雙線盾構(gòu)隧道下穿對既有暗挖大斷面隧道影響的數(shù)值分析

胡秋斌

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300072)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,地鐵線路網(wǎng)逐漸密集,新建地鐵周邊環(huán)境趨于多樣化,新建地鐵線路與原有地鐵線路交叉不可避免。新建地鐵隧道施工引起周邊土層的擾動對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,這一問題在下穿施工中更為明顯。穿越工程較常規(guī)工程復(fù)雜度高、風(fēng)險(xiǎn)大、控制標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格[1],下穿施工既要保證自身和既有結(jié)構(gòu)的安全性,同時(shí)也要兼顧既有結(jié)構(gòu)的功能性,因此對新建隧道穿越既有隧道的影響進(jìn)行研究很有必要。

常規(guī)穿越工程中較多為隧道穿越既有盾構(gòu)隧道、既有暗挖標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道、既有地鐵車站結(jié)構(gòu)等,既有結(jié)構(gòu)均為新近建設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但對服役時(shí)間較久且內(nèi)襯為素混凝土的隧道工程研究較少。本文依托北京地鐵19號線盾構(gòu)區(qū)間下穿既有地鐵1號線區(qū)間工程開展研究,地鐵1號線為國內(nèi)首批建設(shè)的城市地鐵線路,年代較久,且根據(jù)當(dāng)時(shí)采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),隧道初支采用鋼骨架加噴射混凝土,內(nèi)襯采用模筑素混凝土結(jié)構(gòu),大斷面處隧道跨度達(dá)11.46 m,根據(jù)現(xiàn)場檢測內(nèi)襯結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)裂縫,內(nèi)襯混凝土結(jié)構(gòu)帶裂縫工作。穿越段1號線區(qū)間上方為復(fù)興門內(nèi)大街,復(fù)興門內(nèi)大街銜接長安街,為閱兵等重要儀式、活動通道。盾構(gòu)區(qū)間下穿施工風(fēng)險(xiǎn)較大,對此穿越工程進(jìn)行研究意義較大。

近年來,一些學(xué)者對新建隧道穿越既有建筑物的施工控制技術(shù)及其影響進(jìn)行了研究,得出了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論,但對于盾構(gòu)隧道下穿既有暗挖大斷面隧道的影響研究相對較少。劉士海等[2]分析了暗挖隧道斜交下穿施工各階段既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律,提出了既有盾構(gòu)隧道沉降理論公式,研究發(fā)現(xiàn),增大拱腳受力面積的施工輔助措施對控制地層損失率有一定作用,穿越施工中既有盾構(gòu)隧道變形以沉降為主,盾構(gòu)隧道橢圓度變化與豎向凈距有一定關(guān)系。FANG Q等[3]、劉歡等[4]研究了盾構(gòu)隧道下穿對礦山法地鐵車站和礦山法隧道的影響特征,結(jié)果表明:施工過程中盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)參數(shù)被控制在平均值之下可減小盾構(gòu)開挖對周圍地層的擾動;盾構(gòu)下穿引起既有礦山法隧道沉降達(dá)11 mm,對既有隧道內(nèi)力影響不大。李京承等[5]、孫偉良等[6]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道下穿既有盾構(gòu)隧道的施工影響,闡明了既有隧道自身沉降、受力及地表沉降的規(guī)律,為工程實(shí)際提供了技術(shù)依據(jù)。甘曉露等[7]提出了雙線隧道下穿作用下既有隧道縱向變形的簡化計(jì)算方法,研究結(jié)果表明:增加雙線隧道距離、減小土體損失、增加豎向凈距均有利于既有隧道沉降和彎矩控制。阿卜杜拉等[8]開展了室內(nèi)模型試驗(yàn),模擬了盾構(gòu)開挖對既有隧道內(nèi)力的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,下穿過程中既有隧道縱向應(yīng)力為上壓下拉,彎矩最大值出現(xiàn)在既有隧道的中心斷面處。一些學(xué)者對盾構(gòu)施工及穿越過程中注漿加固措施進(jìn)行了研究[9-11],結(jié)果表明,選取合理的盾構(gòu)注漿參數(shù)及采取超前注漿加固措施可以有效控制盾構(gòu)施工引起的地層變形。部分學(xué)者對隧道施工及服役過程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行了研究[12-13],分析了隧道變形產(chǎn)生的原因及相應(yīng)修復(fù)措施,為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。

本文依托北京地鐵19號線盾構(gòu)區(qū)間下穿既有地鐵1號線區(qū)間工程,建立三維數(shù)值模型對盾構(gòu)隧道下穿既有暗挖大斷面隧道施工過程進(jìn)行模擬,分析既有隧道的受力及變形特征和地層沉降的情況,并對比分析超前注漿加固、管棚加固、綜合加固(同時(shí)采用注漿加固和管棚加固)3種防護(hù)措施對既有隧道的影響。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

北京地鐵19號線牛街站—金融街站區(qū)間沿長椿街、鬧市口大街向北敷設(shè),在復(fù)興門內(nèi)大街路面下下穿地鐵1號線復(fù)興門站—西單站暗挖區(qū)間,復(fù)興門內(nèi)大街連接長安街,為重點(diǎn)工程。下穿段新建隧道采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)管片外徑6.40 m,內(nèi)徑5.80 m。1號線復(fù)興門站—西單站區(qū)間建成于1987年,區(qū)間分為南線和北線,覆土厚度為南線11.60 m、北線12.40 m。南線為折返線暗挖區(qū)間(大斷面隧道),斷面尺寸為11.46 m×8.37 m,初支采用350 mm厚網(wǎng)格鋼支撐和200號噴射混凝土(折合C18混凝土),內(nèi)襯采用200號防水素混凝土,厚度400 mm。北線區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)暗挖區(qū)間(小斷面隧道),斷面尺寸為6.66 m×6.10 m,初支采用300 mm厚網(wǎng)格鋼支撐和200號噴射混凝土,內(nèi)襯采用350 mm厚200號防水素混凝土。既有隧道內(nèi)襯均為素混凝土結(jié)構(gòu),穿越工程風(fēng)險(xiǎn)大。新建19號線區(qū)間與既有1號線區(qū)間關(guān)系如圖1所示。

圖1 19號線盾構(gòu)區(qū)間穿越1號線暗挖區(qū)間位置關(guān)系

19號線牛街站—金融街站區(qū)間先下穿1號線區(qū)間南線大斷面隧道,后下穿北線標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道,盾構(gòu)區(qū)間與1號線區(qū)間南線大斷面隧道豎向凈距2.055 m,與1號線區(qū)間北線標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道豎向凈距3.096 m。新建19 號線區(qū)間與既有1號線區(qū)間剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 19號線盾構(gòu)區(qū)間穿越1號線暗挖區(qū)間剖面圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

區(qū)間穿越段土層主要以粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石為主,盾構(gòu)區(qū)間覆土約21.00 m,主要穿越土層為卵石⑤層、卵石⑦層。1號線暗挖隧道所處土層為粉細(xì)砂②5層、粉質(zhì)黏土③層、卵石⑤層,隧道底部所處土層為卵石⑤層。根據(jù)勘察結(jié)果,盾構(gòu)區(qū)間所處范圍內(nèi)有一地下潛水層,盾構(gòu)隧道進(jìn)入潛水層約4.50 m。結(jié)合已有工程實(shí)踐,卵石層內(nèi)注漿阻水效果差,綜合考慮采用盾構(gòu)法施工。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 模型介紹

本文采用地層-結(jié)構(gòu)模型,以地下結(jié)構(gòu)和周圍巖土介質(zhì)為分析對象,從地層的初始應(yīng)力出發(fā),采用巖體力學(xué)方法計(jì)算圍巖和支護(hù)對圍巖應(yīng)力和位移場的作用。地層-結(jié)構(gòu)模型適用于幾何形狀、圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)和地質(zhì)條件等較為復(fù)雜的地下工程,尤其是對于需要考慮圍巖的各種非線性特征和施工過程對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的情況,采用地層-結(jié)構(gòu)模型較為有利。采用Midas GTS有限元軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,對盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有暗挖隧道施工過程進(jìn)行模擬,以滿足需要考慮的圍巖非線性特性、盾構(gòu)施工過程空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)。

既有暗挖隧道初支、內(nèi)襯采用三維實(shí)體單元模擬,盾構(gòu)管片采用二維板單元模擬,土體、注漿加固土體和管棚加固區(qū)采用三維實(shí)體單元模擬。模擬假定土層呈水平層狀分布、既有隧道初支與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、工作面不產(chǎn)生掘進(jìn)方向的位移,采用“等代法”模擬盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地層損失?；谑ゾS南原理,充分考慮邊界效應(yīng)的影響,計(jì)算模型上邊界為地表,豎向共取47.50 m,沿既有暗挖隧道方向取69.20 m,沿新建盾構(gòu)隧道方向取71.40 m。由此建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示。地表取為自由邊界,其他5個面均約束其法向變形。

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.2 材料參數(shù)

新建盾構(gòu)區(qū)間與既有暗挖隧道的相對位置關(guān)系如圖4所示。計(jì)算中采用不同的本構(gòu)模型模擬不同的材料:混凝土材料及管棚加固采用線彈性模型;土體本構(gòu)模型中的修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型能較好地解決采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型時(shí)地面隆起變形及卸載工況下土體隆起偏大的情況,能更為合理地反映地層變化趨勢,且工程實(shí)踐中采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)構(gòu)及土層變形與實(shí)測結(jié)果更加吻合[14-16],因此本文各層土體采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型,其中各材料的物理和力學(xué)參數(shù)取值見表1。

圖4 新建盾構(gòu)區(qū)間與既有隧道相對位置關(guān)系圖

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬步驟

為保證既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性及新建盾構(gòu)隧道的順利施工,擬采取在盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道之間設(shè)管棚并對盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道之間土體進(jìn)行注漿加固的保護(hù)措施。為研究盾構(gòu)隧道近距離下穿既有暗挖隧道的影響及注漿加固、管棚加固、綜合加固(同時(shí)采用注漿和管棚加固)3種防護(hù)措施效果,本文針對加固情況建立4組模型進(jìn)行模擬。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工全過程,對左、右線盾構(gòu)隧道穿越過程按以下步驟進(jìn)行模擬。

第1步:計(jì)算初始地應(yīng)力,初始位移清零;

第2步:進(jìn)行預(yù)加固措施施工;

第3步:盾構(gòu)左線掘進(jìn)至既有暗挖隧道下方;

第4步:盾構(gòu)左線按每環(huán)掘進(jìn)通過暗挖隧道下方;

第5步:盾構(gòu)左線掘進(jìn)完成;

第6步:盾構(gòu)右線掘進(jìn)至既有暗挖隧道下方;

第7步:盾構(gòu)右線按每環(huán)掘進(jìn)通過暗挖隧道下方;

第8步:盾構(gòu)右線掘進(jìn)完成。

盾構(gòu)掘進(jìn)分步開挖,以盾構(gòu)管片寬度1.20 m為一個開挖步,荷載分步釋放,然后逐步施做管片和注漿,硬化等代層[17]。既有隧道和盾構(gòu)隧道上方考慮地面街道車輛荷載按20 kPa均布荷載施加在地表土層。

3 盾構(gòu)下穿影響分析

3.1 既有暗挖隧道變形

無預(yù)加固措施工況下,左、右線盾構(gòu)隧道先后掘進(jìn),既有暗挖大斷面隧道底部沉降情況如圖5所示。由圖5可知:左線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后,大斷面隧道底部最大沉降發(fā)生在左線盾構(gòu)正上方,沉降量為2.20 mm;右線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后大斷面隧道底部最大沉降發(fā)生在右線盾構(gòu)正上方,沉降量為2.58 mm,同時(shí)左線盾構(gòu)正上方大斷面隧道底部的沉降量也相較于左線盾構(gòu)貫穿后的稍有增大,為2.50 mm?？梢娂扔兴淼赖撞砍两低瑫r(shí)受左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響,既有隧道底部沉降曲線呈“雙駝峰”形式,沉降最大位置分別為左、右線盾構(gòu)正上方。

圖5 既有大斷面隧道底部沉降情況

該既有暗挖隧道分為南線的大斷面隧道和北線的小斷面隧道,小斷面隧道為標(biāo)準(zhǔn)暗挖斷面隧道,雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后大斷面隧道和小斷面隧道底部沉降情況如圖6所示。

圖6 既有隧道底部沉降情況

由圖6可知:雙線盾構(gòu)貫穿后大、小斷面隧道底部沉降曲線均為“雙駝峰”形式,且大、小斷面隧道底部產(chǎn)生的最大沉降量均約為2.60 mm;小斷面隧道底部的沉降縱向變形趨勢較大斷面隧道的緩和,這是由于大斷面隧道底板跨度大、弧度小,在既有隧道縱向單位寬度的剛度較小斷面隧道底板的小,因此大斷面隧道底板沉降曲線變化趨勢更陡;隧道底板與列車軌道變形相協(xié)調(diào),底板沉降差值更大,軌道縱向沉降差值也更大,更不利于行車安全。因此,在雙線盾構(gòu)下穿既有隧道時(shí),大斷面隧道產(chǎn)生的縱向變形對行車安全更為不利,應(yīng)采取有效措施控制大斷面隧道軌道面變形,減緩軌道縱向沉降差異,保證行車安全。

3.2 盾構(gòu)隧道自身變形及地表沉降

左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后,隧道自身拱頂沉降曲線如圖7所示。從圖7可以看出,左、右線盾構(gòu)拱頂沉降一致。盾構(gòu)拱頂沉降量在其上方存在既有隧道處相較于其他位置處的小,這是由于盾構(gòu)遂道上方既有隧道結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)穿越造成的盾構(gòu)遂道上部土體擾動起到隔離作用,盾構(gòu)掘進(jìn)通過既有隧道下方時(shí)主要造成盾構(gòu)遂道與既有隧道之間土體的擾動,對既有隧道上方土層的擾動較小。所以,對盾構(gòu)遂道與既有隧道之間的土層進(jìn)行加固,在減小施工對既有隧道的影響方面更為明顯。盾構(gòu)遂道上方既有隧道結(jié)構(gòu)對抑制盾構(gòu)隧道自身變形是有利的,大斷面隧道縱向整體剛度大,對土層擾動的隔離作用更明顯,大斷面隧道下方盾構(gòu)拱頂沉降量最小。

圖7 盾構(gòu)隧道自身拱頂沉降

雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后地表各位置沉降曲線如圖8所示。

圖8 地表沉降曲線

由圖8可知:地下存在既有隧道結(jié)構(gòu)時(shí),盾構(gòu)貫穿形成的上方地面沉降槽的寬度并未改變,沉降槽均以雙線盾構(gòu)之間中線為對稱軸呈拋物線展開;地下無既有隧道時(shí),地表最大沉降量為3.20 mm,有既有隧道時(shí),地表沉降量有所減小,大斷面隧道上方地表沉降量最小為2.10 mm。這是由于既有隧道結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)穿越造成的盾構(gòu)遂道上部土體擾動起到隔離作用,使得盾構(gòu)施工對土體的擾動主要發(fā)生在既有隧道結(jié)構(gòu)下方的土層,而對既有隧道結(jié)構(gòu)上方的土層擾動較小,盾構(gòu)穿越引起的地面沉降因既有隧道結(jié)構(gòu)的存在而減小。

4 不同加固措施對比分析

為研究不同預(yù)加固措施對雙線盾構(gòu)下穿既有暗挖隧道影響的改善效果,本文模擬了無加固措施、注漿加固措施、管棚加固措施、綜合加固措施(同時(shí)采用注漿加固和管棚加固)4種工況下盾構(gòu)下穿既有暗挖隧道的施工過程,對4種工況下盾構(gòu)隧道自身和既有隧道的變形受力進(jìn)行分析,其中加固措施均對盾構(gòu)遂道與既有暗挖隧道之間的土層進(jìn)行預(yù)加固。注漿采用深孔注漿,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa,采用等代體修改土層參數(shù)的方法模擬注漿。管棚施工完成后應(yīng)在管棚內(nèi)充填水泥砂漿。

4.1 既有暗挖隧道變形

4種工況下雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后大、小斷面隧道底部沉降曲線如圖9所示。由圖9可知,采取加固措施可減小既有隧道底部產(chǎn)生的沉降變形,加固措施對大、小斷面隧道底部沉降變形的改善效果規(guī)律相同,綜合加固方式對其的改善效果最為明顯,管棚加固方式次之,且管棚加固方式的改善效果較注漿加固改善效果好。究其原因,注漿加固方式是改變土體的自身性質(zhì),可增大土體硬度,土層相較于無注漿情況下更加穩(wěn)固;管棚加固措施是在盾構(gòu)頂部與盾構(gòu)上方土層之間施做一排隔離管幕結(jié)構(gòu),以隔離盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對周圍土層產(chǎn)生的擾動,管棚的隔離加固效果較注漿加固效果更為明顯;綜合加固措施工況下,大斷面隧道底部最大沉降量由2.64 mm減小到1.70 mm,最大沉降量減小了35%,且隧道底部縱向沉降量差值從1.11 mm減小到1.00 mm。

圖9 不同加固措施工況下既有隧道沉降

因此,在盾構(gòu)隧道下穿既有暗挖隧道施工前,建議同時(shí)采用注漿加固和管棚加固的綜合預(yù)加固措施來減弱盾構(gòu)下穿對既有隧道的擾動。施工中常采用在地下開挖小導(dǎo)洞方式,然后在小導(dǎo)洞內(nèi)對盾構(gòu)與既有隧道之間土體進(jìn)行注漿加固和管棚加固,此時(shí)還應(yīng)考慮小導(dǎo)洞開挖對既有隧道的影響,合理選取開挖導(dǎo)洞尺寸。

4.2 盾構(gòu)隧道自身變形及地表沉降

圖10所示為各工況下左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后左線盾構(gòu)拱頂?shù)某两登闆r。因左、右線盾構(gòu)拱頂沉降大小一致,故只提取左線盾構(gòu)拱頂沉降。

圖10 不同加固措施工況下盾構(gòu)自身拱頂沉降情況

由圖10可知,各加固措施均可減小盾構(gòu)隧道自身拱頂沉降量,且綜合加固措施對盾構(gòu)隧道自身拱頂沉降量減小幅度最大。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有隧道結(jié)構(gòu)對其上方土層的擾動起到隔離作用,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管棚對既有隧道與盾構(gòu)隧道之間土層的擾動也能夠起到隔離作用。因此,在雙層隔離作用下盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍土層的擾動更小。

圖11為各工況下雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后既有大斷面隧道上方地表沉降曲線。從圖11可以看出:加固措施均能減小加固區(qū)域附近地表沉降,其減小的沉降幅值由小到大的順序?yàn)?注漿加固<管棚加固<綜合加固。在綜合加固工況下,大斷面隧道上方地表沉降量最大為1.29 mm,既有隧道上方地面為城市主干道,滿足地面行車安全要求。可見綜合加固措施可有效改善盾構(gòu)穿越對土層擾動的影響,降低地面凹陷風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 不同加固措施工況下地表沉降曲線

4.3 既有暗挖隧道受力

無加固措施工況下,雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后,大、小斷面隧道水平方向應(yīng)力如圖12所示。由圖12可知:大斷面隧道內(nèi)襯拱頂在下方有、無盾構(gòu)穿越處均為拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度,隧道內(nèi)襯混凝土帶裂縫工作;小斷面隧道內(nèi)襯拱頂應(yīng)力較小,盾構(gòu)下穿大斷面隧道施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)更大。

圖12 無加固措施工況下既有隧道水平應(yīng)力

無加固措施工況下,雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后,大、小斷面隧道內(nèi)襯拱頂應(yīng)變增量如圖13所示。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)模型模擬,根據(jù)材料彈性模量可得應(yīng)力增量。由圖13可知,盾構(gòu)掘進(jìn)完成后大斷面隧道內(nèi)襯拱頂最大拉應(yīng)力增量為0.28 MPa,小斷面隧道內(nèi)襯拱頂最大拉應(yīng)力增量為0.26 MPa,盾構(gòu)下穿對大斷面隧道受力變化的影響更大。從圖13中還可以看出,大斷面隧道內(nèi)襯拱頂內(nèi)表面最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在雙線盾構(gòu)中間位置,在雙線盾構(gòu)正上方位置處,內(nèi)襯拱頂內(nèi)表面應(yīng)力增量為負(fù)值,拱頂內(nèi)表面拉應(yīng)力減小,這是由隧道整個斷面的變形協(xié)調(diào)引起的。

圖13 無加固措施工況下既有隧道應(yīng)變增量

無加固措施工況下,雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后,大斷面隧道頂部和底部沉降曲線如圖14所示。從圖14可以看出:大斷面隧道頂部沉降量最大位置發(fā)生在雙線盾構(gòu)中間位置,隧道頂部沉降量大于隧道底部的,隧道拱頂受拉趨勢更大,拱頂內(nèi)表面拉應(yīng)力增大;在雙線盾構(gòu)正上方位置處,隧道頂部沉降量小于隧道底部的,造成拱頂趨于受壓,拱頂內(nèi)表面拉應(yīng)力下降。

圖14 無加固措施工況下既有大斷面隧道頂部和底部的沉降曲線

雙線盾構(gòu)掘進(jìn)完成后各加固措施工況下,大斷面隧道內(nèi)襯拱頂應(yīng)變增量如圖15所示,應(yīng)力增量的變化規(guī)律與應(yīng)變增量的相同。由圖15可知,注漿加固工況下,隧道內(nèi)襯拱頂最大拉應(yīng)力的應(yīng)力增量最大為0.32 MPa,管棚加固工況下為0.28 MPa,綜合加固工況下為0.29 MPa。圖16給出了各工況下大斷面隧道頂部與底部沉降差值的變化情況。由圖16可知,雖然各加固措施可以減小盾構(gòu)穿越引起的既有大斷面隧道底部沉降量,但在盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi),各加固措施工況下大斷面隧道頂部與底部的沉降差值與無加固措施工況下的并無明顯變化,隧道拱頂應(yīng)力變化是由隧道斷面變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致應(yīng)力重分布引起的,雙線盾構(gòu)中間位置處大斷面隧道內(nèi)力重分布后,其拱頂最大拉應(yīng)力增量在有、無加固措施工況下無明顯變化。有加固措施時(shí),隧道內(nèi)襯拱頂應(yīng)力增量并未減小,可見加固措施對既有隧道受力改善效果并不明顯。

圖15 大斷面隧道內(nèi)襯拱頂應(yīng)變增量

圖16 不同加固措施工況下大斷面隧道頂部與底部沉降差值

由于既有暗挖隧道內(nèi)襯為素混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)襯結(jié)構(gòu)帶裂縫工作,盾構(gòu)下穿時(shí)增大了既有隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)受力,建議在既有隧道上半斷面內(nèi)襯的內(nèi)表面粘貼抗拉芳綸纖維布,防止內(nèi)襯混凝土裂縫繼續(xù)增大,保證既有隧道的安全性。根據(jù)既有隧道內(nèi)襯拱頂?shù)膽?yīng)力增量縱向開展范圍可知,抗拉芳綸纖維布沿既有隧道縱向粘貼范圍為從雙線盾構(gòu)之間中線至雙線盾構(gòu)外3倍盾構(gòu)外徑處較為合適。

4.4 實(shí)踐結(jié)果

按照最終確定的綜合加固措施,對盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道之間的土層進(jìn)行預(yù)加固。盾構(gòu)穿越施工時(shí),經(jīng)過為期28 d的監(jiān)測,暗挖大斷面隧道軌道穩(wěn)定沉降量為1.50 mm,暗挖小斷面隧道軌道穩(wěn)定沉降量為1.40 mm,有效驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。在確定盾構(gòu)洞內(nèi)參數(shù)和注漿量、注漿壓力方面起到了重要的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語

本文通過對雙線盾構(gòu)下穿既有暗挖隧道施工過程進(jìn)行模擬,分析了雙線盾構(gòu)近距離下穿對既有暗挖隧道的影響,并對比分析了不同加固措施的改善效果,得出如下結(jié)論:

1)盾構(gòu)下穿對既有暗挖隧道產(chǎn)生的影響主要為既有隧道沿縱向沉降,且大斷面隧道的沉降曲線變化幅度相較于小斷面隧道的更大,雙線盾構(gòu)下穿時(shí)暗挖大斷面隧道產(chǎn)生的縱向變形對行車安全更為不利。

2)盾構(gòu)下穿時(shí),盾構(gòu)隧道上方既有隧道結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)隧道自身變形是有利的,其可以減小盾構(gòu)穿越產(chǎn)生的地表沉降。

3)對盾構(gòu)隧道與既有隧道之間土層進(jìn)行預(yù)加固均能減小盾構(gòu)下穿時(shí)既有隧道底部和上部地表的沉降量,其中綜合加固措施的改善效果最為明顯。

4)既有暗挖大斷面隧道內(nèi)襯素混凝土結(jié)構(gòu)帶裂縫工作,雙線盾構(gòu)下穿會使雙線盾構(gòu)之間的上方既有隧道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大。加固措施對既有隧道受力的改善效果并不明顯,建議在既有隧道上半斷面內(nèi)襯素混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面粘貼抗拉芳綸纖維布,以防止內(nèi)襯混凝土裂縫繼續(xù)增大,保證既有隧道安全運(yùn)行。