地鐵隧道上方開挖區(qū)域土體的加固性研究

陸 平

近年來伴隨著我國(guó)城市的發(fā)展,在地鐵建設(shè)中將會(huì)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(duì)這種工程情況如何進(jìn)行前瞻性分析并確定合理的支護(hù)體系是地鐵工程中的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題[1,2]。針對(duì)武漢地鐵2號(hào)線漢口站—范湖站區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)里程DK4+841.426～DK4+871.758范圍內(nèi)將有規(guī)劃二環(huán)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(guān)系,預(yù)測(cè)施工中土體的應(yīng)力及位移,及應(yīng)采取的相應(yīng)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(hào)線盾構(gòu)隧道在即將施工的二環(huán)線下穿道下方斜穿,其中地鐵盾構(gòu)右線隧道與下穿通道的結(jié)構(gòu)凈距為3.0 m～3.2 m;左線隧道與下穿通道的結(jié)構(gòu)凈距為2.3 m～2.7 m;盾構(gòu)區(qū)間的縱坡為 25‰。地鐵區(qū)間穿越二環(huán)線下穿通道的寬度為28.6 m～30.4 m,如圖1所示。

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件FLAC3D。計(jì)算模型為:盾構(gòu)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(duì)既有盾構(gòu)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(shí)體六面體單元9 130個(gè)。需要開挖通道的進(jìn)尺方向?yàn)閄方向,既有盾構(gòu)隧道的縱向方向?yàn)閆方向。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(gòu)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(guān)系如圖2所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

各土層與隧道襯砌管片的物理力學(xué)參數(shù)見表1,表2。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(gòu)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(cè)土體加固3 m,上覆土體加固到基坑底,盾構(gòu)隧道基底以下加固2 m進(jìn)行處理,采用旋噴樁加固。開挖通道兩側(cè)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(cè)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(gòu)隧道基底以下加固4 m進(jìn)行處理,采用旋噴樁加固。開挖通道兩側(cè)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(cè)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(gòu)隧道基底以下加固2 m進(jìn)行處理,采用旋噴樁加固。考慮流固耦合計(jì)算,考慮先加固土體,然后進(jìn)行降水,水位降到需要開挖基坑底部以下2 m處,降水后進(jìn)行下穿道的開挖。降水后會(huì)在降水井周圍形成降水漏斗,降水使既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的下沉通過隧道下方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線來體現(xiàn)。

4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

通過比較表3,表4中的數(shù)據(jù),說明在下穿道的開挖施工前對(duì)隧道周圍土體采取加固措施是必要的,同時(shí)也表明按方案三進(jìn)行加固的效果最佳。按方案三在加固后進(jìn)行降水將會(huì)引起接近1 cm的盾構(gòu)下沉,開挖后盾構(gòu)將會(huì)因?yàn)閼?yīng)力釋放而產(chǎn)生盾構(gòu)上抬,最終上抬量控制在1 cm以內(nèi),滿足規(guī)范要求。

表3 左線盾構(gòu)隧道斷面位移統(tǒng)計(jì)對(duì)比表 mm

表4 右線盾構(gòu)隧道斷面位移統(tǒng)計(jì)對(duì)比表 mm

5 結(jié)論及建議

通過數(shù)值模擬計(jì)算表明:開挖下穿道,盾構(gòu)隧道周圍區(qū)域的土體需要采取加固處理。在不采取降水措施時(shí),隧道兩側(cè)及開挖通道兩側(cè)土體加固范圍越寬,隧道基底及開挖通道兩側(cè)土體加固深度越深,土體的加固效果越好,表現(xiàn)在開挖下穿道時(shí)盾構(gòu)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(dá)到需要的效果。建議施工時(shí)采用土體加固、降水的方案,盾構(gòu)隧道周圍以及左、右隧道之間的土體均應(yīng)加固,以確保下穿道開挖施工中盾構(gòu)隧道安全。

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

[2] 陶龍光,巴肇倫.城市地下工程[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

[3] 杜建華,高 謙,宋衛(wèi)東,等.北京地鐵隧道下切穿越 1號(hào)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(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.