礦山法隧道小距離上跨既有盾構(gòu)區(qū)間安全防護(hù)技術(shù)研究

李紅巖

（徐州地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

隨著城市軌道交通線網(wǎng)體系不斷完善，新建線路與既有線路交叉重疊的情況不可避免。穿越工程對既有線安全運(yùn)營及新建線的施工安全均有重要影響。新建礦山法隧道上跨既有盾構(gòu)隧道作為一類典型問題，國內(nèi)外學(xué)者開展大量的研究。賀美德[1]通過數(shù)值模擬和室內(nèi)正交試驗(yàn)，研究了上穿施工對既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，提出夾土層厚度是影響隧道變形程度的最重要因素；王春國[2]對淺埋暗挖隧道上穿既有隧道施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了隧道沉降、內(nèi)力的變化規(guī)律；梁榮柱[3]采用理論分析法研究了近距離上穿對隧道縱向變形的影響，將既有隧道簡化為擱置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁并采用兩階段法分析求解；張強(qiáng)[4]基于黏彈性本構(gòu)及彈性地基梁模型推導(dǎo)出既有隧道在附加荷載作用下的豎向位移，同時(shí)考慮隧道變形縫影響總結(jié)了既有隧道結(jié)構(gòu)豎向變形的計(jì)算公式；胡清茂[5]針對粉土地層兩線盾構(gòu)隧道疊落施工，分析上跨及組合洞內(nèi)注漿工況下兩隧道的變形情況。

現(xiàn)有研究僅涉及隧道穿越的影響，很少涉及既有車站出站處多結(jié)構(gòu)受影響的案例分析。該文以徐州地鐵2號線礦山法隧道上跨既有1號線盾構(gòu)區(qū)間及車站暗挖橫通道工程為背景，研究小凈距上跨施工對既有隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程背景

彭城廣場站是徐州地鐵1、2號線的換乘站，其中1號線右線區(qū)間位于車站南端，沿東西向敷設(shè)，2號線區(qū)間自車站南端上跨1號線沿南北向敷設(shè)，車站及區(qū)間平面如圖1所示。1號線盾構(gòu)隧道，外徑6.2m，管片厚度0.35m、環(huán)寬1.2m；1號線橫通道采用CRD法施工，圓拱直墻式形式，跨度9.7m，高度14.57m，二襯采用600mm厚C35現(xiàn)澆鋼筋混凝土。2號線礦山法隧道采用單洞單線馬蹄形暗挖斷面，開挖高度7.1m、寬度6.5m。

圖1 彭城廣場站平面關(guān)系示意圖

穿越節(jié)點(diǎn)處1號線右線縱斷面圖如圖2所示。1號線隧道及相關(guān)通道結(jié)構(gòu)于2號線隧道開工前已完成。2號線左右線間凈距10.5m，左右線上跨1號線的結(jié)構(gòu)凈距分別為0.694m及0.779m，2號線右線隧道離彭城廣場站1號橫通道水平凈距1.7m。

圖2 穿越節(jié)點(diǎn)處1號線右線縱斷面圖

1.2 工程與水文地質(zhì)

工程所在地在地貌單元上分屬沖積平原、沖積垅狀高地及沖（坡）—洪積平原，從上到下的土層依次為雜填土、老城雜填土、硬塑狀黏土、中風(fēng)化灰?guī)r。2號線隧道開挖面處于黏土及中風(fēng)化灰?guī)r交界處；1號橫通道與2號線類似，斷面大部分位于中風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)，小部分處于黏土中；1號線隧道全斷面位于中風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)。

勘察場區(qū)地下水位埋深約為1.5m～4.0m，地下水類型主要為分布在填土中的潛水、分布在老城雜填土中的微承壓水以及分布在中風(fēng)化灰?guī)r中的碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

2 模型建立

2.1 有限元模型

為評估2號線施工對1號線結(jié)構(gòu)及橫通道的影響，采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型，模型示意圖如圖3所示，模型尺寸為X×Y×Z=100m×100m×50m，其中X方向?yàn)?號線隧道縱向，Y方向?yàn)?號線隧道縱向。模型側(cè)面邊界采用水平固定約束，底面邊界為豎向固定約束，上表面設(shè)為自由面。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型示意圖

2.2 材料參數(shù)

模型中的土體及巖體均使用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，破壞屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，具體力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

隧道襯砌采用板單元模擬，建筑物利用梁、柱、板等單元按框架結(jié)構(gòu)模擬。所涉及混凝土均采用線彈性本構(gòu)模型。

2.3 施工過程

上跨施工過程分為4個(gè)階段進(jìn)行模擬：1）初始地應(yīng)力。2）既有結(jié)構(gòu)施工。地鐵1號線暗挖段、車站1號橫通道及1號線盾構(gòu)段。計(jì)算至平衡狀態(tài)，并進(jìn)行位移清零。3）地鐵2號線右線礦山法開挖，并施做二襯。4）地鐵2號線左線礦山法開挖，并施做二襯。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 既有隧道變形

計(jì)算結(jié)果顯示：2號線右線施工結(jié)束后，1號線盾構(gòu)隧道在穿越節(jié)點(diǎn)處受2號線施工影響程度最大。在豎向上，1號線拱頂最大隆起2.26mm，拱底隆起1.6mm；在水平方向上，1號線斷面則呈收縮狀態(tài)但位移值較小，拱腰最大變形0.14mm。

2號線左、右線均施工結(jié)束后，下方1號線盾構(gòu)段隧道豎向變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示。1號線盾構(gòu)隧道仍在穿越節(jié)點(diǎn)處受影響最大。在豎向上，1號線最大變形發(fā)生在先期施工的2號線右線上跨處，拱頂隆起2.69mm，拱底隆起2.18mm；在水平方向上，1號線斷面仍呈收縮狀態(tài)，但與前一工況相比，幾乎沒有變化，拱腰最大變形0.17mm。

圖4 既有隧道豎向變形云圖（雙線施工后）

上跨的礦山法隧道開挖主要影響了穿越節(jié)點(diǎn)處既有隧道的變形，在上部隧道投影區(qū)域內(nèi)隆起值超過2mm，為主要影響區(qū)；兩穿越節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)域以及交叉節(jié)點(diǎn)以外約10m內(nèi)的范圍為次要影響區(qū)，該區(qū)域的豎向變形在1mm～2mm；而超過穿越節(jié)點(diǎn)外10m則產(chǎn)生毫米級以下的變形，為輕微影響區(qū)。

由于兩隧道為正交穿越，因此水平變形幅度比豎向變形小?？偟膩碚f，1號線在穿越節(jié)點(diǎn)處的橫斷面上產(chǎn)生了豎向拉長，水平收縮的“豎鴨蛋”式變形，在豎向上呈現(xiàn)兩側(cè)小，節(jié)點(diǎn)大，交叉段小的“M”型分布。

3.2 橫通道變形

計(jì)算結(jié)果顯示，2號線右線施工結(jié)束后，橫通道的結(jié)構(gòu)變形具有差異性，越接近礦山法隧道處變形值越大，但差異值不明顯，最大隆起值為1.5mm。橫通道出現(xiàn)以拱腰為中心，拱頂向開挖隧道外側(cè)，拱底向開挖隧道內(nèi)側(cè)的傾斜變形。產(chǎn)生的原因是橫通道受到了拱腰處既有1號線變形約束，同時(shí)又受到2號線施工卸載作用。2號線雙線施工結(jié)束后，1號橫通道水平變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 橫通道水平變形云圖（雙線施工后）

雙線施工后，因?yàn)樽缶€的開挖距橫通道已超過10m以上，發(fā)生的豎向變形及水平變形與之前的趨勢一致但變化值均小于1mm，可以認(rèn)為遠(yuǎn)端礦山法施工對橫通道的影響可幾乎忽略。

3.3 既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力

為直觀分析既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況，取2號線未施工時(shí)的結(jié)構(gòu)彎矩作為對比，可得到2號線雙線施工結(jié)束后的彎矩絕對值的變化情況，如圖6所示。穿越施工期間的土體開挖會導(dǎo)致地層的應(yīng)力重分布，普遍少了既有結(jié)構(gòu)的彎矩。特別是位于中風(fēng)化灰?guī)r與黏土交界面以上的橫通道拱頂，其彎矩的減少幅度最大，說明應(yīng)力在黏土中變化的程度更大。因此應(yīng)對土巖復(fù)合地層中交界面處的結(jié)構(gòu)予以關(guān)注，特別是對拱肩、拱腳等位于交界面處的曲面結(jié)構(gòu)，內(nèi)力的大幅變化可能導(dǎo)致微小擾動產(chǎn)生較大的差異變形，可采取一定加固措施以保障隧道安全。

圖6 既有結(jié)構(gòu)彎矩變化示意圖

4 結(jié)論

該文對彭城廣場站2號線上跨既有1號線工程進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，研究了礦山法隧道小距離上跨既有盾構(gòu)區(qū)間產(chǎn)生的影響，分析了單線施工后與雙線施工后的既有結(jié)構(gòu)狀態(tài)，總結(jié)了卸載引起的變形效果，得到主要結(jié)論如下：1）礦山法隧道上跨使既有盾構(gòu)隧道在穿越節(jié)點(diǎn)處的橫斷面上產(chǎn)生了豎向拉長，水平收縮的“豎鴨蛋”式變形，在豎向上呈現(xiàn)兩側(cè)小，節(jié)點(diǎn)大，交叉段小的“M”型分布。2）新建礦山法隧道對巖石地層中既有隧道產(chǎn)生的主要影響發(fā)生在穿越節(jié)點(diǎn)處，次要影響區(qū)主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)之間及節(jié)點(diǎn)外10 m以內(nèi)的范圍中，而對10m以外范圍則影響較小。同時(shí)對正交穿越，下方既有隧道及周邊結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的水平變形遠(yuǎn)小于豎向變形。3）礦山法施工中會導(dǎo)致地層應(yīng)力重分布，這種分布在黏土中產(chǎn)生的反應(yīng)更大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化幅值也變大，因此應(yīng)對巖體及土體交界面處結(jié)構(gòu)的差異受力行為予以關(guān)注。