羅錫波,張雪松,陳發(fā)勇,陽 超,王玉鎖
(1.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司,安徽合肥 230088;2.西南交通大學 土木工程學院,四川成都 610031)
在城市的快速發(fā)展中面臨著人口激增、土地、交通等一系列問題,地鐵的安全、快捷、節(jié)約土地的優(yōu)點使其成為解決城市發(fā)展交通問題的一把利劍,也因此成為現(xiàn)代大都市的標配[1]。
目前,成都地鐵共開通6條線路(1、2、3、4、7、10號線),線路總長約196 km,共計136座車站投入運營(換乘站不重復計算),且成都地鐵的在建項目較多,目前在建線數(shù)達到10條、里程351 km,所以經(jīng)常存在多個隧道一同施工的情況,對彼此會產(chǎn)生一定程度上的影響,為此,本次結(jié)合成都地鐵9號線一期工程5標中采用暗挖法修建上穿盾構(gòu)隧道的項目,對暗挖隧道上穿修建完成不久的盾構(gòu)隧道的影響進行了研究,可為工程施工提供一定參考價值。
成都軌道交通9號線5標共包括兩個盾構(gòu)區(qū)間和一個武青車輛段出段線。
盾構(gòu)區(qū)間包括武青南路站—機投橋站和機投橋站—培風站。武青南路站—機投橋站:左線(515#)全長2 435.299 m,右線(517#)全長2 427.717 m,區(qū)間隧道埋深18.4~25.3 m。機投橋站—培風站:左線(518#)長604.040 m,右線(516#)長1 238.231 m,區(qū)間隧道埋深20~28 m。
礦山法隧道施工區(qū)間為武青車輛段出段線,其位于機投鎮(zhèn)站—武青北路站正線區(qū)間西側(cè),位于同時在建成浦鐵路橋附近。出線端與機投鎮(zhèn)站相接,武青車輛段出入段線位于機投橋站—培風站區(qū)間,大體呈八字型布置,入段線與培風站相接,出段線與機投橋站相接。出段線隧道起止里程為:CDK0+091.729~CDK0+880.000,長度799.271 m,其中,里程CDK0+340.291~ CDK0+753.000(412.709 m)段采用礦山法施工,區(qū)間埋深10 m左右,其余段均采用明挖法施工。地層從上到下依次為雜填土、沖擊卵石土(稍密)、沖擊卵石土(中密)、沖擊卵石土(密實)和冰水沉積、沖擊卵石土(密實)。成都地鐵9號線中盾構(gòu)隧道與礦山法隧道的關(guān)系圖見圖1。
圖1 盾構(gòu)隧道與礦山法隧道的關(guān)系
圖2 數(shù)值模型
本標段的盾構(gòu)區(qū)間管片采用的是混凝土裝配式預制管片,外徑6.7 m,內(nèi)徑6 m,管片厚度為0.35 m,長度為1.5 m,混凝土等級為C50,拼裝方式為錯縫式。礦山法隧道橫斷面尺寸圖見圖2,在數(shù)值模型中,對于管棚及超前錨桿強化圍巖的作用,采用等效方式來進行模擬,根據(jù)JTGD 70-2004《公路隧道設計規(guī)范》以及施工經(jīng)驗,在對隧道圍巖進行超前管棚預加固后,加固區(qū)的參數(shù)一般可認為提高一個級別[2],經(jīng)等效換算后,各工況下管棚加固土及超前管棚加固土的參數(shù)取值見表1。隧道土層從上而下分別為雜填土(3.2 m)、稍密砂卵石(3.7 m)、中密砂卵石(12 m)、密實砂卵石(20.13 m);暗挖隧道中的初期支護為鋼架+鋼筋網(wǎng)+C25噴射混凝土,二次襯砌為防水鋼筋混凝土(混凝土為C35),初支和二襯的材料參數(shù)按抗彎剛度等效方法計算。隧道結(jié)構(gòu)及土層的計算參數(shù)分別見表1和表2。
表1 隧道結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)
表2 土層的計算參數(shù)
采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型(圖2),該模型的長、寬、高分別為90 m、92 m和45.7 m。其中土有4層,從上至下分別為雜填土(3.2 m),稍密卵石土(3.7 m),中密砂卵石(12 m),密實砂卵石(26.8 m)。均為三維摩爾庫倫本構(gòu)模型的單元。盾構(gòu)隧道管片和礦山法隧道的初支、二襯及仰拱均采用彈性實體單元進行模擬;對于超前管棚和超前錨桿的施作,進行了簡化處理,用摩爾-庫倫實體單元按等效方法來進行模擬。在模型中,上表面為自由邊界,側(cè)面及底面的位移是被約束了的。
在進行有限元數(shù)值模擬時,盾構(gòu)隧道每次開挖長度為1.5 m;礦山法隧道的施工方法為環(huán)形開挖預留核心土法,開挖進尺為0.5 m,上臺階長度為3 m,下臺階長度為6 m。整個施工過程分為如下6步:
步驟1:自重應力場計算。
步驟2:開挖盾構(gòu)隧道左線。
步驟3:開挖盾構(gòu)隧道右線。
步驟4:進行超前錨桿和管棚預加固。
步驟5:開挖礦山法隧道,并施作初支。
步驟6:在礦山法隧道區(qū)間開挖完成后,施作二襯。
在本節(jié)中,選擇礦山法隧道與盾構(gòu)隧道重疊的兩個斷面作為監(jiān)測斷面(y=34.5m及y=63m斷面處,分別記為截面Ⅰ和Ⅱ),對開挖過程中各測點(具體位置見圖3)的地表沉降及豎向應力進行監(jiān)測。
在圖3(b)中,地面測點1~3處于截面Ⅰ的上方,地面測點4~6處于截面Ⅱ的上方;盾構(gòu)測點1~3位于截面Ⅰ右線盾構(gòu)隧道上,盾構(gòu)測點4~6位于截面Ⅱ左線盾構(gòu)隧道上。
圖3 監(jiān)測斷面及測點位置
依據(jù)施工順序,各隧道開挖貫通的地表縱向沉降云圖見圖4。
由圖4可知,在盾構(gòu)隧道左線貫通以后,此時地表最大沉降為6.8 mm;在盾構(gòu)隧道右線也貫通以后,沉降最大處位于兩條盾構(gòu)隧道的中間最大沉降為10 mm,模型兩側(cè)土體有略微隆起(為1.9 mm);在礦山法隧道開挖完成以后,此時地表沉降最大值為18.1 mm,坐標為(43.0,54.5,45.7),位于兩重疊斷面的中間區(qū)域,而模型的左上角及右上角部分區(qū)域的地表有輕微的隆起(隆起的最大高度為4 mm)。
監(jiān)測斷面Ⅰ和Ⅱ中各測點所記錄地表及隧道結(jié)構(gòu)的位移見圖5,圖中橫坐標為計算步數(shù),從3 042步到15 042步為模擬盾構(gòu)隧道(左線)開挖的計算;從15 042步到27 042步為模擬盾構(gòu)隧道(右線)開挖的計算;從27 042步以后為模擬礦山隧道開挖的計算;從64 042步以后為模擬二襯施作的計算,圖上的“盾構(gòu)左”、“盾構(gòu)右”、“礦山隧道”分別表示盾構(gòu)隧道左線、盾構(gòu)隧道右線及礦山法隧道開挖及初支的施作,“礦山隧道二襯”表示礦山法隧道二襯的施作。礦山法隧道開挖導致的盾構(gòu)隧道上浮矢量圖見圖6。
圖4 地表沉降云圖
圖5 地表及隧道結(jié)構(gòu)的位移
圖6 礦山法隧道開挖導致的盾構(gòu)隧道上浮矢量
由圖5(a)、圖5(b),可知在隧道開挖過程中,y=34.5 m斷面處地面測點2的沉降值最大,為14.6 mm,在每條隧道臨近貫通前,位移都有向上的趨勢,這是由于隧道臨近貫通前,掌子面上方的地表沉降向下,而導致y=34.5m斷面處的位移有所回升,而在另外一條隧道開挖的時候,又開始向下沉降;y=63m斷面處地面測點5的沉降值及變化速率最大,為16.6 mm,相比于y=34.5斷面處的地表沉降略大一些,在每條隧道臨近貫通前,位移同樣的也都有向上的趨勢,原因和y=34.5m斷面的相同,在礦山法隧道開挖到此斷面前,地表位移略微上升,速率接近于0。
由圖5(c)、圖5(d)可知:在隧道開挖過程中y=34.5 m斷面處,盾構(gòu)隧道左線開挖對右線的三個測點豎向位移的影響均不大,在右線開挖至此斷面時,其拱頂開始出現(xiàn)明顯沉降,且沉降速率先急劇增大,最大值約為14.5 mm,盾構(gòu)開挖經(jīng)過此斷面以后,拱頂沉降有所回升,在礦山法隧道臨近貫通前,拱頂沉降接近為0,施作二襯期間,拱頂沉降值略微增大至1.2 mm,并趨于穩(wěn)定;而右線隧道兩拱腰處在開挖至此斷面前,左拱腰處有所上浮,右拱腰略有沉降,但是接近于0,在開挖到此斷面以后,左右拱腰的上浮速率急劇增大,在礦山法隧道施作二襯期間達到最大值(左拱腰上浮至16 mm,右拱腰上浮至14 mm),在施作二襯經(jīng)過這個斷面以后,略有下降,左拱腰穩(wěn)定值約為15 mm,右拱腰的約為13 mm。
在y=63m斷面處,盾構(gòu)隧道左線開挖到此斷面前,左線上三個測點的位移接近于0,當開挖面接近于y=63m斷面時,左線拱頂開始出現(xiàn)明顯沉降,且沉降速率先急劇增大(其中拱頂速率最大),拱頂沉降最大值約為16.5 mm,盾構(gòu)開挖經(jīng)過此斷面以后,拱頂沉降有所回升,在礦山法隧道臨近貫通前,拱頂沉降約為0.3 mm,施作二襯期間,拱頂沉降值略微增大至0.4 mm,并趨于穩(wěn)定;而左線隧道左右拱腰處在開挖至此斷面前,均有所沉降,且速率及大小基本相同,在開挖到此斷面以后,左右拱腰的上浮速率急劇增大,且基本相同,在盾構(gòu)隧道開挖近一半以后,位移有所下降,但是右拱腰下降速率小于左拱腰的,在礦山法隧道施作二襯期間,達到最大上浮值,左右拱腰分別為12.5 mm和15.4 mm。但臨近右線隧道拱腰的上浮值明顯要大一些,而且也比左線截面1處的大一些,而右線左拱腰的上浮值比右拱腰大一些,這可能是由于各側(cè)隧道開挖完成后,引起兩側(cè)較遠的土體略向上隆起,而右側(cè)有兩條隧道貫通所引起的。
從圖6可知,礦山法隧道開挖使得盾構(gòu)隧道左右線產(chǎn)生上浮,上浮最大位置位于礦山法隧道與盾構(gòu)隧道重疊處,施工時應予以重視。
盾構(gòu)隧道兩截面各測點的豎向應力變化曲線見圖7。
圖7 盾構(gòu)隧道各測點的豎向應力變化曲線
由圖7可知,在y=34.5m和y=63m斷面處,當測點各自所在的隧道開挖至此監(jiān)測斷面時,豎向應力值均有發(fā)生突變,且都是左拱腰處豎向應力值突變速率和幅度最大,最大值分別為-7.2 MPa(右線y=34.5m斷面)和-6.05 MPa(左線y=63m斷面處),拱頂處均迅速從受壓變?yōu)槭芾?,但是左線y=63m斷面處達到1 MPa,明顯大于右線y=34.5m斷面處的0.2 MPa,這是由于開挖至各自監(jiān)測斷面時,產(chǎn)生了臨空面引起的,在施作管片以后,應力值緩緩增大,并趨于穩(wěn)定;在礦山法隧道上穿重疊區(qū)域時,各測點的壓應力均有所減小,這是由于上部隧道開挖至此處,產(chǎn)生空洞,而使得隧道有所上浮而引起的;在二襯施作到測點所在斷面以后,壓應力略有增大,并逐漸穩(wěn)定。
最終各測點的豎向應力穩(wěn)定值分別是:右線y=34.5m斷面處左拱腰為-6.5 MPa、拱頂為-0.4 MPa、右拱腰為-5.7 MPa;左線y=63m斷面處左拱腰為-5.4 MPa、拱頂為-0.9 MPa、右拱腰為-4.7 MPa。
本文通過數(shù)值模擬對礦山法隧道上穿不久前貫通的盾構(gòu)隧道之影響進行了研究,主要結(jié)論如下:
(1)在隧道開挖過程中,開挖至各監(jiān)測斷面時,此處地表沉降速率會迅速增大,且每個隧道臨近貫通前和另一隧道開挖初期,重疊斷面處的地表沉降都會有所上升;位于兩隧道之間的位置地表最終沉降最大,在y=34.5m和y=63m處截面處分別為14.6 mm和16.6 mm;在礦山法隧道開挖完成以后,此時地表沉降最大值為18.1 mm,位于兩重疊斷面的中間區(qū)域,而模型的左上角及右上角部分區(qū)域的地表有輕微的隆起(隆起的最大高度為4 mm)。
(2)在盾構(gòu)隧道開挖完成后,引起兩側(cè)較遠的土體略向上隆起,而導致左線盾構(gòu)隧道右側(cè)和右線盾構(gòu)隧道左側(cè)拱腰位移稍比另一側(cè)大;
(3)礦山法隧道的開挖會導致兩條已經(jīng)開挖完畢的盾構(gòu)隧道有所上浮,上浮最大距離為右線隧道的7.4 mm,兩條盾構(gòu)隧道的上浮最大位置都位于重疊斷面處,在施工時應予以重視;
(4)在礦山法隧道上穿重疊區(qū)域時,各測點的壓應力均有所減小,這是由于上部隧道開挖至此處,產(chǎn)生空洞,而使得隧道有所上浮而引起的;而在二襯施作到重疊斷面以后,豎向壓應力略有增大,并逐漸穩(wěn)定,最終重疊斷面處隧道結(jié)構(gòu)均受壓,最大不超過6.5 MPa。