淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵加固方案優(yōu)化分析

李權(quán)謀，劉勝，雷賽男，潘勇剛

（1.長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410205；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015；3.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410015）

淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵加固方案優(yōu)化分析

李權(quán)謀1，劉勝2，雷賽男3，潘勇剛3

（1.長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410205；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015；3.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410015）

主要針對(duì)越來(lái)越多的淺埋暗挖隧道近距離下穿既有地鐵工程的加固方案進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)合某下穿既有地鐵車站區(qū)間隧道工程，為控制隧道施工引起的既有地鐵車站沉降變形，通過(guò)有限元方法對(duì)新建隧道施工對(duì)既有地鐵影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并對(duì)不同加固方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定最優(yōu)加固方案。

隧道；淺埋暗挖；地鐵；加固方案；沉降變形

隨著城市地鐵建設(shè)速度的加快及地下空間開(kāi)發(fā)力度的加大，新建地下隧道近距離穿越既有地鐵的情況日益增多。新建淺埋暗挖隧道的施工會(huì)引起鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力增加，超過(guò)其承受能力或允許值時(shí)可能引起結(jié)構(gòu)破壞，還可能導(dǎo)致凈空限界不足而影響列車運(yùn)營(yíng)安全。因此，新建淺埋暗挖隧道近距離下穿既有地鐵隧道施工時(shí)必須根據(jù)既有地鐵的保護(hù)要求采取措施減小新建隧道周圍土體和既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形，確保既有地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。該文結(jié)合某下穿既有地鐵車站區(qū)間隧道工程，對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 工程概況

某穿越既有地鐵車站的暗挖隧道工程，兩站成十字交叉。既有線為地下兩層端廳式車站，南、北兩端為明挖兩層站廳，底板埋深16.6 m；中部為單層三連拱暗挖段，長(zhǎng)28.54 m，斷面總寬度221.0 m，總高度9.9 m，頂部覆土厚度約7.5 m。既有線車站暗挖段預(yù)留了新線下穿的條件，底板為厚1.1 m的平板，底縱梁尺寸為（1.3×2.5）m，底板縱向分布鋼筋加強(qiáng)。新建車站需在既有線暗挖段下方穿越既有線車站，兩車站結(jié)構(gòu)凈距0.15 m，其位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

場(chǎng)地內(nèi)的土層分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀(jì)晚更新世沖洪積層三類，從上至下分別為填土、粉細(xì)砂、卵石、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、卵石、黏質(zhì)粉土和細(xì)中砂。不同土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 數(shù)值分析模型

圖1　穿越隧道與既有車站位置示意圖（單位：mm）

表1　巖土的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖、暗挖隧道與既有車站相對(duì)位置關(guān)系建立數(shù)值模型。模型橫向兩側(cè)各留約3倍洞徑，縱向取至兩側(cè)明挖豎井，整體模型寬80 m、長(zhǎng)35 m、高41.5 m。對(duì)不同土層厚度進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，地層采用實(shí)體單元、摩爾材料模擬；既有車站采用實(shí)體單元、線彈性材料模擬；暗挖隧道初期支護(hù)采用殼單元、線彈性材料模擬（見(jiàn)圖2）。

圖2　穿越既有地鐵車站的暗挖隧道三維數(shù)值分析模型

淺埋暗挖隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下：初期支護(hù)厚度0.35 m；格柵鋼架間距0.5 m；二次襯砌厚度0.6 m。

3 施工工序及加固方案

新線暗挖隧道開(kāi)挖面寬度10.1 m，開(kāi)挖面高度9.3 m，面積77.7 m2，兩洞間凈距3.65 m。開(kāi)挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分6次開(kāi)挖，平均每次開(kāi)挖暴露掌子面面積12.95 m2。每次開(kāi)挖進(jìn)尺按0.5 m控制，開(kāi)挖分部間縱向步長(zhǎng)不小于5 m。施工工序見(jiàn)圖3。

圖3　暗挖隧道施工工序示意圖

為控制既有地鐵車站的沉降變形，對(duì)暗挖隧道的地層進(jìn)行注漿加固（見(jiàn)圖4）。

加固體參數(shù)取值：設(shè)計(jì)加固體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0 MPa，根據(jù)不同標(biāo)號(hào)砼彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、彈性模量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合插值，得出加固體的彈性模量為1.18 GPa、抗拉強(qiáng)度為95 k Pa。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，加固體初始參數(shù)彈性模量取1.18 GPa，泊松比取0.3，內(nèi)摩擦角取50°，粘聚力取95 k Pa（參照抗拉強(qiáng)度）。計(jì)算模擬時(shí)考慮一定的安全系數(shù)，根據(jù)初始參數(shù)進(jìn)行不同比例折減。

圖4　暗挖隧道全斷面注漿加固示意圖

設(shè)計(jì)3種加固方案，通過(guò)有限元模擬計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化分析。方案1：加固范圍為隧道兩側(cè)和下部各1.5 m，加固參數(shù)根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減；方案2：加固體只取上臺(tái)階部分注漿圈和核心土，加固參數(shù)根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減；方案3：加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土，加固參數(shù)根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa插值取定后按0.2折減。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1既有隧道變形隨開(kāi)挖步的變化

不同加固方案下淺埋暗挖隧道開(kāi)挖引起的既有地鐵沉降變形情況見(jiàn)圖5。

圖5　中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形

由圖5可知：不同加固方案下淺埋暗挖隧道開(kāi)挖引起的既有地鐵沉降變形基本一致；相比于不加固下既有地鐵車站變形量，3種加固方案都能較好地控制既有地鐵車站的沉降變形，也能達(dá)到相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)；采取加固方案3即加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土?xí)r，既有隧道沉降變形量最小，該方案下隧道變形的控制效果最好。

4.2土體變形隨開(kāi)挖步的變化

不同加固方案下淺埋暗挖隧道開(kāi)挖引起土體沉降槽隨不同開(kāi)挖步的變化情況見(jiàn)圖6。

圖6　不同加固方案下土體沉降隨開(kāi)挖步的變化

由圖6可知：相比于不加固下既有地鐵車站變形量，采取加固方案1和方案3都能較好地控制暗挖隧道開(kāi)挖引起的土體沉降變形，但方案2對(duì)土體變形的控制與不加固時(shí)相差不大，土體變形控制效果不好；對(duì)比方案1和方案3，采取方案3時(shí)除對(duì)土體變形量的控制效果更好外，還能使不同施工步下土體變形量差異較小，而方案1中左洞左導(dǎo)洞和右洞右導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖引起的土體變形量比其他開(kāi)挖步大很多。

5 結(jié)論

（1）既有地鐵車站隧道變形值超過(guò)允許值，需采取措施控制地鐵區(qū)間隧道沉降。數(shù)值分析表明，適當(dāng)?shù)陌低谒淼劳馏w加固可控制既有地鐵車站的沉降變形。

（2）綜合比較分析，加固體取整個(gè)注漿圈和上臺(tái)階部分核心土的方案對(duì)土體及既有地鐵車站沉降變形的控制效果最好。

［1］ 王占生，張頂立.淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的關(guān)鍵技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（增刊2）.

［2］ 張成平，張頂立，吳介普，等.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30（1）.

［3］ 孔慶凱，劉化圖.新建隧道穿越施工對(duì)既有雙線地鐵隧道的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（增刊1）.

［4］ 李東海，劉軍，蕭巖，等.盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測(cè)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增刊1）.

［5］ 董敏，董明星，陽(yáng)軍生.下穿既有高速公路下隧道施工雙層管棚對(duì)土層加固作用有限元數(shù)值分析［J］.公路工程，2015，39（3）.

［6］ 丁松波，羅杰峰，傅鵑.盾構(gòu)隧道近距離穿越群樁基礎(chǔ)的影響分析［J］.公路與汽運(yùn)，2014（6）.

［7］ 劉國(guó)寶.淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵施工方案分析［J］.山西建筑，2011，37（29）.

［8］ 李永靖，張旭，閆宣澎，等.淺埋暗挖法地鐵施工引起地表沉降規(guī)律研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，38（3）.

［9］ 馬偉斌，付兵先，杜曉燕，等.地鐵隧道下穿鐵路橋施工變形分析及處理措施［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（4）.

［10］ 陳星欣，白冰.隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19（1）.

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