軟黏土地層中新建隧道下穿既有車站數(shù)值模擬分析

馬騰飛 劉小亮 岳虎

摘 要：依托昆明新建地鐵4號線聯(lián)大街站—昆明南火車站區(qū)間隧道下穿既有車站（昆明地鐵1號線聯(lián)大街車站）工程，基于土體修正莫爾-庫倫屈服準則，采用Midas/GTS有限元軟件建立三維有限元模型，模擬計算了新建隧道開挖對既有車站的影響，并將最終的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，認為在模型、參數(shù)選取合理的前提下，數(shù)值模擬可對下穿施工有良好的指導作用。

關鍵詞：軟黏土；新建隧道；既有車站；數(shù)值模擬

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.32.096

0 引言

當前，隨著城市建設的不斷推進，城市軌道交通將由平面線狀向立體網(wǎng)狀發(fā)展，難免出現(xiàn)在既有車站附近新建地鐵隧道區(qū)間的情況，這必然會使得既有車站穩(wěn)定性受到嚴重影響，同樣也會加大新建隧道區(qū)間工程的施工難度；而在軟弱黏土中進行隧道的下穿施工，無疑會進一步增加施工風險以及難度，因此，開展軟黏土地層中新建隧道下穿既有車站的數(shù)值模擬研究是具有相當現(xiàn)實意義的。

目前，國內(nèi)外相關學者已在數(shù)值模擬方面對新建隧道下穿施工開展了較為深入的研究，并也已取得較豐碩的成果?；魸櫩频仍诟凰S土地層中采用降水與注漿兩種地層加固措施，建立滲流—應力耦合數(shù)值計算模型，發(fā)現(xiàn)注漿加固下襯砌各部位受力均大于降水加固，兩種加固方案下地表沉降以及洞周土體變形的模擬值與監(jiān)測值較為吻合。侯策源等基于工程實例，對砂卵石復合地層采取地面注雙液漿及管棚預加固措施，發(fā)現(xiàn)在加固后盾構(gòu)掘刀盤扭矩和推力下降顯著，掘進速度明顯提高，達到了預期加固效果。陳城等應用FLAC 3D軟件模擬了水位上升后下穿既有隧道的沉降情況，發(fā)現(xiàn)水位上升后原有加固方案已不再滿足安全要求，繼而對注漿加固范圍進行了優(yōu)化，以保證既有隧道安全穩(wěn)定。楊建周依托某穿越松散堆積體隧道，采用試驗研究數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了松散堆積體隧道到快速掘進施工方法，發(fā)現(xiàn)采用膏狀注漿材料加固松散體地層 ，可以使得松散堆積體中的塊石膠結(jié)，增加隧道施工圍巖變形穩(wěn)定，達到安全高效掘進的施工目的。譚杰等依托三亞隧道穿越全風化石英巖富水軟弱地層工程，根據(jù)施工采用的水平旋噴樁預加固方案，首先利用力學參數(shù)試驗研究了旋噴樁體的物理力學特性，并建立了三維數(shù)值分析模型，對水平旋噴預加固的效果及加固后所采用的施工方法進行了比選分析。

上述研究大太注重工程實際施工方法，缺乏理論上的凝練，同時軟黏土這一特殊地層的研究較少。本文依托昆明新建地鐵4號線聯(lián)大街站-昆明南火車站區(qū)間隧道下穿既有車站（昆明地鐵1號線聯(lián)大街車站）工程，模擬了軟黏土地層中新建隧道開挖對既有車站的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，以期為相似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 新建隧道與既有車站位置

新建隧道為昆明地鐵4號線聯(lián)大街站與端頭井的連接部分，位于聯(lián)大路與彩云南路交叉路口地下，沿聯(lián)大路由東向西布置，采用CRD法暗挖下穿昆明地鐵1號線聯(lián)大街站（既有車站）。新建車站、新建隧道與既有車站位置關系如圖1 所示。

1.2 工程地質(zhì)、水文情況

工程勘探的最大探孔深度達73 m，擬建場地內(nèi)地下水埋深為5m，主要賦存有上層滯水、潛水、承壓水。既有車站周邊土層自上而下依次為①2素填土、②2粉質(zhì)黏土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、⑥1-2黏土、⑥2-2粉質(zhì)黏土。新建隧道地層主要在③1黏土、③2粉質(zhì)黏土層內(nèi)，并且部分位于潛水層中，由于潛水的存在，此處的黏土、粉質(zhì)黏土呈軟塑狀態(tài)，進行下穿施工時易出現(xiàn)掌子面坍塌失穩(wěn)。同時由于新建隧道與既有車站平面垂直距離不足2 m，屬于超近距近接施工，經(jīng)識別屬特級風險源。

1.3 施工監(jiān)測情況

為保證下穿施工過程中既有車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50911-2013）的要求，須分別在既有車站兩條軌道線路附近設置監(jiān)測點，每條線路附近設11個測點，監(jiān)測點布設如圖1所示。

2 有限元模型及參數(shù)選取

2.1 有限元模型的建立

基于勘察設計資料和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮到新建車站及隧道的影響范圍，Midas/GTS模型尺寸取300 m×200m×55 m 。新建隧道與既有車站模型圖如圖2所示。

2.2 土層參數(shù)

土層計算模型采修正摩爾-庫倫模型，屈服破壞準則為von Mises準則。根據(jù)巖土工程勘察報告，確定土體物理力學參數(shù)，見表1。

建模時，所有土體均采用實體單元模擬；既有車站結(jié)構(gòu)、隧道初期支護、隧道二襯采用板單元模擬；下穿施工地層加固體通過修改單元參數(shù)方法進行處理。

2.3 注漿加固參數(shù)

新建隧道開挖采用CRD法，開挖斷面采用三重管高壓旋噴樁加固，水泥摻量30%，水灰比0.8。三重管高壓旋噴樁加固土體物理力學參數(shù)見表2；開挖區(qū)四周加固土體范圍為新建隧道開挖面邊緣向外擴展2m。

3 計算結(jié)果及分析

將新建隧道模擬開挖完成后的出既有車站軌道線附近（參見圖1）監(jiān)測點的沉降值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比，見圖3。

由圖3可知：①既有車站位移曲線沒有像文獻中呈現(xiàn)為雙峰值曲線，而是單峰值位移曲線，這是因為車站結(jié)構(gòu)剛度極大以及兩新建隧道距離較近的原因；②軌道線處的數(shù)值模擬沉降曲線與現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線較為吻合，軌道線處的沉降峰值與新建隧道左右線的中心略有偏移，這是因為新建隧道左右線不同步施工造成的；③數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測的軌道處最大沉降值均小于規(guī)范限值（10 mm） ，兩軌道線處最大沉降數(shù)值模擬值和實測值誤差分別為4.2%和8.8%，這表明針對該工程所選用的模型和參數(shù)是較為合理的。

4 結(jié)論

（1）因為車站結(jié)構(gòu)剛度極大以及兩新建隧道距離較近的原因，既有車站位移曲線是單峰值位移曲線。

（2）由于新建隧道左右線不同步施工，軌道線處的沉降峰值與新建隧道左右線的中心略有偏移。

（3）既有車站軌道線處的數(shù)值模擬沉降曲線與現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線較為吻合，這表明在模型、參數(shù)選取合理的前提下，數(shù)值模擬可對下穿施工有良好的指導作用。

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