粉土地層盾構(gòu)隧道近距上跨已建隧道技術(shù)研究

胡清茂

（徐州地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

軌道交通網(wǎng)絡(luò)的完善會(huì)使新建線路與既有線路出現(xiàn)空間交疊，隨著工程數(shù)量與建設(shè)強(qiáng)度的提升，這類交疊工程的穿越類型越來(lái)越多，保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，施工難度越來(lái)越大。在很多的軌道交通穿越工程中，新建隧道多以下穿或上跨形式穿越既有隧道，對(duì)隧道的影響主要體現(xiàn)在縱向變形。其中，上跨工況中新建隧道單位長(zhǎng)度管片的質(zhì)量遠(yuǎn)小于挖除土體質(zhì)量，使下部既有隧道在應(yīng)力釋放作用下產(chǎn)生隆起變形，同時(shí)，新舊隧道間凈距越近，卸荷作用越明顯。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上跨工程進(jìn)行廣泛研究，采用數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)分析、理論分析、模型試驗(yàn)等手段取得了一系列的研究成果。劉樹(shù)佳以上海地鐵10號(hào)線上穿4號(hào)線工程為例，采用有限元模型研究了凈距、土倉(cāng)壓力、注漿量對(duì)上跨隧道的影響，并總結(jié)出這三個(gè)因素對(duì)隧道變形的影響系數(shù)；陳亮根據(jù)上海地鐵8號(hào)線上穿2號(hào)線隧道施工期的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為隧道縱向變形主要表現(xiàn)為隆起，可分為四個(gè)階段，且主要變形發(fā)生在穿越之后；梁榮柱通過(guò)mindlin解估算新建隧道的開(kāi)挖引起的豎向附加荷載，基于此建立隧道縱向變形的平衡微分方程并運(yùn)用有限差分原理求解，得到了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合的理論計(jì)算結(jié)果；張曉清通過(guò)相似模型試驗(yàn)研究了多線交疊隧道施工引起的地表沉降及隧道變形，認(rèn)為上跨施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響小于下穿施工。

目前，隧道上跨問(wèn)題已經(jīng)得到廣泛研究，但對(duì)小凈距上跨的工況，相關(guān)研究滯后于工程實(shí)踐。因此，該文以徐州市軌道交通3號(hào)線上跨1號(hào)線為背景，采用Midas GTX NX建立三維有限元數(shù)值模型，分別計(jì)算交叉穿越節(jié)點(diǎn)在直接穿越及洞內(nèi)注漿工況下3號(hào)線盾構(gòu)隧道施工對(duì)1號(hào)線隧道的內(nèi)力變形影響，以此分析組合洞內(nèi)注漿技術(shù)的加固效果，總結(jié)該安全防護(hù)措施的作用機(jī)理。

2 工程概況

2.1 線路幾何關(guān)系

徐州市軌道交通3號(hào)線一期工程徐州火車站站近距離上跨地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道，兩線平面關(guān)系如圖1所示。兩線襯砌均采用內(nèi)徑5500mm，厚度350mm的6塊管片錯(cuò)縫拼裝而成，每環(huán)寬1.2m。兩線隧道在交疊處的縱斷面如圖2所示，隧道結(jié)構(gòu)間的豎向凈距為1.42m~1.66m。

圖1 地鐵1號(hào)線及3號(hào)線平面關(guān)系示意圖

圖2 地鐵1號(hào)線及3號(hào)線縱斷面示意圖

2.2 工程地質(zhì)條件

工程所在地屬?zèng)_積平原地貌類型中的沖積垅狀高地，場(chǎng)地中廣泛分布砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、黏土。其中，地鐵1號(hào)線隧道主要穿越黏土層，3號(hào)線隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土，兩線之間所夾地層為砂質(zhì)粉土和黏土。場(chǎng)地內(nèi)地下水水位埋深約為2m，地下水類型主要為填土中的上層滯水、砂質(zhì)粉土中的潛水、粉砂層中的承壓水及基巖裂隙水。

2.3 地層加固措施

兩線隧道最小凈距僅1.42m，施工風(fēng)險(xiǎn)大。施工場(chǎng)地地處市區(qū)，地面交通疏解實(shí)施難度大且隧道交疊處上方存在多條地下管線，不具備遷改條件，因此涉及地面加固的手段難以開(kāi)展，工程擬采用組合式洞內(nèi)PVC袖閥管注漿進(jìn)行加固，洞內(nèi)袖閥管加固運(yùn)用管片處的吊裝孔布置注漿孔。在3號(hào)線施工之前，對(duì)1號(hào)線盾構(gòu)隧道拱頂上方135°，結(jié)構(gòu)邊線外3m土體范圍進(jìn)行洞內(nèi)注漿。在3號(hào)線隧道施工時(shí)，進(jìn)行全環(huán)洞內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，盾構(gòu)隧道上下左右加固3m，對(duì)兩線夾土體豎向加固最小為1.2m。

3 模型建立

3.1 幾何模型

采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型。模型尺寸為××= 75m×60m×34m。

3.2 材料參數(shù)

模型中的土體及結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體及注漿土體的破壞屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

3.3 研究方法

為分析加固效果，數(shù)值模擬分為兩個(gè)計(jì)算工況，工況一不進(jìn)行加固直接穿越，工況二進(jìn)行加固后穿越。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 工況一計(jì)算結(jié)果

兩線貫通后，以1號(hào)線拱頂豎向變形為例，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示，位于上方的3號(hào)線盾構(gòu)隧道拱頂最大沉降值為11.9mm，出現(xiàn)在兩交疊節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)間段；隧道拱底最大隆起值為9.5mm，出現(xiàn)在交疊節(jié)點(diǎn)處；隧道水平位移最大值為2.4mm。位于下方的1號(hào)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大隆起值為6.9mm，出現(xiàn)在交疊節(jié)點(diǎn)處；1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移值為1.5mm，出現(xiàn)在交疊節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)間段。地表最大沉降為10.3mm。

圖3 工況一1號(hào)線隧道拱頂豎向位移云圖

4.2 工況二計(jì)算結(jié)果

經(jīng)加固施工的兩線貫通后，1號(hào)線變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，3號(hào)線盾構(gòu)隧道拱頂及拱底變形較為均勻，最大沉降4.2mm、最大隆起5.3mm；隧道水平位移最大值為2.0mm，出現(xiàn)在加固段外。位于下方的1號(hào)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大隆起值為2.2mm，出現(xiàn)在交疊節(jié)點(diǎn)處；1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移值為0.4mm，出現(xiàn)在交疊節(jié)點(diǎn)處。地表最大沉降為3.9mm。

圖4 工況二1號(hào)線隧道拱頂豎向位移云圖

綜合兩個(gè)工況，隧道變形情況變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 未加固及加固工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

4.3 結(jié)構(gòu)豎向變形

數(shù)值模型計(jì)算的隆起變形在縱向上如圖6所示，最大變形發(fā)生在交疊節(jié)點(diǎn)處，在整體上呈現(xiàn)兩側(cè)小，節(jié)點(diǎn)大，交叉段小的“M”型分布。通常來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的這種不均勻沉降變形會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的性能，1號(hào)線因3號(hào)線施工而產(chǎn)生的3個(gè)不均勻沉降槽分別分布在以兩個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)和交叉段反彎點(diǎn)為中心的區(qū)段，由此可使用高斯函數(shù)進(jìn)行回歸分析并擬合沉降曲線，計(jì)算出3個(gè)沉降U型槽中最小曲率半徑均遠(yuǎn)大于15000m的規(guī)范要求，滿足螺栓不進(jìn)入塑性狀態(tài)的理論模型計(jì)算結(jié)果?？梢哉J(rèn)為兩種洞內(nèi)加固組合的安全防護(hù)措施同時(shí)減小了隧道變形的絕對(duì)值與差異值，使隧道處于良好的服役狀態(tài)。

圖6 地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道縱向變形曲線

5 結(jié)論

該文對(duì)徐州市軌道交通3號(hào)線上跨1號(hào)線工程進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，研究了粉土地區(qū)盾構(gòu)隧道近距離施工產(chǎn)生的影響效果，對(duì)比分析了組合式袖閥管注漿對(duì)隧道的安全防護(hù)效果，總結(jié)了相關(guān)工程的重點(diǎn)防護(hù)目標(biāo)，得到主要結(jié)論如下：1）通過(guò)組合式洞內(nèi)注漿加固能有效控制既有隧道及新建上跨隧道的結(jié)構(gòu)變形。注漿加固對(duì)減少既有隧道的豎向及水平向位移均有明顯作用，能有效控制隧道的絕對(duì)變形及不均勻沉降曲率。2）四線交疊時(shí)地表沉降發(fā)生的主要區(qū)域?yàn)樾陆ㄉ峡缢淼乐g的地表區(qū)域，同時(shí)在未加固土體的投影面上沉降量值最大。因此在施工及運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)重視此區(qū)域的相關(guān)市政管線及地面道路的變形情況。3）交疊隧道因受到不同荷載作用而產(chǎn)生不同的斷面變形，上方隧道呈豎向收縮，水平拉伸的橫鴨蛋型，下方隧道呈豎向拉伸，水平收縮的豎鴨蛋型，由此應(yīng)注重不同變形模式下重點(diǎn)部位的構(gòu)件受力安全，保證隧道的服役狀態(tài)。