盾構(gòu)隧道下穿既有市政隧道數(shù)值模擬分析

崔玳琿（中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)程度的不斷加大，新建地鐵線(xiàn)路不可避免的需要穿越既有建構(gòu)筑，對(duì)盾構(gòu)隧道施工提出了較高的變形要求。如控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，如何保證盾構(gòu)隧道穿越時(shí)建（構(gòu)）筑物的穩(wěn)定，是盾構(gòu)法施工面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。

學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工下穿既有建筑物做了一些研究。楊志勇等[2]介紹了盾構(gòu)上跨施工控制措施并結(jié)合施工參數(shù)控制情況對(duì)上跨措施的效果進(jìn)行分析。徐朝輝[3]結(jié)合北京地鐵 10 號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)下穿建筑物工程，介紹了盾構(gòu)機(jī)改造、渣土改良、掘進(jìn)參數(shù)控制、加注新型回填材料、工后處理等技術(shù)措施。劉建友等[4]為了合理制定隧道下穿高速鐵路的變形控制標(biāo)準(zhǔn),采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析等方法,對(duì)高速鐵路軌道、扣件及路基的相互作用關(guān)系開(kāi)展研究,提出高速鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定方法。

本文結(jié)合工程實(shí)際，利用三維有限元模擬分析，并通過(guò)關(guān)鍵盾構(gòu)參數(shù)控制研究，達(dá)到下穿沉降控制效果要求，可為今后類(lèi)似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 環(huán)站南路的隧道概況

環(huán)站南路隧道沿環(huán)站南路敷設(shè)，下穿東寧路、鐵路、鐵西路路，全長(zhǎng) 827 m（含鐵路段 218.4 m），按雙向 4 車(chē)道設(shè)計(jì)，為城市次干道，設(shè)計(jì)車(chē)速 50 km/h。

環(huán)站南路市政段主通道橫斷面采用矩形框架或 U 形槽。設(shè)計(jì)道路最大縱坡 4.9%，最小豎曲線(xiàn)半徑凸曲線(xiàn)半徑R≥1 000 m，凹曲線(xiàn)半徑 R≥1 000 m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。在地道內(nèi)為盡量減少地道埋深同時(shí)又兼顧排水采用 0.3% 的縱坡。沿縱向每 15 m設(shè)置一道變形縫，并在變形縫位置設(shè)置抗剪措施。

環(huán)站南路隧道在里程 K0＋664 位置下穿東寧路。此處隧道埋深約 1.4 m，頂板厚度 0.9 m，底板埋深約 9.5 m，底板厚度 1.2 m，側(cè)墻厚度 1.0 m。采用放坡＋工法樁方式開(kāi)挖基坑。

1.2 地鐵結(jié)構(gòu)與市政建筑物相互關(guān)系

杭州機(jī)場(chǎng)軌道快線(xiàn)工程火車(chē)東站站～合建匯合點(diǎn)自明挖區(qū)間盾構(gòu)井始發(fā)，沿東寧路北側(cè)敷設(shè)，下穿環(huán)站南路隧道。環(huán)站南路隧道每個(gè)結(jié)構(gòu)段設(shè)兩排各 5 根 φ 800 抗拔樁，區(qū)間拱頂距離環(huán)站南路隧道底部抗拔樁約 1.0 m，距離 φ 800 立柱樁約 9.0 m。隧道埋深約為 34.0 m。此處盾構(gòu)所處地層為12-2 含礫中砂層。

1.3 水文地質(zhì)條件

環(huán)站南路隧道所處地層地下水位在0.6～4.7 m，淺層地下水水位年變幅1.0～2.0 m。承壓水主要分布12-2 含礫中砂、12-4 圓礫等地層中，6-1、6-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為隔水層。

2 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模型

2.1 計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算斷面選取杭州機(jī)場(chǎng)線(xiàn)火合區(qū)間右線(xiàn)K 3 3 ＋105.327～K33＋146.503，左線(xiàn) K33＋108.009～K33＋149.335 處。地層為含礫中砂和粉質(zhì)黏土地層，盾構(gòu)隧道埋深為 22.5 m，凈距為 10 m。地層土性參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 地層土性參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型

杭州地鐵機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)火車(chē)東站站～合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道、環(huán)站南路隧道主體結(jié)構(gòu)等均考慮了主要影響區(qū)范圍并按照實(shí)際情況建模。

火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道、環(huán)站南路隧道頂板、底板、側(cè)墻、中隔墻、倒虹吸井、通水通道等均采用板單元模擬；隧道下、倒虹吸下樁采用梁?jiǎn)卧M。管片及環(huán)站南路隧道主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用彈性模型模擬，參數(shù)見(jiàn)表 2。模型單元個(gè)數(shù)約 129 178 個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)約73 012 個(gè)。圖 1 為盾構(gòu)區(qū)間與環(huán)站南路隧道位置關(guān)系

表2 管片及隧道主體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與環(huán)站南路隧道位置關(guān)系

2.3 計(jì)算階段設(shè)置

計(jì)算步驟如下：

（1）初始應(yīng)力狀態(tài)，環(huán)站南路隧道施工完成后的地層應(yīng)力分布，生成初始地應(yīng)力。

（2）位移清零。

（3）火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道左線(xiàn)開(kāi)挖。

（4）火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道左線(xiàn)施加管片結(jié)構(gòu)。

（5）火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道右線(xiàn)開(kāi)挖。

（6）火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道右線(xiàn)施加管片結(jié)構(gòu)。

隧道施工模擬分為兩個(gè)階段：①隧道開(kāi)挖不施加襯砌，進(jìn)行應(yīng)力釋放；②施加隧道襯砌。隧道應(yīng)力釋放數(shù)值通過(guò)地層損失率達(dá)到 0.5% 左右控制。

2.4 盾構(gòu)隧道施工完成后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道左線(xiàn)施工完成后，環(huán)站南路隧道樁體的最大豎向變形2.4 mm，最大水平變形 0.62 mm，滿(mǎn)足變形控制要求。

火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道右線(xiàn)施工完成后，環(huán)站南路隧道的最大豎向變形 3.2 mm，最大水平變形0.78 mm，滿(mǎn)足變形控制要求。

火車(chē)東站站—合建匯合點(diǎn)區(qū)間盾構(gòu)隧道施工引起環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，典型斷面的內(nèi)力數(shù)值如表 3所示。

表3 環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力表

盾構(gòu)隧道施工引起環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，根據(jù)既有隧道結(jié)構(gòu)鋼筋配置情況，盾構(gòu)穿越后環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)配筋和裂縫均滿(mǎn)足控制要求。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及對(duì)比分析

施工過(guò)程中在火合區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越環(huán)站南路隧道期間在環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)上布點(diǎn)進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)，底板處左右線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工完成 30 d 后累計(jì)沉降值監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 環(huán)站南路隧道底板沉降對(duì)比

圖 2 中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，盾構(gòu)隧道施工對(duì)環(huán)站南路的影響實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果曲線(xiàn)規(guī)律一致。數(shù)值模擬最大沉降值比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略大，隧道最大沉降值點(diǎn)均位于右線(xiàn)隧道附近。這是由于環(huán)站南路靠近左線(xiàn)隧道以及倒虹吸井處設(shè)置有樁基起到了支撐作用，有效減小了隧道上方土體的沉降變形對(duì)有樁基段的結(jié)構(gòu)變形的影響。本工程施工過(guò)程平穩(wěn)順利，實(shí)測(cè)累計(jì)最大沉降值 -3.03 mm，現(xiàn)場(chǎng)巡查環(huán)站南路隧道及路面結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

3 盾構(gòu)穿越既有隧道的施工措施

本工程施工過(guò)程中采取了以下施工措施：

（1）工程開(kāi)工前，對(duì)環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，確定其安全狀態(tài)。工程完成后，再次對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，判定結(jié)構(gòu)是否安全及是否需采取加固措施；穿越前做好安全鑒定、保留好原始影像資料，做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置工作。對(duì)于區(qū)間穿越前已存在的隧道病害，需在保留原始資料的基礎(chǔ)上密切關(guān)注，待區(qū)間通過(guò)后進(jìn)行修復(fù)。

（2）根據(jù)環(huán)站南路隧道竣工圖進(jìn)一步核實(shí)隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、立柱樁的定位、樁長(zhǎng)以及抗拔樁形式與樁長(zhǎng)，保證區(qū)間隧道順利通過(guò)市政隧道。

（3）盾構(gòu)在下穿隧道之前，在類(lèi)似地層中進(jìn)行盾構(gòu)試推進(jìn)，試驗(yàn)段長(zhǎng)度 ≥100 m。掌握盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)與地面沉降之間的關(guān)系。以保證地面的安全。試驗(yàn)段推進(jìn)速度控制在 2 cm/min 左右,盾構(gòu)隧道施工地層損失率 ≤5‰。

（4）以往工程經(jīng)驗(yàn)表明，盾構(gòu)隧道非正常掘進(jìn)的故障和事故導(dǎo)致地層大量損失或地下水位下降是導(dǎo)致建構(gòu)筑物沉降、傾斜、開(kāi)裂的主要原因。因此在穿越前應(yīng)做好檢修、保養(yǎng)等工作，避免在穿越過(guò)程中停機(jī)，確保盾構(gòu)勻速連續(xù)掘進(jìn)穿越環(huán)站南路隧道范圍。

（5）區(qū)間左右線(xiàn)不得同步推進(jìn)，前后距離宜按 100 環(huán)以上控制，避免同時(shí)影響橋梁。

（6）穿越環(huán)站南路隧道范圍區(qū)間管片上增設(shè)注漿孔，施工過(guò)程中做好同步注漿及二次補(bǔ)充注漿工作，以控制工后沉降。

（7）施工期前補(bǔ)充專(zhuān)項(xiàng)施工方案，完善應(yīng)急預(yù)案，對(duì)環(huán)站南路隧道結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并定期進(jìn)行巡查，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果信息化指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保市政設(shè)施安全。市政隧道沉降控制值建議按如下要求設(shè)置：?jiǎn)稳粘两? mm，累計(jì)沉降 8 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)值達(dá)到控制值 60% 啟動(dòng)預(yù)警，達(dá)到控制值的 80% 時(shí)進(jìn)行報(bào)警，暫停施工，并通知參建各方共同針對(duì)隧道保護(hù)進(jìn)行洽商。

（8）盾構(gòu)施工參數(shù)建議如下。

①土壓設(shè)定：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土壓力的設(shè)定是關(guān)鍵，可按下式進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，如式（1）所示。

式中：P0—平衡壓力（包括地下水）；

H—隧道埋深，m；

γ—土體的平均重度，kN/m3;

q—地面超載，kPa；

k0—土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，取 0.6～0.8。推進(jìn)出土量：控制在 98%～100% 之間。推進(jìn)速度：宜控制在 35～50 mm/min。②刀盤(pán)扭矩。設(shè)計(jì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為 1.2～1.5 rpm，無(wú)級(jí)、可調(diào)，推力根據(jù)所處地層不同情況采用 14 000～18 000 kN。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速=掘進(jìn)速度/刀具貫入度。在黏土層、淤泥質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)，尤其是穿越構(gòu)建筑物時(shí)，關(guān)鍵是要穩(wěn)定開(kāi)挖面，合理控制刀盤(pán)扭矩，避免渣土堆積在刀盤(pán)面板和土倉(cāng)內(nèi)，受到長(zhǎng)期擠壓失水后形成泥餅。為了增強(qiáng)渣土的流塑性、減小渣土的粘附性，在掘進(jìn)過(guò)程中可注入泡沫來(lái)改良土體。

③注漿填充。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)充填足量的漿液材料。充填注漿參數(shù)（漿液配比、注漿量、注漿壓力及注漿時(shí)機(jī)等）根據(jù)地質(zhì)條件確定。所拌制的同步漿液應(yīng)滿(mǎn)足泵送要求。漿液稠度建議控制在 10～11 cm，密度控制值1.75±0.5 g/cm3。同時(shí)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行壁后二次補(bǔ)漿，確保周邊建構(gòu)筑安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了盾構(gòu)穿越對(duì)環(huán)站南路隧道的變形和受力影響。得出地層損失率為0.5% 左右的情況下盾構(gòu)施工對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響在相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi)。盾構(gòu)穿越既有建構(gòu)筑物的關(guān)鍵是控制地層損失率，減小對(duì)地層的擾動(dòng)。同時(shí)，總結(jié)了本工程盾構(gòu)施工成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)盾構(gòu)穿越過(guò)程中的施工措施及盾構(gòu)控制參數(shù)提出了一些建議，可對(duì)類(lèi)似盾構(gòu)穿越工程施工提供參考。