大坡度小曲率盾構(gòu)施工對既有地鐵隧道的影響

于偉光

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著近年來我國地鐵隧道的大量興建，城市地鐵隧道施工面臨的施工環(huán)境越來越復(fù)雜，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)施工經(jīng)常需要下穿既有敏感地下結(jié)構(gòu)，以及盾構(gòu)施工線路在局部需要采用大坡度和小曲率半徑施工方式以滿足設(shè)計要求兩個方面。

針對大坡度及小曲率半徑隧道盾構(gòu)施工情況，魏綱等[1]考慮盾構(gòu)軸線與水平面的夾角，結(jié)合正面附加推力、盾殼摩擦力、附加注漿壓力和土體損失的共同作用，提出全新的盾構(gòu)隧道施工土體垂直變形計算公式。LAI H等[2]基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限差分?jǐn)?shù)值模擬，對大坡度盾構(gòu)隧道近距離小交角下穿施工既有隧道沉降特性進(jìn)行了研究，驗證了有限元結(jié)果的一致性。WENG X等[3]通過一系列離心模型試驗和數(shù)值模擬分析，研究了由隧道縱坡角和穩(wěn)態(tài)滲流引起的開挖面失穩(wěn)及開挖面的漸進(jìn)破壞機(jī)理。LI S等[4]結(jié)合曲線盾構(gòu)隧道施工特點，推導(dǎo)了由土體損失及施工荷載引起的地層豎向變形的計算公式，并研究了隧道曲率半徑對地層沉降的影響。唐曉武等[5]分析了小曲率半徑盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的土體沉降、水平變形和孔隙水壓力。

針對隧道盾構(gòu)施工下穿既有地鐵隧道情況，陳向陽等[6]對比分析了一系列縱向等效剛度的計算模型，并通過三維數(shù)值模擬研究盾構(gòu)下穿施工對上方既有隧道在不同計算模型下的沉降及受力的影響。曾鐵梅等[7]依托于武漢某隧道下穿工程進(jìn)行實例分析，基于所提出的PCBN模型進(jìn)行風(fēng)險分析和指標(biāo)相關(guān)性分析，確定工程的施工風(fēng)險狀態(tài)及與施工風(fēng)險相關(guān)性較高的關(guān)鍵風(fēng)險因素。來弘鵬等[8]結(jié)合實體工程，對盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了研究成果的可靠性。

當(dāng)盾構(gòu)施工采用大坡度小曲率半徑下穿既有地鐵隧道時，施工安全控制難度更大，問題更加復(fù)雜，而目前對該問題的研究尚不足。本文以鄭州軌道交通5號線為依托，分析了大坡度小曲率半徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道的情況。

1 工程背景

鄭州市軌道交通5號線某區(qū)間延長線下穿既有地鐵隧道線路。盾構(gòu)下穿處正線在上，出入線在下，立交線路平面夾角36.8°。其中正線區(qū)間覆土16 m，線路縱坡0.68%；出入線平面曲率半徑為450 m，線路縱坡2.982%，隧道間豎向凈距3.924 m，穿越地層主要為粉質(zhì)黏土層。既有正線隧道及新建出入線右線隧道半徑均為3.1 m，管片厚度為0.35 m，混凝土等級為C50。工程概況如圖1所示。

圖1 工程概況

2 有限元建模

2.1 模型及地層參數(shù)

根據(jù)計算經(jīng)驗，為了使模型邊界處的應(yīng)力不受到隧道開挖的影響，隧道中心線到垂直網(wǎng)格邊界的距離為4倍～5倍隧道直徑、從隧道中心點到底部邊界的距離應(yīng)為2倍～3倍隧道直徑。本文模型尺寸為長250 m，寬200 m，深50 m。網(wǎng)格在豎直邊界上限制水平位移，在底部邊界限制水平及豎向位移，頂端自由。為保證模型計算的準(zhǔn)確性，隧道部分模型網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募用芴幚恚鐖D2所示。

圖2 土體與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖

根據(jù)工程前期實際勘察及試驗結(jié)果，在本模型中地層分層情況及各參數(shù)見表1，并假定地下土層沿開挖方向分布均勻，且各土層性質(zhì)不隨開挖進(jìn)度變化而變化。

隧道及盾構(gòu)機(jī)參數(shù)見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)參數(shù)

盾構(gòu)所處土層自穩(wěn)能力較強(qiáng)、施工擾動較小時，可采用靜止土壓力進(jìn)行計算。本模型中盾構(gòu)機(jī)位于粉質(zhì)黏土層，土層粘聚力及內(nèi)摩擦角均較大，自穩(wěn)能力較強(qiáng)。根據(jù)靜止土壓力公式，在深度z處靜止土壓力為：

式（1）中，K0為靜止土壓力系數(shù)，一般取K0=1-sinφ′，φ′為土體有效內(nèi)摩擦角，°，本文中土層位于地下水位以上，故計算中取內(nèi)摩擦角，即φ′=φ，取值見表1；γ為土體重度，kN/m3，取值見表1；z為計算點埋深，m。

表1 土層參數(shù)

計算得隧道上表面土壓力為298.80 kPa,下表面土壓力為384.91 kPa。隧道掌子面壓力隨深度變化，增量為14 kPa/m。

盾構(gòu)注漿壓力應(yīng)略大于對應(yīng)地層位置靜止水土壓力，注漿壓力一般取0.1 MPa～0.35 MPa，因本文模型隧道埋深較深，故模型中注漿壓力取0.4 MPa，采用垂直增量方式，增量為20 kPa/m。

3 結(jié)果及分析

為了解隧道下穿不同階段既有隧道的變形情況，將隧道下穿過程分為4種不同工況，從而對隧道下穿不同開挖階段既有隧道豎向位移進(jìn)行分析。主要分析下穿施工前、穿越中、穿越后及完全穿越4種工況下，既有隧道在3個監(jiān)測斷面及既有隧道橫截面4個監(jiān)測點處的沉降變形,如圖3～圖4所示，其中Ⅱ—Ⅱ截面位于既有隧道軸線地表處，Ⅰ—Ⅰ及Ⅲ—Ⅲ截面距Ⅱ—Ⅱ截面均為5.1 m。

圖3 工況示意圖

圖4 地表沉降監(jiān)測斷面和隧道沉降監(jiān)測點

3.1 下穿施工前

在此階段，下穿隧道即將與既有隧道相交。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖5～圖6所示。在同種工況下既有隧道位移要大于對應(yīng)地表土體位移。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)接近既有隧道時，既有隧道頂部變形最大，底部沉降最小，由于盾構(gòu)曲率的影響，A，B兩點并未表現(xiàn)出對稱性，A點沉降略大于B點沉降。說明在開挖面到達(dá)既有隧道之前，隧道已經(jīng)開始發(fā)生變形，且靠近開挖面一側(cè)沉降更大，由于曲率和坡度的存在，沉降呈現(xiàn)明顯的非對稱性，隧道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。施工中應(yīng)提前對地表及隧道進(jìn)行監(jiān)控，防止監(jiān)控延后帶來的檢測值偏小的問題。

圖5 不同截面地表沉降曲線（工況一）

圖6 既有隧道豎向位移（工況一）

3.2 下穿施工中

在此階段，下穿隧道盾構(gòu)機(jī)位于既有隧道正下方。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖7～圖8所示。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)下穿既有隧道時，既有隧道底部D點變形最大，C點沉降最小，B點沉降與A點較為接近，由于盾構(gòu)曲率的影響，A，B兩點并未表現(xiàn)出對稱性，A點沉降明顯大于B點沉降。說明在開挖面到達(dá)既有隧道時，先開挖一側(cè)隧道沉降更大，同樣由于曲率和坡度的存在，沉降呈現(xiàn)明顯的非對稱性，隧道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。施工中應(yīng)重點監(jiān)控隧道底部。

圖7 不同截面地表沉降曲線（工況二）

圖8 既有隧道豎向位移（工況二）

3.3 下穿施工后

在此階段，盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出既有隧道下方，盾尾管片繼續(xù)拼裝，直至開挖完成。不同截面地表沉降曲線及既有隧道的豎向變形曲線如圖9～圖10所示。在同種工況下既有隧道位移要大于對應(yīng)地表土體位移。隨著隧道施工的推進(jìn)，既有隧道及周圍土體變形不斷增長，隧道最大變形區(qū)域也不斷推進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)脫離既有隧道時，既有隧道底部D點變形最大，C點沉降最小，B點沉降與C點較為接近，由于盾構(gòu)曲率的影響，A，B兩點并未表現(xiàn)出對稱性，A點沉降明顯大于B點沉降。說明在穿越既有隧道后，先開挖一側(cè)隧道沉降更大，同樣由于曲率和坡度的存在，沉降呈現(xiàn)明顯的非對稱性，隧道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。施工中應(yīng)重點監(jiān)控隧道底部。

圖9 不同截面地表沉降曲線（工況三）

圖10 既有隧道豎向位移（工況三）

3.4 完全穿越后

圖11為新建隧道開挖完成后不同截面地表沉降曲線，完全穿越后，截面處地表沉降逐漸呈現(xiàn)出對稱性。圖12為新建隧道開挖完成后既有隧道水平兩側(cè)拱腰（A，B）及拱頂(C)拱底（D）處豎向位移變形曲線。從A，B曲線上看，在交叉區(qū)（75 m）前右側(cè)拱腰處沉降值要大于左側(cè)拱腰處沉降值，而交叉區(qū)后左側(cè)拱腰處沉降值開始大于右側(cè)拱腰處沉降值，說明在隧道掘進(jìn)過程中既有隧道發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)變形最大值位于下穿區(qū)。從C，D曲線上看，既有隧道拱頂處沉降最小、拱底處沉降最大，且大于兩側(cè)拱腰處最大沉降值，說明既有隧道在新建隧道開挖過程中同時受到底部隧道及兩側(cè)土體的的擠壓，隧道襯砌向內(nèi)變形，整體變?yōu)榇怪睓E圓形。說明在完全穿越既有隧道后，兩側(cè)隧道沉降逐漸接近，曲率半徑的影響逐漸減弱，坡度的影響不變，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減弱。同樣施工中應(yīng)重點監(jiān)控隧道底部位置。

圖11 不同截面地表沉降曲線（完全穿越后）

圖12 既有隧道豎向位移（完全穿越后）

4 結(jié)論

本文以鄭州市軌道交通5號線某區(qū)間延長線下穿既有地鐵隧道線路為工程背景，研究大坡度小曲率半徑隧道盾構(gòu)下穿施工對既有隧道的影響問題，得到以下結(jié)論。

1）通過分別對下穿施工前到完全穿越共4種工況的計算分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著盾構(gòu)施工的推進(jìn)，隧道沉降值逐漸增大，施工中應(yīng)該分階段控制隧道沉降。

2）新建隧道的施工，導(dǎo)致既有隧道斷面底部沉降最大，頂部沉降最小，同時由于曲率的影響，兩側(cè)沉降呈現(xiàn)出不對稱的情況，靠近盾構(gòu)掘進(jìn)面的位置沉降較大，說明沉降監(jiān)測應(yīng)重點關(guān)注隧道底部和兩側(cè)。

3）大坡度小曲率半徑隧道在完全穿越前，由于隧道曲率的影響，導(dǎo)致的隧道斷面沉降出現(xiàn)不對稱的情況，隧道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，完全穿越后，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減弱。