新建隧道下穿既有運營地鐵施工的力學(xué)機理

武 科, 崔帥帥, 張前進, 于雅琳, 張樂文

(1. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 山東 濟南 250061; 2. 山東大學(xué) 海洋研究院, 山東 青島 266237)

在城市地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,新建地鐵線路下穿既有地鐵線路的問題將不可避免,而既有地鐵線的安全運營又對隧道結(jié)構(gòu)變形有著非常嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn),因此這類下穿施工問題對既有地鐵的安全運營形成了嚴(yán)峻的考驗,是地鐵建設(shè)中等級最高的風(fēng)險工程[1-4].地鐵施工主要有礦山法(如全斷面法和上下臺階法)和盾構(gòu)法[5-6].不同的地鐵施工方案,對應(yīng)不同的既有結(jié)構(gòu)變形特征與控制措施,常見控制措施有樁基托換法和注漿加固法[7-8]等.朱正國等[9]以北京地鐵7號線新建區(qū)間隧道超近距離下穿既有雙井站工程為背景,研究了新建隧道超近距離下穿既有地鐵施工方案優(yōu)化問題.鄒明波等[10]依托新建贛韶鐵路黃金隧道塌方段工程,利用數(shù)值模擬分析,驗證了該塌方段采用注漿加固技術(shù)的可行性.陳孟喬等[11]依托北京地鐵13號線東直門站下穿機場線東直門站工程,研究了新建地鐵下穿既有地鐵過程中的變形控制技術(shù).LEE W. F.等[12]根據(jù)臺灣高雄地鐵盾構(gòu)隧道施工區(qū)地下水滲漏造成的大量樓房倒塌,分析了地鐵施工對鄰近地面和既有結(jié)構(gòu)的延伸損壞機制.

筆者依托于某新建地鐵隧道下穿既有運營地鐵線工程,采用數(shù)值模擬分析軟件FLAC3D,與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比論證模擬的可靠性,分析全斷面法、臺階法和盾構(gòu)法等3種地鐵隧道常用施工方案對既有運營地鐵結(jié)構(gòu)和地層的影響,研究新建隧道下穿既有運營地鐵的施工力學(xué)機理,并對注漿加固效果開展數(shù)值模擬,從而進行對比和優(yōu)選分析.

1 工程概況

既有運營地鐵采用土壓平衡盾構(gòu)(EPB)建造,于2004年完成.該盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m.隧道由6塊管片拼裝而成,管片寬度為1.5 m.新建地鐵隧道也采用盾構(gòu)法建造,下穿段地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 下穿段地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

新舊隧道夾角約為85°,新建隧道埋深12.6 m,新舊隧道最小凈距分別為7.5,1.8 m,既有地鐵線左線和右線凈距約為16.0 m.布置如圖2所示的監(jiān)測斷面,沿既有隧道共布置9個監(jiān)測斷面(MC1-MC9),監(jiān)測斷面間隔為5.0～10.0 m.此外,為對比既有隧道和天然地層沉降的區(qū)別,對隧道拱底附近同一埋深處的天然地層沉降進行了監(jiān)測,布置MC-A和MC-B兩個監(jiān)測斷面,監(jiān)測斷面距離既有地鐵隧道邊緣約為2.0 m,監(jiān)測點間隔為6.0 m.

圖2 下穿段平面圖(單位： m)

2 數(shù)值計算模型與分析方法

2.1 數(shù)值近似模型

圖3為數(shù)值計算模型.

圖3 數(shù)值計算模型

根據(jù)地質(zhì)報告和實際工程情況,本次數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D,建立了三維計算模型,隧道開挖斷面寬度B=6.0 m,新舊隧道夾角為85°,新建地鐵隧道與既有地鐵線左線隧道凈距為1.8 m,與右線隧道凈距為7.5 m.并考慮到相關(guān)的尺寸效應(yīng),模型邊緣到隧道邊緣距離均大于5倍的洞徑,底部邊界至隧道底部距離大于4倍隧道高度.模型的最終尺寸如下:長度為87 m,寬度為70 m,高度為50 m.最終數(shù)值模型與地質(zhì)分層以及隧道位置關(guān)系如圖3所示.模型經(jīng)過有限元網(wǎng)格劃分，得到 91 182個單元和 58 464個節(jié)點.

2.2 巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報告以及相應(yīng)數(shù)值模擬的經(jīng)驗,巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)選取情況如表1所示.

表1 巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值計算分析方法

具體數(shù)值計算分析方法如下:

1) 邊界條件.模型左右邊界、前后邊界法向方向位移約束,巖土頂部為自由面,底部邊界豎直方向位移約束.

2) 開挖方法.礦山法中的全斷面開挖、上下臺階法開挖進尺均為3.0 m,即每向前掘進兩環(huán)為一循環(huán);盾構(gòu)法開挖進尺為1.5 m,即每向前掘進一環(huán)為一循環(huán).

3) 重力荷載均采用重力的方式施加.

4) 隧道支護采用C30混凝土,厚度為30 cm.

5) 為對比分析注漿加固效果,對上下臺階法4種工況的注漿加固進行模擬,采用超前預(yù)注漿,如圖4所示.工況1為不注漿加固,即只采用上下臺階法;工況2為對左右兩側(cè)3.0 m及底部3.0 m范圍內(nèi)巖層注漿加固;工況3為對左右兩側(cè)3.0 m范圍內(nèi)及新舊隧道中夾巖層注漿加固;工況4為對左右兩側(cè)和底部3.0 m范圍及新舊隧道中夾巖層注漿加固.

圖4 新建隧道注漿加固范圍(單位： m)

2.4 可靠性驗證

將數(shù)值模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比論證,左右線拱底MC1-MC9等9個監(jiān)測斷面的沉降曲線分別如圖5-6所示,天然地層監(jiān)測斷面MC-A和MC-B的沉降曲線分別如圖7-8所示.

圖5 左線拱底沉降曲線

圖6 右線拱底沉降曲線

圖7 斷面MC-A沉降曲線

圖8 斷面MC-B沉降曲線

由圖5-8可知:數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢相近,基本吻合,均是在新建隧道中心線正上方取得最大沉降值,隨著與新建隧道中心線距離的增大,曲線趨于平緩;由于實際工程中存在較大的偶然因素,故圖中現(xiàn)場監(jiān)測的最大沉降值均略大于模擬值,但最大值在控制范圍內(nèi),不會對施工造成影響;4個圖中模擬值和實測值誤差最大為11.7%.綜上,該數(shù)值計算方法可行,計算結(jié)果準(zhǔn)確.

3 結(jié)果分析

3.1 施工方案對比分析

3.1.1 應(yīng)變分析

選取新建地鐵隧道中心線正上方的地表作為特征點分析地表沉降,新建隧道中心線與既有地鐵線左線中心線、既有地鐵線右線中心線交叉部分正上方的地表沉降曲線如圖9所示.圖9的曲線變化趨勢相似,在此僅對圖9a進行簡單的分析.由圖9a可知:3種施工方法造成的沉降趨勢相同,開挖長度小于24 m時,曲線變化較平緩,此時位移約占總位移的15%～20%,沉降主要是由應(yīng)力場變化造成的;當(dāng)掌子面開挖至24 m時，距特征點為-2D(D為盾構(gòu)隧道外徑),沉降變化速率驟增,曲線急劇下滑,當(dāng)掌子面開挖至54 m時，距特征點為3D,沉降變化速率減小,曲線趨于平穩(wěn),并呈現(xiàn)收斂的趨勢;開挖距離為24～54 m時,由于開挖造成了邊界條件發(fā)生變化,使得圍巖應(yīng)力場重分布,從而產(chǎn)生豎向位移,在此階段內(nèi),全斷面法開挖造成的位移約占總位移的68%,上下臺階法開挖造成的位移約占總位移的65%,盾構(gòu)法開挖造成的位移約占總位移的60%.全斷面法、上下臺階法和盾構(gòu)法施工造成的地表最終沉降分別為6.2,5.4和3.8 mm,可見地表沉降最大值僅為6.2 mm,不足10.0 mm,在城市地鐵施工的允許沉降值以內(nèi),同時盾構(gòu)法施工的最終沉降值比全斷面法減小44%,比上下臺階法減小30%,主要是由于土壓平衡盾構(gòu)機對掌子面施加的土倉壓力有效地減小了地表沉降.

圖9 地表的沉降曲線

既有地鐵隧道左、右線拱頂?shù)某两登€如圖10-11所示.

圖10 左線拱頂?shù)某两登€

圖11 右線拱頂?shù)某两登€

由圖10可知:3種施工方法造成的沉降趨勢相同,由于側(cè)面開挖產(chǎn)生的卸載作用,首先呈現(xiàn)出逐漸隆起的趨勢,但隆起量非常小,最大隆起量僅為0.4 mm;當(dāng)掌子面開挖至28 m，距左線隧道中心線距離約為1.5D,既有隧道左線開始沉降,且沉降變化速率逐漸加快;當(dāng)掌子面開挖至54 m時，距左線中心線為3D,附近地層趨于平穩(wěn)狀態(tài),沉降變化趨于平穩(wěn),而后沉降呈現(xiàn)收斂趨勢;采用全斷面法、上下臺階法和盾構(gòu)法施工造成的左線拱頂最終沉降分別為5.5,4.8和2.9 mm,盾構(gòu)法最終沉降值比全斷面法減小47%,比上下臺階法減小40%.

由圖11可知:3種方法造成的沉降趨勢相同,沉降均是首先呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,隨后出現(xiàn)回彈;當(dāng)掌子面開挖至48 m時，距右線隧道中心線距離約為-2D,沉降驟增,沉降變化速率逐漸增大,隨著開挖的完成,沉降趨于收斂;采用全斷面法、上下臺階法和盾構(gòu)法施工造成的右線拱頂最終沉降分別為7.9,7.0和5.6 mm,盾構(gòu)法最終沉降值比全斷面法減小29%,比上下臺階法減小20%,且收斂所用時間比另兩種方法短.

3.1.2 應(yīng)力分析

在新舊地鐵隧道交叉部分選取斷面作為特征面進行應(yīng)力分析,初始地應(yīng)力云圖和3種方案開挖完成后的豎向應(yīng)力云圖如圖12所示.由圖12可知:3種施工方法下,隧道的開挖使得地層應(yīng)力場重分布,新建地鐵隧道拱腰附近的圍巖均會出現(xiàn)應(yīng)力集中,隧道拱底和拱頂附近的圍巖豎向應(yīng)力相比于同等埋深處要小,而拱腰附近要比同等埋深處的大,這是因為支護承擔(dān)了一部分開挖造成的圍巖應(yīng)力釋放,并在拱底和拱頂產(chǎn)生一定變形,使得豎向應(yīng)力集中于拱腰.采用全斷面法、上下臺階法和盾構(gòu)法造成的拱腰豎向應(yīng)力分別為2.05,1.62,1.50 MPa,盾構(gòu)法比全斷面法減小27%,比上下臺階法減小7%.

圖12 豎向應(yīng)力云圖

3.1.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

3種方案施工完成后的既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖如圖13所示.既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖如圖14所示.由圖13-14可知:最大主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是拉應(yīng)力,最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底內(nèi)側(cè);最小主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是壓應(yīng)力,最小主壓應(yīng)力發(fā)生在拱頂和拱腰附近;最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力分別小于鋼筋混凝土抗拉強度和抗壓強度,不會對支護結(jié)構(gòu)造成破壞,且仍有較大的安全富余量.

圖13 既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

3種計算工況下的既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力值見表2.由表2可知:相比于全斷面法和上下臺階法,采用盾構(gòu)法施工造成的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均會出現(xiàn)不同程度下降,其中左線最大主拉應(yīng)力和右線最小主壓應(yīng)力下降最明顯;對于既有左線最大主拉應(yīng)力,盾構(gòu)法的最大主拉應(yīng)力比全斷面法下降54%,比上下臺階法下降50%;對于既有右線最小主壓應(yīng)力,盾構(gòu)法的最小主壓應(yīng)力比全斷面法下降45%,比上下臺階法下降38%.綜上,相比于全斷面法和上下臺階法,盾構(gòu)法可有效地降低施工開挖對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響,從而保證新建地鐵線的安全施工和既有地鐵線的正常運營.

表2 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力 MPa

3.2 注漿加固分析

3.2.1 注漿后應(yīng)變分析

取新建隧道中心線正上方的地表沉降值分析地表沉降,各工況下地表沉降曲線如圖15所示.

圖15 不同工況下的地表沉降曲線

由圖15可知:各工況下的曲線形狀相似,類似于W形,地表沉降在右線隧道的中心線正上方取得最大值,左線和右線隧道中心線正上方為曲線拐點,且由于右線隧道埋深(埋深為5.0 m)比左線(埋深為10.5 m)小,故右線隧道中心線正上方的地表沉降大于左線;工況1地表沉降最大,其次是工況2,3和4,且工況1遠大于其他工況;工況1地表沉降最大值為7.3 mm,工況2地表沉降最大值為5.1 mm,工況3地表沉降最大值為4.9 mm,工況4地表沉降最大值為4.4 mm,比工況1減小了40%,說明合理的注漿可以有效地減小地表沉降;工況2和3的地表沉降差異較小,所以在施工時,應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇注漿方案,避免因多余注漿產(chǎn)生的材料浪費和成本的提高.其中沉降差異量指的是最大沉降量與最小沉降量的差值.

根據(jù)圖1-2的監(jiān)測斷面,分析注漿加固后的既有結(jié)構(gòu)變形,各工況下隧道拱底沉降曲線如圖16-17所示.

圖16 不同工況下的左線隧道拱底沉降曲線

圖17 不同工況下的右線隧道拱底沉降曲線

由圖16可知:監(jiān)測段內(nèi)的左線隧道拱底在工況1,2,3和4下的沉降差異量分別為4.8,2.9,2.8和2.5 mm,其中工況4下的沉降差異量比工況1減小了48.0%.由圖17可知:監(jiān)測段內(nèi)的右線隧道拱底在工況1,2,3和4下的沉降差異量分別為3.9,1.8,1.6 和1.5 mm,其中工況4下的沉降差異量比工況1減小61.5%.綜上,注漿加固可以有效地減小既有地鐵隧道的沉降差異量,大幅度地降低不均勻沉降.對比圖16和17,可以發(fā)現(xiàn)右線沉降值均大于對應(yīng)的左線,這是由于沉降的疊加造成的,同時由于左線隧道比右線隧道更靠近新建隧道,故在不同工況下,左線拱底的沉降差異量均大于右線,即左線的沉降曲線比右線更陡.對于左線隧道,工況1的拱底最大沉降值為5.2 mm,而工況4為2.5 mm,比工況1減小52.0%;對于右線隧道,工況1的拱底最大沉降值為7.2 mm,而工況4為4.5 mm,比工況1減小38.0%.由此可見,注漿加固能最大限度地降低既有隧道的沉降,從而減小對既有結(jié)構(gòu)的擾動.

為比較既有地鐵隧道與天然地層的沉降,取同等埋深處天然地層進行監(jiān)測,沉降曲線如圖18-19所示.

圖18 不同工況下的MC-A斷面沉降曲線

圖19 不同工況下的MC-B斷面沉降曲線

由圖18-19可知:由于巖層的剛度小于既有隧道結(jié)構(gòu),所以天然地層的沉降均大于既有隧道;左線附近的地層沉降大于右線,此時影響左右線地層沉降差異的主要因素為與新建隧道的距離.在左線附近地層中(MC-A斷面),工況1的最大沉降值為10.0 mm,而工況4為5.0 mm,比工況1減小了50%;對于右線附近地層(MC-B斷面),工況1的最大沉降值為8.2 mm,而工況4為4.3 mm,比工況1減小了48%;由不同工況引起的最大變化量主要集中距新建隧道中心線距離-3.0～3.0 m的范圍內(nèi)(即注漿加固區(qū)),可見注漿可以明顯減小下穿施工中對于附近天然地層的擾動.

3.2.2 注漿后應(yīng)力分析

通過3.1.2小節(jié)中的應(yīng)力分析可知:既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是拉應(yīng)力,最小主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是壓應(yīng)力,所以本次分析只取4種工況下既有結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力,如表3所示.

由表3中可知:由于左線隧道更靠近新建隧道,故應(yīng)力在注漿前后變化更明顯,其中工況4下的左線最大主拉應(yīng)力比工況1減小66%,工況4下的左線最小主壓應(yīng)力比工況1減小33%;通過對比最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力,可以發(fā)現(xiàn)注漿加固對于最大主拉應(yīng)力的減小最明顯;工況2,3和4下的主應(yīng)力相差很小,所以在實際工程中,應(yīng)綜合各工況下的位移和實際情況,適當(dāng)選取注漿加固區(qū)域,避免材料的浪費.

表3 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力 MPa

4 結(jié) 論

1) 由于土壓平衡盾構(gòu)機對掌子面施加的土倉壓力,盾構(gòu)法施工相比于全斷面法和上下臺階法,能有效地減小地表沉降,同時能夠大幅度地減小既有結(jié)構(gòu)拱頂?shù)某两?且沉降收斂所用時間短于全斷面法和上下臺階法.

2) 相比于全斷面法和上下臺階法,采用盾構(gòu)法施工造成的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均會出現(xiàn)不同程度的下降,其中左線最大主拉應(yīng)力和右線最小主壓應(yīng)力下降最明顯.

3) 相比于不進行注漿加固的臺階法施工,對左右兩側(cè)、底部3.0 m范圍及新舊地鐵隧道中夾巖層的注漿加固(工況4)能大幅度降低地表沉降、既有隧道的最終沉降、既有隧道的不均勻沉降和天然巖層的沉降,但不同注漿加固范圍下的沉降差值較小,所以在現(xiàn)場施工過程中,應(yīng)結(jié)合實際情況合理選取注漿加固區(qū)域,避免材料浪費.

4) 由于既有地鐵線左線更靠近新建地鐵隧道,故左線隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在注漿前后變化更明顯,應(yīng)力變化最大的是左線最大主拉應(yīng)力,工況4下的左線最大主拉應(yīng)力比工況1減小了66%,發(fā)生在隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱底的內(nèi)側(cè).