地鐵隧道上方開挖區域土體的加固性研究

陸 平

近年來伴隨著我國城市的發展,在地鐵建設中將會有越來越多的隧道下穿城市干道或在既有隧道上方開挖基坑。對這種工程情況如何進行前瞻性分析并確定合理的支護體系是地鐵工程中的一個現實問題[1,2]。針對武漢地鐵2號線漢口站—范湖站區間隧道在設計里程DK4+841.426～DK4+871.758范圍內將有規劃二環線下穿通道從上方穿過這一工程背景,借助分析軟件FLAC3D,研究其間關系,預測施工中土體的應力及位移,及應采取的相應土體加固方案,作為今后施工的理論參考。

1 工程概況

武漢市地鐵2號線盾構隧道在即將施工的二環線下穿道下方斜穿,其中地鐵盾構右線隧道與下穿通道的結構凈距為3.0 m～3.2 m;左線隧道與下穿通道的結構凈距為2.3 m～2.7 m;盾構區間的縱坡為 25‰。地鐵區間穿越二環線下穿通道的寬度為28.6 m～30.4 m,如圖1所示。

2 計算模型與計算參數

2.1 計算模型

計算采用Itasca公司開發的有限差分軟件FLAC3D。計算模型為:盾構隧道及新建下穿道[3,4],主要模擬分析新建下穿道的開挖對既有盾構隧道的形變影響。

模型大小:在X方向取58 m,Y方向取35.582 m,Z方向取65 m。共有實體六面體單元9 130個。需要開挖通道的進尺方向為X方向,既有盾構隧道的縱向方向為Z方向。新建下穿道埋深6 m～8 m,新建下穿道底部距離既有隧道頂部距離地表為2.3 m～3.2 m。既有隧道直徑6 m,兩盾構隧道中心間距15.74 m,下穿通道開挖寬度29 m。新建下穿道與既有隧道位置關系如圖2所示。

2.2 計算參數

各土層與隧道襯砌管片的物理力學參數見表1,表2。

表1 土的物理力學性質指標

表2 襯砌和支護結構參數

3 下穿通道開挖模擬

3.1 新建下穿道施工流程

新建下穿道深為6 m～8 m,采用明挖法施工,分層開挖,分層厚度為1 m～2 m。荷載最不利工況為通道開挖到底,底板未做之前。

3.2 各種工況分析

1)土體不加固、不降水。下穿道在開挖前盾構隧道周邊土體不采用任何加固措施。2)土體加固、不降水。a.方案一:將左、右線隧道兩側土體加固3 m,上覆土體加固到基坑底,盾構隧道基底以下加固2 m進行處理,采用旋噴樁加固。開挖通道兩側加固寬度為6 m,加固深度為16 m。b.方案二:將左、右線隧道兩側土體加固5 m,兩隧道中間土體全部加固處理,上覆土體加固到基坑底,盾構隧道基底以下加固4 m進行處理,采用旋噴樁加固。開挖通道兩側加固寬度為6 m,加固深度為20 m。3)土體加固、降水。方案三:將左、右線隧道兩側土體加固3 m,兩隧道中間土體全部加固處理,上覆土體加固到基坑底,盾構隧道基底以下加固2 m進行處理,采用旋噴樁加固。考慮流固耦合計算,考慮先加固土體,然后進行降水,水位降到需要開挖基坑底部以下2 m處,降水后進行下穿道的開挖。降水后會在降水井周圍形成降水漏斗,降水使既有盾構隧道產生的下沉通過隧道下方的監測點時程曲線來體現。

4 計算結果統計分析

通過比較表3,表4中的數據,說明在下穿道的開挖施工前對隧道周圍土體采取加固措施是必要的,同時也表明按方案三進行加固的效果最佳。按方案三在加固后進行降水將會引起接近1 cm的盾構下沉,開挖后盾構將會因為應力釋放而產生盾構上抬,最終上抬量控制在1 cm以內,滿足規范要求。

表3 左線盾構隧道斷面位移統計對比表 mm

表4 右線盾構隧道斷面位移統計對比表 mm

5 結論及建議

通過數值模擬計算表明:開挖下穿道,盾構隧道周圍區域的土體需要采取加固處理。在不采取降水措施時,隧道兩側及開挖通道兩側土體加固范圍越寬,隧道基底及開挖通道兩側土體加固深度越深,土體的加固效果越好,表現在開挖下穿道時盾構隧道上抬量的減少;采取降水措施后,將使土體最終加固效果大為改善,在土體中加固較小和較淺的范圍即可達到需要的效果。建議施工時采用土體加固、降水的方案,盾構隧道周圍以及左、右隧道之間的土體均應加固,以確保下穿道開挖施工中盾構隧道安全。

[1] 姜向紅,喬恒昌.在運營的地鐵隧道上方進行大面積基坑施工[J].上海建設科技,2007(6):28-30.

[2] 陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學出版社,1996.

[3] 杜建華,高 謙,宋衛東,等.北京地鐵隧道下切穿越 1號線施工過程模擬研究[J].鐵道建筑,2008(5):50-53.

[4] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

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