盾構近距離下穿地下通道的數值分析及加固措施

蒙 蛟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

盾構近距離下穿地下通道的數值分析及加固措施

蒙 蛟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

針對天津地鐵4號線盾構隧道近距離下穿泰達R3地下通道，引起地下通道不滿足設計要求的變形和內力問題，提出采用低成本的中立柱+滿堂樁組合形式進行同步加固方案，并采用有限元軟件，數值模擬了因盾構施工引起的地下通道變形和內力，為類似工程設計提供了思路。

盾構隧道，地下通道，中立柱，滿堂樁

0 引言

新建地鐵盾構區間隧道近距離穿越既有隧道、地下管線、地下通道等的現象越來越普遍，施工過程可能產生對既有結構的損害[1-3]。

本文對天津地鐵4號線盾構隧道近距離下穿泰達R3地下通道進行了模擬計算，提出有效的低成本加固措施，保證地下通道的變形和內力滿足設計要求，為相關工程提供了技術積累。

1 工程概況

天津地鐵4號線工程北起北辰雙街，南至民航學院。線路大致呈西北東南走向，正線規劃全長41.16 km，全部為地下線。

4號線河北大街站—東北角站盾構區間隧道下穿泰達R3一、二期之間的地下通道，如圖1，圖2所示。泰達R3地下通道先期施工，預計盾構下穿將在地下通道投入使用2年后進行。雙線盾構隧道中心間距約16 m，盾構內徑5.5 m，盾構管片厚350 mm，盾構隧道頂部距離地面10.07 m～13.82 m，盾構隧道頂部距離地下通道底部最近距離為6.962 m，地下通道總長度54 m，凈高5.25 m，橫斷面跨度14 m。

2 設計方案

原設計地下通道圍護結構為拉森Ⅳ型鋼板樁；頂板厚400 mm，底板厚500 mm，覆土厚約2 m，回填后地面為街道。

經計算，若不采取措施，后期盾構施工將造成地下通道的沉降，最大值為27.34 mm，地表最大豎向位移沉降值為32.63 mm。盾構隧道下穿地下通道產生的附加內力，跨中處彎矩最大值為769.5 kN·m，支座處彎矩最大值為1 321.1 kN·m，都發生在頂板部位。頂板將由于劇烈變形和強度不足而破壞，造成嚴重的經濟財產損失，后果不堪設想[4，5]。

因此，需要在盾構隧道下穿地下通道施工之前采取有效的措施，減輕盾構下穿對地下通道的影響。常規下穿地下通道的做法是在盾構施工同時采用加強注漿、凍結法或土層置換，這些方案勢必會增加投資和延長工期，并且影響地面交通。本工程由于地下通道尚未進行施工，為預留工程加固提供了有利條件，經過比選，提出成本最低、工期最短方案，如圖3所示。

1)地下通道中部設置5根直徑為800 mm的圓形混凝土柱，柱距分別為9 m，14 m，14 m，9 m；

2)地下通道在底板以下設置加固區，厚4 m，采用φ850@600滿堂樁加固，總加固體積3 024 m3。

3 計算模型

模型計算采用MIDAS-GTS NX數值計算軟件。為減小邊界約束對計算結果的影響，使模擬結果更接近實際情況，建模范圍取X方向(線路方向)70 m(約12D)，Y方向(垂直于線路方向)54 m(9D)，Z方向(豎直方向)47 m(約7D)，地應力場按自重應力場考慮；除了要考慮土體的自重，還必須考慮地下通道及加固區的自重。模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底面限制垂直移動，上面為地表，取為自由面。為便于模擬，不考慮管片環向、縱向的連接，而整體作為一環管片考慮，計算時按修正慣用法對管片剛度進行折減，折減系數為0.8。模型中土體為彈塑性材料，采用M-C(摩爾—庫侖)本構模型進行模擬。結構計算模型如圖4，圖5所示，土層和結構材料參數見表1。

表1 土層和結構材料參數

4 計算結果及分析

隧道下穿對地下通道產生的附加彎矩如圖6，圖7所示，從計算結果可以看到，地下通道在下穿過程中受垂直下穿隧道線路方向(地下通道走向)的彎矩控制。跨中處彎矩最大值為186.6 kN·m，支座處彎矩最大值為424.1 kN·m，都發生在頂板部位，受到加固區的保護作用，底板處附加內力值比較小。

隧道下穿對地下通道產生的變形如圖8～圖10所示。經模擬計算分析，盾構隧道下穿地下通道施工期間，地下通道的沉降最大值為8.75 mm，傾斜率為0.083‰，加固區沉降最大值為8.76 mm，地表最大豎向位移沉降值為15.26 mm，開挖產生的附加內力可控，沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

對設置混凝土柱和滿堂樁基礎兩類加固措施單獨分析，如表2所示。結果表明：只增設中立柱的方案并不能有效限制盾構引起的變形；只增設滿堂樁的方案并不能滿足地下通道的受力要求；而采用中立柱+滿堂樁組合加固形式，能有效減少后期盾構隧道施工造成的結構變形和附加內力，完全滿足結構對變形和強度的要求。

表2 加固效果比較

5 結語

1)只加設中立柱的方案并不能有效限制盾構引起的變形；只采用滿堂樁的方案并不能滿足地下通道的受力要求；而采用中立柱+滿堂樁組合加固形式，能有效減少后期盾構隧道施工造成的結構變形和附加內力，完全滿足結構對變形和強度的要求。2)考慮遠期地鐵盾構隧道可能會下穿而在正在進行的工程施工中預留適當的保護措施，能夠有效節省后期工程費用，并減少后期盾構施工對地面交通帶來的影響。3)盾構隧道近距離下穿地下結構，受力特征復雜，除了進行軟件分析風險評估之外，在施工中應加強監測，以有效數據作為反饋，做到信息化施工。

[1] 霍軍帥,王炳龍,周順華.地鐵盾構隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J].中國鐵道科學,2011,32(5):71-77.

[2] 馬 偉.盾構下穿人行通道施工方案研究[D].北京：中國地質大學,2014.

[3] 常 岐.盾構下穿人行通道沉降影響分析[J].山西建筑,2013,39(4):204-205.

[4] GB 50157—2013,地鐵設計規范[S].

[5] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

Numerical analysis and reinforcement measures of shield under passing underground passage

Meng Jiao

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

The shield tunnel of Tianjin metro line 4 closely passes under the Tai-Da R3 underground passage, which leads to the unsatisfied deformation or internal force of underground passage. The low-cost reinforcement measures are taken synchronously which combines the middle column and the raft piles, and the finite element software is adopted for the deformation and internal force of underground passage, which offers the experience for a similar engineering design.

shield tunnel, underground passage, middle column, raft pile

1009-6825(2017)01-0186-02

2016-10-27

蒙 蛟(1989- )，男，碩士，助理工程師

U457.3

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