盾構(gòu)鄰近既有隧道施工控制技術(shù)及影響分析

劉士波

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

隨著城市地鐵、地下公路和綜合管廊等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，鄰近既有地下建(構(gòu))筑物的新建盾構(gòu)隧道工程大量涌現(xiàn)[1]。盾構(gòu)施工必然會(huì)引起鄰近既有建(構(gòu))筑物及其周圍地層的附加變形及應(yīng)力，進(jìn)而可能對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)造成安全隱患[2,3]。此外，盾構(gòu)隧道由管片和接頭拼裝構(gòu)成，大量接縫構(gòu)造存在于隧道之中。鄰近既有建(構(gòu))筑物的附加變形可能進(jìn)一步導(dǎo)致在建盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，并造成管片損傷和滲漏水等結(jié)構(gòu)缺陷，為后期隧道運(yùn)營(yíng)增加困難和額外經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究盾構(gòu)近接施工及其控制技術(shù)是十分必要的。

盡管盾構(gòu)隧道近接施工早已屢見不鮮，但各項(xiàng)工程往往獨(dú)具特點(diǎn)，且其所處周圍環(huán)境、水文地質(zhì)條件等千差萬(wàn)別，故基于某一特定工程得到的研究結(jié)果很難具有通用性。此外，根據(jù)鄰近既有建(構(gòu))筑物類型的差異，盾構(gòu)隧道施工的控制要求和安全指標(biāo)也各有不同。其中，既有地下管網(wǎng)、隧道和基坑工程是盾構(gòu)近接施工中最為常見的建(構(gòu))筑物[4-7]。考慮到既有隧道通常擔(dān)負(fù)交通運(yùn)輸或綜合管廊等重要功能，一旦發(fā)生安全事故將面臨難以估量的損失[8]，因此盾構(gòu)隧道鄰近既有隧道施工安全控制和影響研究尤其受到重視。

根據(jù)新建及既有結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，盾構(gòu)近接隧道施工一般可分為下穿、側(cè)穿、并行和交疊等不同情況[9-11]。近年來，有關(guān)學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)鄰近既有隧道施工影響和控制技術(shù)等開展了大量研究，采用了模型試驗(yàn)、理論解析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算等多種不同方法[12-15]。通常情況下，利用模型試驗(yàn)?zāi)軌颢@得比較直觀、便于觀測(cè)的結(jié)構(gòu)變形模式和規(guī)律性分布特征，但其結(jié)果的可靠性易受到試驗(yàn)人員操作水平和試驗(yàn)器械的影響[16]。理論分析法一般將隧道簡(jiǎn)化為梁結(jié)構(gòu)或基于二維模型開展推導(dǎo)[17]，可為工程人員提供參數(shù)明了的解析公式并針對(duì)工程問題可能造成的影響進(jìn)行初步判斷，但難以有效應(yīng)對(duì)實(shí)際工程存在的復(fù)雜狀況，適用范圍存在明顯局限。相對(duì)地，根據(jù)先進(jìn)監(jiān)測(cè)傳感器獲得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)往往最具指導(dǎo)意義，能夠以此為基礎(chǔ)對(duì)施工方法或控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，是目前盾構(gòu)近接施工中必需的安全保障[18]。另一方面，借助不同建模軟件可構(gòu)建包含隧道、地層和其他結(jié)構(gòu)的三維精細(xì)化模型，并利用上述模型開展合理的數(shù)值分析。該方法已成為預(yù)判安全隱患和探索可靠控制技術(shù)的常用途徑[19,20]，在盾構(gòu)近接隧道施工問題中得到廣泛應(yīng)用。

2 工程概況

某地鐵線路車站設(shè)置停車場(chǎng)站一座，其出入場(chǎng)線采用暗挖隧道，設(shè)計(jì)為雙連拱斷面并綜合采用中洞法和臺(tái)階法進(jìn)行施工，暗挖隧道總長(zhǎng)度為325.7 m。連接車站的區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法修建，其左線隧道和右線隧道分別位于場(chǎng)站出入線暗挖隧道的左右兩側(cè)。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，襯砌管片環(huán)寬1.2 m，管片厚度為0.35 m。調(diào)查顯示，工程所處區(qū)域主要包括雜填土、黃土、卵石土層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖地層，周圍地下水含量較少。暗挖隧道和盾構(gòu)隧道主要處于卵石土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層。圖1所示為盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道的平面位置關(guān)系，工程所處地層的主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 近接施工及暗挖隧道加固控制技術(shù)

3.1 近接施工范圍

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

連接車站的暗挖隧道與盾構(gòu)隧道出口段呈近似平行關(guān)系。其中，暗挖隧道左洞剩余50 m未開挖，中洞與右洞已貫通；盾構(gòu)隧道左線已貫通，右線開挖至距離車站160 m。由于暗挖隧道右線與盾構(gòu)右線在車站出口段距離較近，將兩隧道近接施工范圍劃定為盾構(gòu)隧道出口段20 m。上述范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道與暗挖隧道開挖輪廓線凈距為1.2 m～4.0 m。其余區(qū)間范圍兩隧道凈距為4.0 m～6.5 m。

3.2 暗挖隧道出口段襯砌加固技術(shù)

考慮到暗挖隧道出口段右洞二襯未施工完成，而盾構(gòu)隧道右線即將穿越與暗挖隧道的平行段，采用以下加固技術(shù)以保證已貫通暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)安全。

1)對(duì)已貫通的暗挖隧道右洞進(jìn)行套拱。套拱采用Ⅰ18工字鋼，分4節(jié)在工廠完成彎制后于洞內(nèi)進(jìn)行拼連。連接接頭設(shè)置10 mm厚鋼板，并采用M22螺栓進(jìn)行栓接。

2)恢復(fù)暗挖隧道已貫通右洞的橫撐，并與套拱連接、固定為整體。橫撐采用Ⅰ18工字鋼，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行切割安裝。

3)恢復(fù)暗挖隧道已貫通中洞的中隔墻兩側(cè)橫撐，保持兩側(cè)橫撐位于同一高度。橫撐采用Ⅰ18工字鋼，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行切割安裝。

右洞套拱和右洞、中洞的橫撐布置間距保持一致。其中，洞口段設(shè)置為3 m段每榀間距1 m，其余段間距2 m。

4 盾構(gòu)鄰近既有暗挖隧道施工影響分析

4.1 模型建立

為研究盾構(gòu)鄰近既有暗挖隧道施工影響并驗(yàn)證暗挖隧道初支加固技術(shù)的可靠性，利用ABAQUS建立囊括地層、新建盾構(gòu)隧道右線、既有暗挖隧道和套拱及橫撐等結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，并充分考慮初支配筋的存在。模型包含的盾構(gòu)襯砌管片、暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)、中隔墻、配筋、套拱和橫撐等均按設(shè)計(jì)尺寸考慮。模型總尺寸為60 m×35 m×22 m，模型上部邊界為自由面，底部邊界固定豎向位移，其余邊界固定水平位移。地層—隧道整體模型與加固套拱和橫撐的細(xì)部構(gòu)造分別如圖2，圖3所示。

4.2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值分析過程中不同地層土體均視為理想彈塑性材料，采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型，其參數(shù)根據(jù)地勘結(jié)果(如表1所示)取值。暗挖隧道初支、中隔墻和盾構(gòu)隧道管片襯砌均采用線彈性材料。其中，暗挖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25混凝土，中隔墻采用C45混凝土，盾構(gòu)隧道采用C50混凝土。初支套拱鋼架、初支和中隔墻配筋及橫撐為Q235鋼材，采用金屬材料雙折線本構(gòu)模型。上述結(jié)構(gòu)與材料的具體參數(shù)如表2所示。

表2 隧道襯砌及加固結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值分析過程中，取管片幅寬作為盾構(gòu)隧道每步掘進(jìn)長(zhǎng)度，即1.2 m。此外，參考盾構(gòu)右線進(jìn)入近接施工范圍前的既有掘進(jìn)參數(shù)記錄表，取最大值13 200 kN作為數(shù)值模型中施加的掘進(jìn)推力。

4.3 暗挖隧道變形分析

盾構(gòu)隧道右線開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)會(huì)改變周圍地層應(yīng)力場(chǎng)分布情況，進(jìn)而導(dǎo)致暗挖隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和受力變化。盾構(gòu)施工階段完成時(shí)對(duì)應(yīng)的暗挖隧道橫向和豎向變形結(jié)果最大值分別如圖4,圖5所示。

可以看到，在橫向變形方面，暗挖隧道整體表現(xiàn)為遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道右線的變形趨勢(shì)。其中，暗挖隧道中上部結(jié)構(gòu)變形較小，僅為0.88 mm左右，而下部結(jié)構(gòu)(特別是中洞立柱底部區(qū)域)變形較大，能夠達(dá)到7.09 mm。此外，總體而言，隨著右線盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)，暗挖隧道的橫向位移逐步增大，最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)右線隧道全部貫通后，這表明右線盾構(gòu)隧道的開挖會(huì)對(duì)暗挖隧道在橫向產(chǎn)生一定的擠壓效應(yīng)。盾構(gòu)開挖通常會(huì)導(dǎo)致管片襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生“橫鴨蛋”式變形，即拱頂和拱底向中心位移，而兩側(cè)拱腰遠(yuǎn)離中心位移。考慮到盾構(gòu)右線恰好位于暗挖隧道右側(cè)中下部位置，暗挖隧道的變形結(jié)果與盾構(gòu)開挖導(dǎo)致的常規(guī)變形規(guī)律是相符的。

由圖5可知，盾構(gòu)右線開挖后，暗挖隧道整體結(jié)構(gòu)在豎向呈現(xiàn)向上變形的趨勢(shì)。最大豎向變形出現(xiàn)在暗挖隧道右邊洞拱底附近區(qū)域，約為5.61 mm；最小豎向變形位于中洞左側(cè)拱腰位置，約為0.09 mm。不難發(fā)現(xiàn)，隨著距離盾構(gòu)右線隧道的距離增加，暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向附加變形逐漸降低，所受影響不斷減小。值得注意的是，豎向變形結(jié)果在一定程度上反映了與橫向變形結(jié)果一致的規(guī)律，即盾構(gòu)右線開挖導(dǎo)致暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)受到一定的擠壓效應(yīng)。

4.4 暗挖隧道受力分析

全部施工結(jié)束后暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布情況如圖6所示。由圖6可知，最大主應(yīng)力約為1.77 MPa，位于中洞中隔墻與初支結(jié)合部位，未超過C45混凝土最大受拉強(qiáng)度允許值。上述結(jié)果表明，針對(duì)暗挖隧道右邊洞采用套拱和橫撐，并恢復(fù)中洞橫撐后，盾構(gòu)右線近接施工對(duì)暗挖隧道襯砌造成的影響符合安全要求。此外，不難發(fā)現(xiàn)，中隔墻與初支連接位置出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中，這可能是由于襯砌結(jié)構(gòu)在幾何上的不連續(xù)性導(dǎo)致的，其余位置的最大主應(yīng)力基本呈現(xiàn)為均勻分布狀態(tài)。

如圖7所示為暗挖隧道襯砌最小主應(yīng)力?？梢钥吹剑钚≈鲬?yīng)力處于暗挖隧道右邊洞拱腰下側(cè)附近，其值達(dá)到6.13 MPa，該處最小主應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中特征，這可能是盾構(gòu)右線開挖后造成的暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向和豎向附加變形的耦合作用結(jié)果。除上述位置外，暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力普遍較小，基本未超過4.60 MPa，遠(yuǎn)小于初支結(jié)構(gòu)和中隔墻的混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，滿足安全要求。

4.5 暗挖隧道初支鋼架受力分析

暗挖隧道初支鋼架應(yīng)力分布結(jié)果最大值如圖8所示。由圖8可知，鋼架所受最大應(yīng)力值出現(xiàn)在暗挖隧道右邊洞和中洞交界處，這一位置與中隔墻和初支的交界是基本重合的。因此，上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了暗挖隧道襯砌最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的正確性。另一方面，暗挖隧道初支鋼架所受應(yīng)力最大值為401.8 MPa，并未達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。由此可見，初支鋼架仍具備一定的承載能力，在盾構(gòu)右線貫通后，暗挖隧道初支襯砌結(jié)構(gòu)是出于安全狀態(tài)的。

4.6 暗挖隧道加固套拱及橫撐受力分析

暗挖隧道右邊洞加固套拱及橫撐應(yīng)力分布結(jié)果如圖9所示。可以看到，套拱與橫撐結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力僅為143.4 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼材的屈服應(yīng)力。此外，除橫撐與套拱接觸部位所受應(yīng)力較大，其余位置應(yīng)力值實(shí)際上大多未超過100 MPa。為進(jìn)一步探究套拱及橫撐的受力情況，得到其軸力結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，暗挖隧道右邊洞加固套拱及橫撐在不同位置的受力情況各有不同。其中，靠近車站出口段的套拱拱底位置、拱頂位置和拱腰位置受拉力較大，其最大值超過160 kN。相對(duì)地，套拱與中洞初支結(jié)構(gòu)接觸位置所受壓力較大，約為266.3 kN。此外，與套拱相比，橫撐所受軸力較小，基本未超過100 kN，主要為壓力，這與前文所述暗挖隧道變形規(guī)律是一致的。

由上述結(jié)果可知，在盾構(gòu)右線近接暗挖隧道施工過程中，本文提出的暗挖隧道襯砌加固技術(shù)發(fā)揮了很好的保護(hù)作用。通過比較可知，暗挖隧道右邊洞套拱起主要保護(hù)作用，橫撐作為輔助措施也承受了明顯的附加作用力?；谔坠芭c橫撐的加固技術(shù)能夠有效保證既有暗挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)近接施工條件下的安全。

5 結(jié)論

1)新建盾構(gòu)隧道與既有暗挖隧道的空間位置關(guān)系對(duì)開挖施工引起的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力與變形具有明顯影響。本文涉及的盾構(gòu)隧道位于既有暗挖隧道的右下側(cè)位置，其近接施工導(dǎo)致暗挖隧道受到了一定的擠壓作用，使得暗挖隧道整體表現(xiàn)為遠(yuǎn)離右線盾構(gòu)方向的變形。

2)暗挖隧道右邊洞采用的套拱+橫撐組合式加固結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)近接施工過程中的受力情況出現(xiàn)顯著變化，但各部分受力特征存在差別。與橫撐相比，套拱與暗挖隧道初支接觸面積更大、分布范圍更廣，其發(fā)揮的加固效果也更好。

3)采用套拱+橫撐組合式加固結(jié)構(gòu)前提下，盾構(gòu)隧道近接并行既有暗挖隧道施工后，暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)僅在與中隔墻交界位置出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且其最大值均未超過安全允許值。

總體來看，本文所提出的加固技術(shù)發(fā)揮了很好的預(yù)期效果，能夠有效保障盾構(gòu)近接施工過程中暗挖隧道的結(jié)構(gòu)安全，可以作為指導(dǎo)實(shí)際施工的依據(jù)和參考。