盾構(gòu)區(qū)間下穿既有地鐵區(qū)間隧道影響分析

王旭聲　閆路恒　錢行

摘 要：為研究盾構(gòu)區(qū)間下穿對(duì)既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形的影響，建立地層-結(jié)構(gòu)模型，采用Midas軟件計(jì)算盾構(gòu)下穿施工引起的既有區(qū)間結(jié)構(gòu)變形，分析既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。結(jié)果表明：盾構(gòu)下穿施工中既有區(qū)間的結(jié)構(gòu)豎向變形先增大后減小，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至隧道正下方位置時(shí)豎向變形最大;盾構(gòu)下穿施工中既有區(qū)間的結(jié)構(gòu)橫向變形逐漸增大。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法;下穿區(qū)間;變形

中圖分類號(hào)：U455.43;U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0106-03

Abstract： In order to study the deformation of shield tunnel passing through the existing subway section， a stratum structure model was established. Midas software was used to calculate the structural deformation of existing section caused by shield tunneling and analyze the deformation law of existing section structure. The results show that the vertical deformation of the structure in the existing interval increases first and then decreases with the increase of shield tunneling. When the shield is driven to the lower part of the tunnel， the vertical deformation is the largest. The lateral deformation of the existing section gradually increases with the shield tunneling.

Keywords： shield method;underpass tunnel;deformation

盾構(gòu)法因安全、高效、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵區(qū)間隧道施工中。在地鐵區(qū)間工程中，線路不可避免地需要下穿或上跨管線、隧道等各種風(fēng)險(xiǎn)源，而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的變形控制尤為嚴(yán)格[1]。但因地下結(jié)構(gòu)與地層之間的相互作用較為復(fù)雜，所以結(jié)構(gòu)變形計(jì)算仍比較困難。本文建立地層-結(jié)構(gòu)模型，以鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程（鄭州段）機(jī)場(chǎng)北站—寺東孫站盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鄭州地鐵城郊線為例，采用Midas軟件計(jì)算下穿施工引起的既有區(qū)間結(jié)構(gòu)變形，分析盾構(gòu)下穿施工中既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿風(fēng)險(xiǎn)源工程施工提出建議和保護(hù)措施。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

機(jī)場(chǎng)北站—寺東孫站是鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程（鄭州段）的區(qū)間工程，左、右線埋深為15.7～24.6 m，垂直下穿既有鄭州地鐵城郊線孟莊路站—機(jī)場(chǎng)城際站區(qū)間隧道。區(qū)間隧道為圓形，內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，于寺東孫站左、右線依次盾構(gòu)始發(fā)，掘進(jìn)至機(jī)場(chǎng)北站接收。工程地貌單元屬山前沖洪積平原區(qū)，地形較平坦，沒有對(duì)工程有影響的地表水體，地下水位較低[2]。

區(qū)間隧道下穿范圍長(zhǎng)度約為23 m，與城郊線最小豎向凈距為2.558 m，地質(zhì)情況主要為黏質(zhì)粉土。為保證城郊線結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，采用水平定向鉆進(jìn)行加固，在既有城郊線隧道外側(cè)各6 m范圍內(nèi)的PE管上布設(shè)Φ6 mm梅花型注漿孔，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥。區(qū)間隧道空間位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 計(jì)算模型

用于地下結(jié)構(gòu)理論計(jì)算的力學(xué)模型可分為兩種，即地層-結(jié)構(gòu)模型、荷載-結(jié)構(gòu)模型[3]。地層-結(jié)構(gòu)模型考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，多用于結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算;荷載-結(jié)構(gòu)模型只將結(jié)構(gòu)作為計(jì)算對(duì)象，多用于結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。考慮到盾構(gòu)區(qū)間施工引起的既有結(jié)構(gòu)的變形與地層關(guān)系密切，因此采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行變形分析。

目前，可用于地層-結(jié)構(gòu)模型分析的大型計(jì)算軟件有Midas、ANSYS、FLAC等[4]。本次計(jì)算采用Midas軟件，土體本構(gòu)模型采用修正的摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，土體及區(qū)間結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元。考慮到地層的影響范圍，模型尺寸為90 m×90 m×52 m（長(zhǎng)×寬×高），地表設(shè)置自由邊界，其他5個(gè)面均設(shè)置法向變形約束，建立計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.3 材料參數(shù)

計(jì)算模型中采用的土層結(jié)構(gòu)自上而下為雜填土—粉砂—黏質(zhì)粉土—粉砂—黏質(zhì)粉土—粉質(zhì)黏土—粉質(zhì)黏土—粉質(zhì)黏土。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，依照地層特性對(duì)相近的土層參數(shù)取加權(quán)平均值，確定各個(gè)數(shù)值計(jì)算模型中地層的厚度和物理力學(xué)參數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果

各工序引起的既有城郊線區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向變形結(jié)果如表1所示。

各工序引起的既有城郊線區(qū)間結(jié)構(gòu)橫向變形結(jié)果如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，盾構(gòu)區(qū)間施工引起既有城郊線區(qū)間結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值為4.983 mm，右線中段管片底部下沉變形;橫向變形最大值為1.787 mm，右線中段管片側(cè)壁外凸變形，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5]。豎向、橫向最大變形云圖分別如圖3和圖4所示。

3 結(jié)語

本文通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，采用Midas軟件計(jì)算了新建機(jī)場(chǎng)北站—寺東孫站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形，分析盾構(gòu)下穿施工中既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿過程中，既有區(qū)間的結(jié)構(gòu)豎向變形先增大后減小，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至隧道正下方位置時(shí)豎向變形最大;盾構(gòu)下穿過程中既有區(qū)間的結(jié)構(gòu)橫向變形逐漸增大。針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿既有結(jié)構(gòu)工程施工提出以下建議和保護(hù)措施。

①水平定向鉆加固施工時(shí)，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度和注漿壓力，避免引起管片過大的沉降或隆起，并及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②盾構(gòu)下穿既有區(qū)間時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力、出土量等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，避免因注漿壓力過大或姿態(tài)偏差引起的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

③盾構(gòu)施工前應(yīng)做好工程籌劃，在地鐵非運(yùn)營(yíng)時(shí)間穿過既有結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)且在既有線區(qū)間范圍內(nèi)不得停止掘進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對(duì)上方已建隧道的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008（3）：91-98.

[2]李倩倩，張頂立，房倩，等.淺埋暗挖法下穿既有盾構(gòu)隧道的變形特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014（S2）：3911-3918.

[3]張志強(qiáng)，何川.南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2005（11）：20-25.

[4]劉建國(guó).深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[J].隧道建設(shè)，2012（1）：72-87.

[5]楊志勇，江玉生，顏治國(guó)，等.盾構(gòu)下穿地鐵運(yùn)營(yíng)隧道沉降規(guī)律分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：268-273.

[6]黃新民.盾構(gòu)隧道下穿既有橋樁工程的保護(hù)方案研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012（3）：557-561，636.