新建隧道超小凈距下穿既有隧道施工沉降規(guī)律研究

王美霞，趙鳳凱

(青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266000)

1 工程概況

青島地鐵8#線區(qū)間線路全長99.232 m，采用礦山法施工，區(qū)間隧道以單洞單線形式敷設(shè)，線間距37 m，平面線型為直線。其中，青滄區(qū)間左線里程ZDK47+540.430～ZDK47+670下穿已運營地鐵3#線永青區(qū)間，采用非爆破暗挖法施工，先下穿3#線右線，平面角度約16°，后下穿3#線左線，平面角度約17°，縱斷面坡度為30‰～2‰(西高東低)。

青島地鐵3#線于2015年12月16日北段通車運營，全線開通運營時間為2016年12月18日。3#線線間距10.235～13 m，平面線型為圓曲線、緩和曲線，縱斷面坡度為13‰(西低東高)，采用礦山法爆破施工。下穿段范圍內(nèi)，3#線右線YDK24+160～YDK24+242.004列車運行速度72.5 km/h，左線ZDK24+108～ZDK24+200列車運行速度74.5 km/h。

8#線拱頂至3#線底板距離為0.445～4.247 m。8#線洞身位于中、微風(fēng)化花崗巖，設(shè)計為VI級圍巖，巖石強度單軸飽和抗壓強度最大43 MPa。地下水以第四系孔隙潛水、基巖裂隙水為主，地下水量中等。

2 沉降規(guī)律數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

計算采用巖土有限元分析軟件MIDAS/GTS建立整體三維有限元模型進行計算分析。模型建立在如下簡化與假設(shè)基礎(chǔ)上：3#線和8#線均處于最不利地層條件選定，模型自上而下地層劃分為雜填土、強風(fēng)化下亞帶、中風(fēng)化節(jié)理發(fā)育帶、微風(fēng)化節(jié)理發(fā)育帶；初始應(yīng)力假定為自重應(yīng)力場，即各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布切同一土層各向同性，結(jié)構(gòu)體變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；不考慮地下水影響。

以地鐵8#線線路方向為Y軸，其垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析。為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取120 m，Y軸方向取80 m，Z軸(深度)方向取60 m。由此建立的模型如圖1所示。模型計算采用4節(jié)點四面體單元和8節(jié)點六面體單元，共包含356 267個單元和77 247個節(jié)點。計算模型中各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計算模型

模型中除自重外，考慮列車荷載。列車車軸重140 KN，六輛編組，單輛列車荷載如圖2所示。

圖2 列車豎向活載圖

2.2 計算結(jié)果分析

地鐵3#線區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)沉降云圖見圖3?？芍罔F8#線右線開挖完成后，地鐵3#線最大沉降發(fā)生在右線區(qū)間，沉降部位位于隧道拱頂，最大沉降值為0.000 7 mm,水平位移為0.011 6 mm。

圖3 右線隧道結(jié)構(gòu)沉降云圖

地鐵3#線區(qū)間左線隧道結(jié)構(gòu)沉降云圖見圖4?？芍罔F8#線左線開挖完成后，地鐵3#線最大沉降發(fā)生在左線區(qū)間，沉降部位位于隧道拱頂，最大沉降值為0.283 mm,水平位移為0.000 5 mm。

圖4 左線隧道結(jié)構(gòu)沉降云圖

綜上分析，地鐵8#線隧道開挖對既有3#線結(jié)構(gòu)變形影響較小，3#線結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為豎向位移，水平位移可忽略不計，影響最大工況為8#線左線掌子面距3#線最近時工況，最大豎向位移為0.393 mm，最大水平位移為0.000 5 mm，滿足3#線結(jié)構(gòu)安全要求。

3 沉降規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測布設(shè)概況

為保證既有地鐵3#線永青區(qū)間在8#線下穿施工過程中的運營安全，對既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用自動化監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)段里程DK24+100～DK24+250，監(jiān)測范圍為150 m。監(jiān)測點布設(shè)于隧道主體，雙線雙洞。既有地鐵3#線永平青區(qū)間監(jiān)測點布置。測量初始值采集時間為2019年2月22日，截止2019年9月25日完成測量工作。

3.2 監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)分析

通過在地鐵3#線隧道內(nèi)布設(shè)自動化監(jiān)測設(shè)備，24 h實時監(jiān)測3#線軌道沉降、結(jié)構(gòu)收斂等數(shù)據(jù)變化情況。經(jīng)監(jiān)測可知，地鐵3#線永青區(qū)間隧道各項監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，運營地鐵3#線結(jié)構(gòu)的累計沉降值控制在2 mm以內(nèi)，遠低于運營3#線結(jié)構(gòu)沉降控制值5 mm。地鐵3#線永青區(qū)間左右線隧道監(jiān)測點沉降曲線見圖5。

圖5 隧道監(jiān)測點沉降曲線圖

4 施工難點及控制措施

(1)下穿段隧道開挖采用非爆開挖，減少土體及巖體間震動，降低地鐵3#線拱底下沉及沉降。經(jīng)過充分的方案論證，采用懸臂掘進機進行下穿段開挖施工。

(2)采用臺階法開挖，開挖完成后及時施做初期支護，嚴格控制開挖進尺與開挖輪廓。

(3)實施自動化監(jiān)測，采用測量機器人、小棱鏡等監(jiān)測設(shè)備，24 h實時監(jiān)測地鐵3#線軌道沉降、結(jié)構(gòu)收斂等數(shù)據(jù)變化情況。

(4)實施運營安全評估與限速，下穿施工期間，列車通過速度限速為30 km/h。

5 結(jié) 論

(1)通過數(shù)值計算得出下穿過程中既有隧道左線和右線結(jié)構(gòu)變形均在安全控制范圍之內(nèi)。因有限元理想彈塑性模型及土工試驗報告與實際情況會存在偏差，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際產(chǎn)生一定的差異。

(2)建立完善的監(jiān)測方案、監(jiān)測方法和施工應(yīng)急預(yù)案，并制定監(jiān)測控制指標和監(jiān)測預(yù)警值，實施24 h自動化監(jiān)測，并將列車運行速度調(diào)整為15～30 km/h，確保既有線路運營的安全。

(3)采用懸臂掘進機進行掘進施工，對圍巖擾動極小，提高隧道機械化施工程度及其配套施工技術(shù)并降低施工安全風(fēng)險，減少爆破對已運營的3#線軌面影響。進一步驗證，懸臂掘進機特別適用對周邊圍巖擾動要求等級較高的隧道施工，具有快速高效、節(jié)約成本、降低安全風(fēng)險等優(yōu)點。