軟土區(qū)多線交疊盾構(gòu)隧道施工影響性研究

何磊

[摘? 要]：近年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，地鐵里程在城市中迅速增加，軟土地區(qū)多線交疊情況的出現(xiàn)已逐漸成為常態(tài)，文章通過邁達斯數(shù)值模擬分析軟件分析地鐵多線交疊處新建隧道對既有線的影響，指導(dǎo)類似工程施工，保證施工安全性。

[關(guān)鍵詞]：軟土; 多線交疊; 盾構(gòu)隧道; 影響性研究

U452.2+6A

近年來，隨著地鐵里程數(shù)的不斷增加，新建隧道下穿既有線及盾構(gòu)隧道多線交疊情況屢見不鮮，如何保證施工過程中的安全性成為工程界需要時刻重視的問題。錢佳亙[1]結(jié)合北京地鐵近年來的相關(guān)經(jīng)驗，通過工程實例研究了沉降控制的精細化管控措施。付春青等[2]以北京地鐵為背景，通過修正等效連續(xù)模型，采用數(shù)值模擬手段從隧道凈距及地層性質(zhì)兩方面進行了參數(shù)分析。楊武林[3]總結(jié)了地鐵隧道下穿既有線施工過程中容易產(chǎn)生的問題并對具體施工技術(shù)進行了闡述。趙煥等[4]通過構(gòu)建三維有限元模型研究了在不同注漿壓力和土體損失率下修建盾構(gòu)穿越既有線隧道對既有線隧道襯砌的影響。張運濤[5]采用經(jīng)典力學(xué)理論，以多跨連續(xù)梁為模型，進一步分析了基礎(chǔ)變位作用下結(jié)構(gòu)的受力行為，根據(jù)分析結(jié)果，提出以極限狀態(tài)為原則的結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn);建立三維數(shù)值模型模擬了施工全過程，并用于實際工程。王乃勇[6]采用FLAC3D進行了盾構(gòu)施工三維數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)下穿對高速公路的影響并評價了施工安全性。謝良超[7]為分析隧道橫向、縱向沉降規(guī)律，從加固隧道鋼圈、設(shè)置監(jiān)測節(jié)點兩方案來調(diào)整試驗段施工參數(shù)并由此確定下穿指導(dǎo)施工參數(shù)。羅躍春等[8]以上海某地鐵區(qū)間為工程背景，建立三維盾構(gòu)隧道模型，分析了其在軟土中的接頭張開以及變形發(fā)展規(guī)律。進行了用鋼板加固隧道的分析，探討了鋼板加固隧道效果及隧道變形行為響應(yīng)。范雨等[9]通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立了盾構(gòu)隧道開挖的平面模型對隧道穿越砂-灰?guī)r交界面引起的地層變形規(guī)律、隧道襯砌受力及變形特征進行了分析。

基于前人研究的結(jié)果，對多線交疊盾構(gòu)隧道施工影響性分析較少，本文通過建立三維模型探究三線交疊盾構(gòu)隧道新建線施工對既有線的影響。

1 工程背景

本文以某城市軌道交通工程2、4、5號線三線交疊先后施工為例，5號線左線在下，右線在上，左、右線豎向凈距為1.8 m，平面上錯開0.125 m，右線隧道與2號線豎向凈距為2.481 m，5號線與4號線的水平凈距為7.555 m，4號線左線在上，右線在下，左右線豎向凈距為1.8 m，右線隧道與2號線豎向凈距為3.516 m。2號線為既有線，4號線先于5號線建設(shè)，位置關(guān)系及周邊土層見圖1。

2 數(shù)值計算及分析

2.1 計算模型建立及參數(shù)選取

采用邁達斯（GTS）對本工程進行模擬分析，根據(jù)既有2號線與4、5號線空間相對位置關(guān)系，根據(jù)地質(zhì)勘察資料并假定地層在水平方向上均勻分布建立了三維有限元模型。4、5號線與既有2號線盾構(gòu)隧道管片均采用板單元進行模擬。模型左右兩側(cè)及前后側(cè)均對法向位移進行約束，對底面的X、Y、Z方向的位移進行約束。有限元模型如圖2、圖3所示。有限元模型尺寸為長100 m、寬80 m、高70 m，盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，管片厚度0.35 m。

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則表達式為：

τn=σntgυ+c

以不變量表示屈服條件為：

f=13I1sinυ+（cosθσ-13sinθσsinυ）J2-ccosυ

I1為應(yīng)力張量的第一不變量：

EpIp=EcIc

J2為應(yīng)力偏張量的第二不變量：

EpIp=EcIc

經(jīng)過前人無數(shù)的理論分析與實際經(jīng)驗表明，土體彈塑性破壞準(zhǔn)則Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則能較為真實的體現(xiàn)土體的性質(zhì)，計算結(jié)果也較為貼近工程實際，因此本工程計算土體均也采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。土體均采用實體單元模擬。

各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1。

管片等混凝土材料破壞模式均接近于彈性破壞，因此在數(shù)值計算中對管片賦彈性。管片選用C50混凝土，據(jù)規(guī)范C50彈模為34.5 GPa，考慮管片接頭對整體彈模的折減，折減系數(shù)取0.75，因此取管片彈模為25.875 GPa，泊松比取0.2，重度取25 kN/m3。

2.2 數(shù)值計算及結(jié)果分析

將本工程數(shù)值仿真分為8個步驟模擬，數(shù)值模擬施工順序如下：

（1）4號線右線施工至交叉處。

（2）4號線右線施工結(jié)束。

（3）4號線左線施工至交叉處。

（4）4號線左線施工結(jié)束。

（5）5號線左線施工至交叉處。

（6）5號線左線施工結(jié)束。

（7）5號線右線施工至交叉處。

（8）5號線右線施工結(jié)束。

既有2號線Z向位移隨開挖進行位移變化如圖4所示，既有2號線X、Y向位移隨開挖進行位移變化如圖5所示，土體豎向最大位移隨開挖進行變化如圖6所示。

由圖4可得出，隨著開挖的進行，既有2號線Z向位移逐漸增大，且增速逐漸減緩，這是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。到交疊處施工完成時，既有2號線Z向最大位移為5.34 mm，滿足規(guī)范10 mm要求，現(xiàn)場施工應(yīng)加強該處監(jiān)測。

由圖5可得出，隨著開挖進行，既有2號線X、Y向位移逐漸增加，交疊處施工完成時，最大X向位移僅有0.74 mm，最大Y向位移僅有0.83 mm，均滿足規(guī)范10 mm要求。兩方向位移增速隨著施工進行均逐漸減小，這是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。

由圖6可得出，交疊處第1個施工步驟完成時，土體最大豎向位移達到10.31 mm，交疊處完成時最大豎向位移為14.89 mm，第一個施工步完成時達到了69.2%的土體最大位移;隨著施工進行，土體最大位移增速明顯減緩，由第1～2步的16.5%到第7～8步的0.27%，這也是由于在施工過程中一邊施工一邊上支護并注漿，增加了該交疊處強度。

所有計算結(jié)果匯總?cè)绫?示。由表2分析可得：

（1）5號線正上方處2號線位移。最大Z向位移為4.7 mm，最大X向位移為0.45 mm，最大Y向位移為0.47 mm，均滿足規(guī)范10 mm要求。施工中應(yīng)加強該處監(jiān)測。

（2）4號線正上方處2號線位移。4號線正上方處2號線位移：最大Z向位移為4.95 mm，最大X向位移為0.3 mm，最大Y向位移為0.48 mm，均滿足規(guī)范10 mm要求。施工中應(yīng)加強該處監(jiān)測。

（3）4、5號線中部正上方2號線位移。4、5號線中部正上方處2號線位移：最大Z向位移為5.34 mm，最大X向位移為0.06 mm，最大Y向位移為0.59 mm，均滿足規(guī)范10 mm要求。施工中應(yīng)加強該處監(jiān)測。

（4）5號線施工過程中4號線位移。最大Z向位移為1.54 mm，最大X向位移為2.79 mm，最大Y向位移為0.17 mm，均滿足規(guī)范10 mm要求。施工中應(yīng)加強該處監(jiān)測。

3 結(jié)論

（1）通過對本工程三線交疊處各計算階段的模擬分析，得出各階段既有線的X、Y、Z三向位移，既有2號線豎向最大位移為5.34 mm，滿足控制限制，需在后續(xù)運營中對其進行持續(xù)監(jiān)測。

（2）由于本段盾構(gòu)區(qū)間下穿2號線段存在一定厚度的圓礫土、黏質(zhì)粉土。該區(qū)域地下水十分豐富，且補給特征明顯，盾構(gòu)施工容易發(fā)生地層擾動、塌落問題，盾構(gòu)自身施工風(fēng)險及掘進控制難度較大，需要加強盾構(gòu)施工質(zhì)量并強化后續(xù)同步注漿及二次注漿的施工質(zhì)量。盾構(gòu)下穿地鐵2號線段，應(yīng)采用泥水平衡盾構(gòu)模式進行掘進，以確保將2號線位移控制在安全值范圍以內(nèi)。

（3）為加強落實技術(shù)處理措施，并合理安排施工工序，提高施工質(zhì)量，降低施工風(fēng)險，建議本段區(qū)間的施工單位編制詳細的施工組織計劃及施工方案，并提請專家組審查。

（4）建議成立專項工程質(zhì)量安全小組，由業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理及監(jiān)督部門聯(lián)合工作，并第一時間處理現(xiàn)場問題，確保施工有序、安全，應(yīng)急搶險措施及時、有力。

（5）通過對本工程的分析，可以對類似工程起到借鑒作用。

參考文獻

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