖如圖 5所示。分析圖 5可知，暗挖通道上方地表沉降呈非對稱“U型”分布，影響范圍約為1倍埋深，影響角約45°，沉降最大點為暗挖通道正上方； 盾構(gòu)隧道右線位于通道底部土體回彈隆起范圍內(nèi)，產(chǎn)生朝向暗挖通道所在位置的豎向位移和水平位移。暗挖通道正上方全跨范圍內(nèi)土體沉降量較大，未出現(xiàn)“土拱現(xiàn)象”，分析原因可知，暗挖通道拱頂覆土厚度約為8.27m、跨度約為8.30m，覆跨比接近1︰1，不存在起拱條件。

4.2 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)變形分析

提取盾構(gòu)區(qū)間中部斷面監(jiān)測點F1～F9位移分布雷達圖如圖 6所示。分析圖 6可知，隨著暗挖隧道施工的進行，盾構(gòu)區(qū)間豎向逐步累積，且呈上浮趨勢，盾構(gòu)區(qū)間頂部、靠近暗挖隧道一側(cè)(計算點F1、F10、F9所在位置)豎向位移較大，最大豎向位移位于計算點F1所在位置，約為3.0mm； 水平位移朝向暗挖隧道所在位置，靠近暗挖隧道一側(cè)(計算點F10、F9、F8所在位置)水平位移較大，最大水平位移出現(xiàn)在計算點F9所在位置，約為4.8mm。綜合盾構(gòu)區(qū)間豎向位移及水平位移的變化特點可知，隨著暗挖隧道施工的進行，盾構(gòu)區(qū)間發(fā)生朝向暗挖隧道所在位置的扭轉(zhuǎn)。地鐵暗挖通道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移均小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)[14]所規(guī)定的變形控制值。

提取地鐵暗挖隧道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間A1～K1計算點豎向位移如圖 7所示； 盾構(gòu)區(qū)間A9～K9、A3～A9計算點水平位移如圖 8所示。隨著地鐵暗挖隧道施工的推進，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移逐步累加，最終呈“弓”型對稱分布，最大豎向位移及水平位移均出現(xiàn)在盾構(gòu)區(qū)間中部位置。

圖 7 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移Fig.7 Vertical displacement of the shield section structure

圖 8 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移Fig.8 Horizontal displacement of the shield section structure

圖 9 盾構(gòu)區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)豎向位移Fig.9 Vertical displacement of the track structure in shield section

圖 10 盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測斷面布置圖(m)Fig.10 Layout of the monitoring section of shield section(m)

圖 11 盾構(gòu)區(qū)間豎向位移監(jiān)測結(jié)果Fig.11 Vertical displacement monitoring results of shield section

圖 12 盾構(gòu)區(qū)間水平位移監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Horizontal displacement monitoring results of shield section

4.3 軌道結(jié)構(gòu)幾何形位分析

地鐵暗挖隧道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間道床位置A-G1～K-G1、A-G2～K-G2計算點豎向位移如圖 9a、9b所示； 軌道兩側(cè)橫向高差如圖 9c所示。分析圖 9可知，地鐵暗挖隧道施工過程中，區(qū)間隧道軌道結(jié)構(gòu)豎向位移呈“弓”型對稱分布，靠近暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)(計算點A-G1～K-G1所在位置)上浮量較大，最大上浮量約為3.2mm； 遠離暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)(計算點A-G2～K-G2所在位置)上浮量較小，最大上浮量約為2.4mm。盾構(gòu)區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)橫向高差最大值約為0.80mm，滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202-2013)[15]表B.0.2關于城市軌道交通結(jié)構(gòu)軌道橫向高差的相關規(guī)定(<2mm)。

5 軌道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 監(jiān)測點布置圖

地鐵暗挖隧道施工過程中(2020年9月14日—2021年6月30日)，采用TM50全站儀及其配套的硬軟件設施對盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形進行了動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測斷面布置如圖 10所示，每個監(jiān)測斷面布置3個監(jiān)測點，中部監(jiān)測點位于管片左右兩側(cè)位置，底部監(jiān)測點位于道床位置。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

數(shù)值計算所得盾構(gòu)區(qū)間及軌道結(jié)構(gòu)最大變形量略大于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，二者變化規(guī)律高度相似，在對數(shù)值計算結(jié)果準確性進行驗證的同時，可有效彌補現(xiàn)場監(jiān)測點不夠密集的缺陷，進一步揭示其變形特征。

2020年11月1日至12月15日，采用注漿方式對暗挖隧道施工范圍內(nèi)的土體進行了加固，在此過程中，各監(jiān)測點變形值發(fā)生明顯波動，最大豎向位移接近4.0mm，最大水平位移接近8mm； 隨著注漿壓力的消散，盾構(gòu)區(qū)間變形逐步恢復； 漿液固化完成，土體強度增加，盾構(gòu)區(qū)間后期變形相對穩(wěn)定，變形控制值及變化速率均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB￣￣50911-2013)[14]的相關規(guī)定。

6 結(jié)論與討論

本文以太原某地鐵暗挖隧道鄰近既有運營盾構(gòu)區(qū)間施工為例，應用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了地鐵暗挖隧道施工過程中，既有運營盾構(gòu)區(qū)間的變形特性。主要結(jié)論包括以下4點：

(1)地鐵暗挖通道上方地表沉降呈非對稱“U型”分布，影響范圍約為1倍埋深，影響角約45°，沉降量較大位置集中于暗挖通道正上方。

(2)隨著地鐵暗挖隧道施工的推進，盾構(gòu)區(qū)間及軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移及水平位移逐步累加，最終呈“弓”型對稱分布，最大豎向位移及水平位移均出現(xiàn)在盾構(gòu)區(qū)間中部位置； 靠近暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)上浮量較大，遠離暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)上浮量較小，此時，應重點關注軌道結(jié)構(gòu)橫向高差的變化。本工程中地鐵暗挖通道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移、水平位移、差異沉降及軌道變形均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202-2013)的相關要求。

(3)暗挖隧道位于盾構(gòu)區(qū)間的側(cè)方，且二者在豎向范圍內(nèi)有所重合時，盾構(gòu)區(qū)間除發(fā)生常規(guī)豎向位移及水平位移外，還會產(chǎn)生一定量的扭轉(zhuǎn)變形。

(4)注漿加固作業(yè)施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移均會發(fā)生較大的波動，隨著注漿壓力的消散，盾構(gòu)區(qū)間的位移量會逐步恢復，此過程中，在加密監(jiān)測的同時，要密切管片接縫位置的漏漿情況及道床表面的開裂情況。