雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿既有市政隧道的變形規(guī)律研究

高剛剛

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地鐵數(shù)量及規(guī)模得到空前發(fā)展。由于受到城市地下空間資源有限、地下建(構(gòu))筑物數(shù)量增多、地質(zhì)條件與工程環(huán)境條件日益復(fù)雜等因素的影響，新建城市地鐵隧道近接既有建(構(gòu))筑物的現(xiàn)象日益增多。

文獻(xiàn)[1-6]對盾構(gòu)下穿既有隧道這一問題已經(jīng)有了一定的研究，然而，目前已有研究中存在以下問題：(1)對于盾構(gòu)隧道下穿公路框架隧道的研究較少；(2)研究多集中于隧道正交下穿對于上部隧道的影響，而實際中隧道正交下穿的情況較少；(3)對于下穿施工不同階段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技術(shù)參數(shù)影響的研究相對較少。本文以杭州地鐵五號線浙三區(qū)間斜交下穿紫金港路隧道工程為依托，研究了既有市政隧道受雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿時的變形規(guī)律，以及注漿壓力和地層加固措施的影響規(guī)律。

1 工程概況

杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港隧道，新建隧道與既有隧道之間的空間相對關(guān)系如圖1、圖2所示，隧道頂與紫金港隧道底部凈距約4 m，紫金港隧道為市政公路隧道，結(jié)構(gòu)為矩形框架混凝土結(jié)構(gòu)，明挖法施工，盾構(gòu)通過范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，內(nèi)部型鋼已全部拔除，已預(yù)留盾構(gòu)通過條件。為了減小地鐵盾構(gòu)隧道的施工對紫金港路隧道的影響，在紫金港路隧道施工期間，已經(jīng)對隧道底部地層進(jìn)行了三軸水泥土攪拌樁加固，樁長6 m。

圖1 盾構(gòu)下穿紫金港隧道總平面

圖2 盾構(gòu)下穿紫金港隧道剖面(單位：m)

2 計算說明

2.1 計算模型

本章采用Flac3d軟件進(jìn)行三維建模計算，模型長108 m，寬91 m，高52.8 m，地鐵區(qū)間隧道拱頂埋深為19.1 m，紫金港路隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深為3.3 m，底板埋深為15.3 m，地鐵區(qū)間隧道拱頂與紫金港路隧道結(jié)構(gòu)底板之間的距離約為3.8～4.0 m，地鐵區(qū)間隧道中心線與紫金港路隧道中心線交角約為51 °，三維計算模型如圖3所示。

圖3 三維計算模型(單位：m)

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)勘察報告中給出的地層物理力學(xué)參數(shù)建議值和部分規(guī)范、文獻(xiàn)中給出的地層參考建議值，確定基于Mohr-Coulomb模型的各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，根據(jù)前人的研究成果，計算中彈性模量一般取壓縮模量的2～5倍，本模型取3.5倍。有關(guān)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)按規(guī)范取值如表2所示，本模型管片的整體剛度折減系數(shù)為0.8。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

盾構(gòu)開挖時，注漿壓力和土倉壓力用等效荷載代替。由于本章研究中隧道埋深不變，所以土倉壓力(即掌子面等效平衡荷載)保持不變，為0.2 MPa。每次開挖1環(huán)(即1.2 m)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬示意如圖4所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道下穿既有市政隧道的施工影響規(guī)律

3.1.1 沿新建盾構(gòu)隧道走向的沉降規(guī)律

J6-1～J6-6監(jiān)測點為既有隧道結(jié)構(gòu)上沿左線中心線布置的(圖1、圖2)。注漿壓力為0.15MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J6-1～J6-6監(jiān)測點的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖5所示。由圖5可以看出，左線開挖時，監(jiān)測點的沉降值隨著掌子面的推進(jìn)在逐漸增大，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點之后，監(jiān)測點開始上浮并趨于穩(wěn)定，這是因為既有市政隧道的存在，使得下穿段的水土壓力減小，相當(dāng)于覆土厚度減小。由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點的變形并不大，J6-1～J6-2監(jiān)測點的豎向變形較J6-3～J6-6監(jiān)測點的大，說明紫金港路主隧道的抵抗變形能力比匝道的大。右線開挖時，監(jiān)測點的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

圖5 左右線開挖時，J6-1～J6-6監(jiān)測點豎向變形

3.1.2 沿既有市政隧道走向的沉降規(guī)律

J1-1～J1-5監(jiān)測點為匝道結(jié)構(gòu)上沿走向布置的，注漿壓力為0.15 MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J1-1～J1-5監(jiān)測點的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖6所示。由圖6可以看出，左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點的沉降最大值隨著與左線中心線的水平距離增大而減小，監(jiān)測點位移值的拐點可以反映出監(jiān)測點的變形趨勢并非相同的，而是根據(jù)與掌子面的走向距離越近的越早出現(xiàn)。當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點之后，監(jiān)測點開始上浮并趨于穩(wěn)定，由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點的變形并不大。右線開挖時，監(jiān)測點的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似，且最終變形較小。

圖6 左右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點豎向變形

由圖7可以看出，左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點的沉降最大值隨著與左線中心線(x=-6.5m)的水平距離增大而減小。由圖8可以看出，右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點的沉降最大值隨著與右線中心線(x=6.5m)的水平距離增大而減小。

圖7 左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點豎向變形

圖8 右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點豎向變形

3.2 注漿壓力對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

J6-1監(jiān)測代表點在不同注漿壓力及地層加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，左線開挖時，在注漿壓力為0.15 MPa下，J6-1監(jiān)測點先發(fā)生沉降，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(26環(huán))之后，監(jiān)測點開始上浮并趨于穩(wěn)定，最終變形值為-0.25 mm；在注漿壓力為0.20 MPa下，J6-1監(jiān)測點先發(fā)生沉降，但沒有0.15 MPa的明顯，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點之后，監(jiān)測點開始上浮并趨于穩(wěn)定，最終變形值為0.4 mm；在注漿壓力為0.25 MPa下，J6-1監(jiān)測點一開始就表現(xiàn)為上浮，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點之后，監(jiān)測點上浮的趨勢更明顯，最終趨于穩(wěn)定，變形值約為0.7 mm；在注漿壓力為0.30 MPa下，J6-1監(jiān)測點的變形規(guī)律與0.25 MPa的類似，最終變形值為0.9 mm。右線開挖時，監(jiān)測點的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

圖9 左右線開挖時，J6-1監(jiān)測點在不同注漿壓力下的豎向變形

3.3 地層加固對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

J6-1監(jiān)測代表點在注漿壓力為0.15 MPa及地層加固與不加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，左線開挖時，在地層加固條件下，J6-1監(jiān)測點的最大沉降值為-0.7 mm，最終變形值為-0.25 mm；在地層不加固條件下，J6-1監(jiān)測點的最大沉降值為-0.9 mm，最終變形值為-0.55 mm，與地層加固條件下的變形值相比，分別增大了28.5 %、120 %。右線開挖時，J6-1監(jiān)測點的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，與地層加固條件下的變形值相比，分別增大了58.3 %、225 %。

圖10 左右線開挖時，J6-1監(jiān)測點在地層加固與不加固條件下的豎向變形

根據(jù)圖5可知，既有市政隧道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道開挖過程中發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。地層在加固和不加固條件下，既有市政隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形放大圖如圖11、圖12所示，對于混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形將會對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生極為不利的影響，嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂，影響其的正常使用和耐久性。由圖11、圖12可知，在地層采取三軸水泥土攪拌樁加固之后，減小了既有市政隧道結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

圖11 地層加固條件下，左線開挖時J6-1～J6-6監(jiān)測點斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位：mm)

圖12 地層未加固條件下，左線開挖時J6-1～J6-6監(jiān)測點斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位：mm)

4 結(jié)論

以杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港路隧道為工程背景，采用均布環(huán)向注漿力和等代層模擬盾尾同步注漿，研究了盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿紫金港路隧道對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，分析了注漿壓力及地層加固與否等因素對既有市政隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)既有市政隧道的豎向變形值隨著掌子面的推進(jìn)在下沉，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點之后，監(jiān)測點開始上浮并最終趨于穩(wěn)定，由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)的變形并不大，匝道的豎向變形較紫金港路主隧道的大。既有隧道結(jié)構(gòu)的變形最大值隨著與盾構(gòu)線路中心線的水平距離增大而減小。

(2)既有市政隧道的豎向變形值會隨著注漿壓力的增大而增大，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合非下穿段的地表沉降值，建議盾構(gòu)在非下穿段采用0.3 MPa的注漿壓力，在下穿段采用0.15 MPa的注漿壓力。

(3)既有市政隧道的豎向變形值會因為既有市政隧道底部地層采取三軸水泥土攪拌樁加固措施而減小。采取地層加固措施既提高了既有市政隧道底部地基的承載力，又減小了盾構(gòu)區(qū)間隧道與既有市政隧道之間在施工及運營期間的相互影響。