小凈距重疊盾構隧道下穿鐵路線施工安全技術研究

張玉龍 劉 潔 龔 磊 曹玉新 段景川

(1. 中國電建集團鐵路建設有限公司,北京 100044;2. 興悅設計咨詢(北京)有限公司,北京 100016;3. 中電建南方建設投資有限公司,廣東深圳 518009)

隨著盾構法施工技術的不斷推廣,隧道施工引起的地表沉降及地層變形成為了研究的熱點,許多學者對此進行了大量的研究:楊三資等[1]認為,在黏性土地層中采用大直徑盾構法施工,地層損失和地表最大沉降較小。 周文波[2]以上海外灘公路隧道施工為例,對淤泥質黏土地層盾構施工引起的地表變形進行了研究。 白雪峰等[3]利用Pasternak 地基模型,分析了雙線平行隧道施工過程對既有隧道的影響。 周燦朗[4]對蘇州軌道交通1 號線穿越富水粉細砂地層盾構施工過程中的地層變形規律進行了總結,認為埋深與沉降值總體成線性關系。 姚先力[5]針對盾構隧道在粉砂地層中連續穿越河道和鐵路的施工難點,給出了有效的沉降控制技術措施。 張昭[6]針對盾構在砂性地層長距離掘進施工中存在的風險,通過改進刀盤參數、改良土體等技術措施,有效控制了隧道上浮和地表沉降。張亞洲等[7]對上軟下硬地層盾構施工的主要問題及其產生原因進行分析,分別從隧道設計、盾構設計及工程實施等角度提出相應的對策措施。

以深圳地鐵7 號線筍崗站-洪湖站區間(以下簡稱筍-洪區間)下穿廣深鐵路火車站站場為工程實例,采用數值模擬分析的方法,比較上下重疊隧道不同施工順序引起的地層變形、管片結構位移和受力情況,并通過實測數據進行驗證。

1 工程概況

筍-洪區間隧道左右線以重疊方式下穿廣深鐵路筍崗火車站,穿越長度約為180 m,隧道與鐵路交叉角約為80°,車站內道岔密布,股道眾多,信號控制網密集。 上下隧道間夾層土厚度最小約2 m(見圖1)。 其中,左線隧道頂部覆土厚約22.8 m,穿越地層主要為強、中風化混合巖;右線隧道頂部覆土厚約12.8 m,穿越地層主要為砂質黏性土,全、強風化混合巖。 巖土層分布及特性見表1。

采用土壓平衡盾構機進行施工,隧道外徑為6.28 m,管片寬1.5 m,厚0.3 m。 根據文獻[8]及施工圖要求,本工程地表總沉降控制值為10 mm。

圖1 下穿鐵路平面

表1 巖土層分布及特性

2 計算模型及相關參數設置

通過有限元法對地表沉降、管片結構位移和受力情況進行計算。 采用非線性動力學Hu-Washizu 變分方程描述應力應變本構關系,采用形函數描述位移場,采用羅貝托積分法進行數值求解。 其中,應力應變方程為

式中:δGext表示外力產生的虛功, u 表示位移,σ表示應力,ε 表示應變,σ(ε)為用應變表示應力,▽為應力應變關系算子。

形函數及其相關數值積分可參閱文獻[9],此處不再贅述。

應用MIDAS GTSNX 工程軟件對重疊隧道的開挖過程進行數值計算,區域橫向取66 m,縱向取1 m,計算高度為(L1+L2+2D+12) m,其中L1為上隧道埋深,L2為重疊隧道凈距,D 為隧道內徑(取6 m)。

地層及注漿材料采用實體單元(Mohr-Coulomb 模型模擬);管片襯砌及盾構機殼采用梁單元(線彈性模型模擬);四周邊界及下表面采用單向鉸支約束,上表面采用自由約束。 計算區域見圖2。

圖2 疊線隧道計算區域

根據筍-洪隧道區間工程實際情況,盾構殼體、管片結構和注漿材料的參數選擇如表2 所示。 考慮到拼裝縫隙會引起管片剛度折減,折減系數取0.7。

表2 盾構殼體、管片結構和注漿材料參數

3 施工過程模擬與分析

通過改變重疊隧道凈距L2、上隧道埋深L1及上下隧道施工順序,計算不同情形下地表沉降及變形情況。先開挖下隧道再開挖上隧道的方式被稱為“先下后上”,反之則稱為“先上后下”。 “先下后上”掘進過程的模擬采取以下步驟:①改變L1和L2參數,建立計算模型;②計算初始應力場;③開挖下隧道毛洞;④下隧道盾構自重加載;⑤下隧道管片支護并注漿;⑥開挖上隧道毛洞;⑦上隧道盾構自重加載;⑧上隧道管片支護并注漿;⑨調取計算結果,進行后處理。 “先上后下”掘進過程的模擬與“先下后上”方式類似。

3.1 地表沉降分析

圖3 和圖4 為上、下隧道完成后的豎向位移,從圖3 和圖4 可以看出,采用“先下后上”方式掘進,下隧道施工引起的最大地表沉降為8.361 mm,“先上后下”時則為8.306 mm,兩者的最大沉降值基本相同。 采用“先下后上”掘進時,上隧道施工引起的最大地表沉降為13.934 mm,“先上后下”時則為15.516 mm,“先上后下”較“先下后上”大1.5 mm 左右。

圖3 下隧道完成后豎向位移

圖4 上隧道完成后豎向位移

兩種掘進方式下,上隧道盾構掘進引起的地表最大沉降值始終比下隧道大,且均超過了下穿的準高速鐵路軌道沉降控制值(10 mm),必須采取相應的加固措施[1113]。

3.2 管片結構位移及內力分析

圖5 ～圖8 為管片所受的軸力和彎矩情況。 從圖5 ～圖8 可以看出,后施工隧道對先完成隧道管片的豎向位移會產生一定影響,“先上后下”時產生的最大位移為13.706 mm,“先下后上”時為3.238 mm,“先上后下”比“先下后上”要大3.2 倍左右;“先上后下”時管片結構最大彎矩為155.71 kN·m,“先下后上”時為104.21 kN·m,前者比后者大50%左右,且軸力也同時增加。

“先下后上”時,后施工隧道對先完成隧道管片的豎向位移影響比較小(遠小于10 mm);“先上后下”對先完成隧道管片結構豎向位移的影響比較大(為13.706 mm),超過了控制值37.06%,故需要采取加固措施(特別是上下隧道間夾層土體的加固)。 “先下后上”時盾構隧道管片結構最大彎矩小于控制值(120 kN·m),滿足管片結構的受力要求,“先上后下”時最大彎矩超過控制值,不滿足管片結構的受力要求,必須采取特殊措施。

4 巖土體加固前后數值計算與工程監測值對比分析

4.1 巖土體加固前后數值計算

圖5 下隧道施加管片和注漿后軸力

圖6 下隧道施加管片和注漿后彎矩

圖7 上隧道施加管片和注漿后軸力

圖8 上隧道施加管片和注漿后彎矩

經綜合分析,重疊盾構隧道掘進順序采用“先下后上”的方式。 考慮到未加固條件下,“先下后上”掘進引起鐵路軌道的沉降達到了22.294 mm(超過了軌道沉降控制值)。 因此,隧道掘進前,應對鐵路線路采用樁梁加固,對隧道間夾層土體采用預注漿加固,對鐵路軟土路基采用預注漿加固,加固前后的數值計算結果見表3。

表3 加固前后的數值計算

由表3 可知,對鐵路線路、上下隧道間夾層土體和鐵路路基軟土進行加固后,地表總沉降減小至9.525 mm(小于控制值10 mm),且后施工隧道對先完成隧道管片結構的豎向位移均在控制值10 mm 的范圍內;管片的最大變矩為38.223 kN·m,滿足管片結構的受力要求。

4.2 沉降監測值分析

本工程的監測測點布置:①每條軌道布置10 個監測點(26 條軌道);②信號機、轉折機布置19 個監測點;③每個電氣化立柱布置1 個沉降觀測點和1 個傾斜觀測點(共布置24 個觀測點);④橋墩基礎布置4 個監測點;⑤每條線路布置32 個軌道幾何尺寸監測點(26 條股道共布置464 個點)。 對監測值的綜合分析表明,廣深正線軌道最大沉降為5.9 mm,信號機最大沉降為2.0 mm,接觸網最大沉降為2.9 mm,均小于控制值。 但在盾構機停機檢修、開倉換刀等情況下,軌道沉降會顯著增加(達到了16.82 ～18.83 mm,均超過了控制值10 mm)。 此時,可通過調整軌道高程來滿足運營要求[1415]。

5 結論

(1)“先上后下”和“先下后上”兩種掘進方式下,上隧道盾構掘進引起的地表最大沉降值始終較下隧道大,且地表最大沉降值均超過了下穿的準高速鐵路軌道沉降的控制值(10 mm)。 因此,必須先采取加固措施,才能實施盾構掘進施工。

(2)采用“先下后上”施工時,后施工隧道對先完成隧道管片結構豎向位移的影響比較小。 采用“先上后下” 施工時,對先完成隧道管片結構豎向位移的影響比較大。 此時,需要采取加固措施(特別是上下隧道間夾層土體的加固)。 “先下后上”施工時,盾構隧道管片結構最大彎矩小于控制值120 kN·m,滿足管片結構的受力要求;“先上后下”施工時,最大彎矩超過控制值,不滿足管片結構的受力要求,必須采取特殊措施。

(3)對鐵路線路、上下隧道間夾層土體和鐵路路基軟土進行加固后,經數值計算與沉降觀測,“先下后上”掘進的沉降值均在控制值范圍內。