三管隧道開挖對(duì)周邊構(gòu)筑物影響分析研究

邱 軍

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

隨著城市軌道交通建設(shè)的展開，越來越多的地鐵隧道與既有鐵路線、公路、樓宇等結(jié)構(gòu)物交匯，產(chǎn)生諸多近接工程。前人對(duì)地下工程近接施工進(jìn)行了深入研究，例如，廣州地鐵5號(hào)線區(qū)莊站多層立體交叉隧道工程[1]，C YOO、HB ZHAO通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式研究了近接隧道工程對(duì)既有建筑物的影響[2-3]。西南交通大學(xué)仇文革團(tuán)隊(duì)在盾構(gòu)近接既有建筑物方面進(jìn)行了研究[4-8]。在盾構(gòu)隧道臨近既有建、構(gòu)筑物方面，前人主要利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)近接影響進(jìn)行了分析。其中，蔡向輝利用有限元軟件ABAQUS建立了車輛-軌道耦合模型[9]，分析了高速鐵路與盾構(gòu)隧道的相互作用；張舵利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同支護(hù)措施下盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究[10]；黃文君等利用MIDAS對(duì)盾構(gòu)隧道施工工藝對(duì)路基的沉降進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算，研究得到了沉降的影響規(guī)律[11]；馮超等對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋涵的安全進(jìn)行了研究[12]。高東奇等基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)大直徑泥水盾構(gòu)施工對(duì)高鐵橋涵的影響進(jìn)行了研究[13]；朱紅霞基于武漢地鐵3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)EPB盾構(gòu)近距離下穿既有隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[14]。目前研究多為單一盾構(gòu)近接單個(gè)或兩個(gè)工程，類似本文所研究的盾構(gòu)隧道與礦山法施工的鐵路近接橋樁與鐵路的情況較少，因此，本研究擬在建立三維數(shù)值計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)多重隧道施工對(duì)周邊建、構(gòu)筑物的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程為成都地鐵1號(hào)線三期南段廣州路站—興隆湖站(廣興)區(qū)間及出入場(chǎng)線，位于成都市天府新區(qū)天府大道東側(cè)，施工期間需下穿成花鐵路。廣興區(qū)間，隧道埋深5.3 m(下穿麓溪河)～49.679 m，區(qū)間隧道穿越鐵路段結(jié)構(gòu)管片采用特殊配筋的B型管片，外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，管片厚度為300 mm，管片幅寬1 500 mm。

出入場(chǎng)線起止里程為RCK0+149.000～RCK0+291.000，長(zhǎng)141 m，出入場(chǎng)線斷面為馬蹄形類型，采用礦山法(CD法或臺(tái)階法)施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。廣州路站—興隆湖站區(qū)間左右線盾構(gòu)機(jī)均由興隆湖站始發(fā)向北掘進(jìn)，地鐵隧道線路與鐵路水平交角均為68°，過鐵路后到達(dá)廣州路站。

地鐵列車出入場(chǎng)線設(shè)置在兩盾構(gòu)隧道之間，出入場(chǎng)線起止里程為RCK0+149.000～RCK0+290.000，長(zhǎng)141 m。由與廣州路站相連的明挖段軌排井自北向南開挖，出入場(chǎng)線暗挖施工穿越里程為RCK0+227.878～RCK0+239.778，共長(zhǎng)11.9 m(相交鐵路里程為：K41+292.391)，穿越鐵路向南繼續(xù)開挖50.3 m完成整個(gè)暗挖段施工。

盾構(gòu)隧道在穿越鐵路軌道范圍內(nèi)所采用的襯砌環(huán)增設(shè)注漿孔，每環(huán)共15個(gè)注漿孔。

暗挖隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，即拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置φ42 mm單排超前注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)；邊墻布置系統(tǒng)錨桿：φ22 mm砂漿注漿錨管1.0 m(環(huán))×0.5 m(縱)，L=3.5 m；初期支護(hù)：φ25 mm鋼筋制成的鋼拱架間距為50 cm；φ8 mm，間距150 mm×150 mm，全環(huán)單層布置；噴射混凝土厚35 cm的C25、P6抗?jié)B混凝土；二次襯砌采用厚50 cm的C35、P10模筑混凝土，初期支護(hù)和二次襯砌間設(shè)置全封閉的隔水層，結(jié)合隧道所處地層及施工方法在隧道全環(huán)鋼架設(shè)2處鎖腳錨管。

由于盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)小、機(jī)械化程度高、施工精度高，施工過程和工藝容易控制、穩(wěn)定性好。其次，盾構(gòu)隧道之間的間距較大，盾構(gòu)左右線的施工互相影響較小。在先施工的礦山法施工的隧道對(duì)地層的擾動(dòng)大，再加上施工完成后在盾構(gòu)隧道間形成了一個(gè)疊加的沉降槽，對(duì)后期盾構(gòu)施工造成影響。因此施工順序?yàn)槎軜?gòu)左線施工，然后進(jìn)行盾構(gòu)右線施工，待盾構(gòu)隧道加固完成穩(wěn)定后再進(jìn)行暗挖隧道的施工。

廣州路站—興隆湖站盾構(gòu)區(qū)間左線距敖家溝雙線大橋5號(hào)橋臺(tái)橋樁凈距為8.9～11.6 m；盾構(gòu)區(qū)間右線距陳家房子雙線大橋0號(hào)橋臺(tái)橋樁凈距為27.8～30.49 m。大橋上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁，樁基采用直徑為1.25 m的鉆孔樁，樁底高程為467.390 m，約高于盾構(gòu)隧道軌面高程，而且此范圍內(nèi)的地質(zhì)為中風(fēng)化砂巖、自穩(wěn)性較好。

1.2 工程地質(zhì)概況

地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)沖積洪積層(Q4al+pl)、第四系全新統(tǒng)殘積坡積層(Q4el+dl)，白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖、砂巖、礫巖(K2g)及白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖、砂巖(K1t-J3p)組成。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型的確定

本研究通過建立三維有限元模型，對(duì)地鐵隧道、出入場(chǎng)線隧道與既有鐵路路基和橋之間的相互影響進(jìn)行全過程數(shù)值模擬研究。根據(jù)實(shí)際情況模擬隧道埋深及隧道開挖，模擬計(jì)算采用FLAC3D軟件。為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，模型范圍沿縱向取100 m，沿橫向取160 m，深度取隧道仰拱下方60 m。模型約束為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由。計(jì)算中地層及初期支護(hù)采用彈塑性實(shí)體單元模擬，管棚及超前小導(dǎo)管采用彈性實(shí)體單元模擬，二次襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬。在整個(gè)計(jì)算模型中，采用六面體單元映射劃分，橋樁由Pile單元進(jìn)行模擬，建立的模型共170 703個(gè)節(jié)點(diǎn)，198 072個(gè)單元。三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

本次參數(shù)選取參照地勘資料所建議的地層參數(shù)選取，由于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，故計(jì)算時(shí)認(rèn)為合并參數(shù)較為接近地層，具體參數(shù)如表1所示，混凝土材料計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表1 地質(zhì)勘察資料地層參數(shù)

表2 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算考察對(duì)象

計(jì)算時(shí)，先進(jìn)行盾構(gòu)左線施工，然后進(jìn)行盾構(gòu)右線施工，待盾構(gòu)隧道加固完成穩(wěn)定后再進(jìn)行出入場(chǎng)線(暗挖)隧道的施工。計(jì)算分為兩個(gè)考察對(duì)象：

(1)盾構(gòu)隧道以及暗挖隧道施工對(duì)敖家溝雙線大橋5號(hào)橋臺(tái)橋樁的影響分析；

(2)盾構(gòu)隧道以及暗挖隧道施工對(duì)成花鐵路股道的影響分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道及暗挖隧道施工對(duì)橋樁的影響

根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算得到各施工步時(shí)盾構(gòu)隧道及暗挖隧道施工對(duì)敖家溝雙線大橋5號(hào)橋臺(tái)橋樁的豎向位移云圖，如圖2所示。

圖2 橋樁的豎向位移云圖(單位：m)

由圖2可知，當(dāng)盾構(gòu)左線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.65 mm，盾構(gòu)右線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.70 mm，出入場(chǎng)線(暗挖)隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為1.12 mm。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)[15]，最大沉降控制值為5 mm，計(jì)算得到開挖引起的沉降均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制值。且盾構(gòu)隧道與既有鐵路橋主要處于中風(fēng)化砂巖地層中，自穩(wěn)性較好，所以認(rèn)為隧道施工對(duì)樁基影響較小，現(xiàn)有設(shè)計(jì)能夠保證既有鐵路橋安全。

3.2 盾構(gòu)隧道施工對(duì)成花鐵路股道的影響

盾構(gòu)左線隧道以及盾構(gòu)右線隧道開挖后，股道豎向位移如圖3所示。按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工盾構(gòu)左右線隧道施工后，股道最大沉降約為0.65 mm，最大10 m弦測(cè)量的高低差約為0.08 mm。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》[16]，最大10 m弦測(cè)量的高低差控制值為4 mm，計(jì)算得到最大10 m弦值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 盾構(gòu)隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

3.3 出入場(chǎng)線暗挖隧道施工對(duì)成花鐵路股道的影響

(1)CD法施工

當(dāng)采用CD法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完時(shí)股道豎向位移云圖如圖4所示。隨出入場(chǎng)線隧道掌子面推進(jìn)的股道沉降槽曲線如圖5所示。

圖4 出入場(chǎng)線隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

圖5 出入場(chǎng)線隧道施工后股道的沉降槽曲線

由圖4、圖5可知，采用CD法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完成后股道最大沉降為1.76 mm；線路軌道10 m弦測(cè)量的高低偏差為0.73 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.13 mm。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》，最大10 m弦測(cè)量的高低差控制值為4 mm，計(jì)算得到最大10 m弦值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)核心土臺(tái)階法施工

當(dāng)采用核心土臺(tái)階法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完時(shí)股道豎向位移云圖如圖6所示。隨出入場(chǎng)線隧道掌子面推進(jìn)的股道沉降槽曲線如圖7所示。

圖6 出入場(chǎng)線隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

圖7 出入場(chǎng)線隧道施工后股道的沉降槽曲線

由圖6、圖7可知，采用核心土臺(tái)階法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完成后股道最大沉降為2.33 mm；線路軌道10m弦測(cè)量的高低偏差為0.81 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.17 mm。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》，最大10 m弦測(cè)量的高低差控制值為4 mm，計(jì)算得到最大10 m弦值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)比兩種不同工法計(jì)算得到的沉降值可知，CD法施工時(shí)，地表沉降更小，CD法對(duì)控制地表沉降更有利。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)圖5與圖7中股道沉降槽的變化趨勢(shì)，得到下穿隧道施工對(duì)股道的影響區(qū)域。由于核心土臺(tái)階法對(duì)股道的影響更大，因此監(jiān)測(cè)以核心土臺(tái)階法為依據(jù)。假設(shè)0.6 mm為影響閾值，那么可以得到施工影響范圍與監(jiān)測(cè)布置如圖8所示，其中斜線部分為影響區(qū)域，寬44 m，縱向長(zhǎng)36.5 m。隧道開挖經(jīng)過此區(qū)域時(shí)，應(yīng)加快施工速度，在保證施工質(zhì)量的前提下，快速通過。由圖8可知，共布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距7 m，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 施工影響范圍與監(jiān)測(cè)布置示意(單位：m)

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線

由圖9可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4沉降最大，但最大值僅為0.5 mm，可以視為監(jiān)測(cè)誤差。監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上屬于同一數(shù)量級(jí)，但數(shù)值有一定差異。分析差異原因在于，數(shù)值模擬計(jì)算中，盾構(gòu)計(jì)算未考慮注漿對(duì)地層的改良作用。同時(shí)，當(dāng)注漿壓力較大時(shí)，地表會(huì)向上位移，因此施工中較小的位移是注漿引起的向上位移與開挖施工向下位移的共同結(jié)果。

監(jiān)測(cè)結(jié)果也說明，礦山法中較強(qiáng)的支護(hù)措施、盾構(gòu)施工中注漿措施能夠控制開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

5 結(jié)論

本文在建立復(fù)雜三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬，獲取施工過程中地鐵隧道所引起的軌道沉降位移曲線，同時(shí)得到了下穿隧道施工對(duì)近接橋樁的影響。通過分析施工過程中近接地下空間的位移響應(yīng)趨勢(shì)，判斷地鐵盾構(gòu)隧道對(duì)周邊地下空間環(huán)境的影響。同時(shí)，對(duì)于采用CD法與預(yù)留核心土臺(tái)階法兩種工法進(jìn)行了對(duì)比研究，并且提出了此兩種方法對(duì)地表鐵路股道的影響。通過數(shù)值計(jì)算得到了以下結(jié)論。

(1)當(dāng)盾構(gòu)左線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.65 mm，盾構(gòu)右線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.70 mm，出入場(chǎng)線(暗挖)隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為1.12 mm，均遠(yuǎn)小于控制值5 mm。

(2)盾構(gòu)左右線隧道施工后，股道最大沉降約為0.65 mm，最大10 m弦測(cè)量的高低差約為0.08 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)采用CD法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完成后股道最大沉降為1.76 mm；線路軌道10 m弦測(cè)量的高低偏差為0.73 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.13 mm。采用核心土臺(tái)階法施工時(shí)，出入場(chǎng)線隧道開挖完成后股道最大沉降為2.33 mm；線路軌道10 m弦測(cè)量的高低偏差為0.81 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.17 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，CD法施工時(shí)，地表沉降更小，CD法對(duì)控制地表沉降更有利。

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了隧道開挖施工對(duì)股道影響范圍，為寬44 m、縱向36.5 m的區(qū)域。根據(jù)影響范圍區(qū)域，提出了監(jiān)測(cè)方案。根據(jù)監(jiān)測(cè)可知，沉降最大值僅為0.5 mm，采用目前的設(shè)計(jì)方案施工可以保證成花鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

研究所得結(jié)論對(duì)復(fù)雜地下空間中的多重隧道施工具有一定的參考價(jià)值。

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