某綜合管廊穿越既有運行地鐵線路加固實施方案

李 威

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)），上海 200092）

1 引言

某地鐵線路場地位于南京市，是該市貫通市區(qū)與過江新區(qū)的關(guān)鍵線路。該段線路途徑某地下綜合管廊，與該綜合管廊斜向交叉。綜合管廊為干線綜合管廊，是高壓電力主通道，內(nèi)含管線為220kV、110kV高壓電力線，且回數(shù)眾多。由于新區(qū)為國家級新區(qū)，而穿越地屬核心區(qū)范圍，電力管線不可以以架空形式敷設(shè)，必須以埋地形式敷設(shè)。綜合管廊穿越直接影響該線路的運營安全。該綜合管廊工程緊鄰地鐵隧道線，距離最近地鐵站最小平面間距約98m，距離隧道隧道盾構(gòu)最小平面間距約20m。

根據(jù)《軌道交通條例》規(guī)定：為了保障軌道交通規(guī)劃的合理性、建設(shè)過程中能順利施工并完成以及建成后的安全暢通，必須設(shè)立軌道交通控制保護(hù)區(qū)和軌道交通特別保護(hù)區(qū)；地面和高架車站以及線路軌道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30m內(nèi)；為確保既有地鐵線安全運營，綜合管廊穿越既有地鐵線期間應(yīng)著重加強對既有地鐵線隧道的水平變形、豎向變形、徑向收斂變形、軌道橫向高差、軌向高差、道床脫空量及管片結(jié)構(gòu)裂縫寬度等內(nèi)容的監(jiān)測，各項監(jiān)測值應(yīng)嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)。

2 工程設(shè)計方案

2.1 工程概況

綜合管廊與既有地鐵線盾構(gòu)區(qū)間近乎垂直相交，平面交角81°，該地鐵區(qū)間全長約570m。區(qū)間左、右線均位于平直線上；區(qū)間設(shè)計為單面坡，最大坡度28‰，區(qū)間覆土厚度9.61～14.15m。隧道平面圖及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 隧道平面圖及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)圖

2.2 地勘情況

既有地鐵線盾構(gòu)井～車站區(qū)間所處地層主要為②-2b4淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土（流塑）、②-2d3-4粉砂、細(xì)砂（松散～稍密）、②-4d1-2粉細(xì)砂（中密～密實）。盾構(gòu)井～臨江站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)井～臨江站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

2.3 設(shè)計方案

根據(jù)地鐵公司意見，管廊不允許下穿地鐵區(qū)段。受制于隧道頂覆土、入廊管線等因素的影響，管廊無法采用盾構(gòu)形式穿越，經(jīng)過專家評審會意見后，綜合管廊最終采用圓形雙頂管上穿既有地鐵線江區(qū)間段。根據(jù)實際情況，既有地鐵區(qū)間與頂管之間的實際凈距控制在2.3m，頂管上部覆土厚度為4.8m左右，約為1d（d為頂管直徑），這樣才能滿足該工程的頂管施工要求。頂管隧道內(nèi)徑3600mm，外徑3960mm，壁厚230mm。頂管隧道穿越地層主要為②-1d3-4粉砂、細(xì)砂（松散～稍密）、②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（軟～流塑）、②-2d3-4粉砂、細(xì)砂（松散～稍密）。圓形雙頂管上穿斷面圖及加固圖如圖3所示。

圖3 圓形雙頂管上穿斷面圖及加固圖

2.4 計算模擬

（1）計算假定。數(shù)值模擬過程中，為了計算環(huán)境與實際的差距無限接近，必須采取有效措施，部分簡化和處理地層及結(jié)構(gòu)，這樣才能更好地運用計算軟件和計算理論。經(jīng)過仔細(xì)研判，擬定了以下幾種計算基本假定：一是初始應(yīng)力要對構(gòu)造應(yīng)力的影響加以忽略，而對圍巖的自重應(yīng)力進(jìn)行考慮；二是土體水平成層分布，而且所有材料連續(xù)、均質(zhì)，同時各向同性；三是襯砌考慮為彈性材料，圍巖考慮為摩爾-庫倫理想彈性材料；四是頂管隧道只進(jìn)行整體簡化分析，不考慮每節(jié)預(yù)制構(gòu)件之間的連接；五是對于線內(nèi)列車運行時產(chǎn)生的震動不加以考慮。

（2）計算模擬內(nèi)容。①隧道壁后注漿的模擬。本次模擬過程中認(rèn)為壁后注漿在注漿范圍內(nèi)是連續(xù)的、均勻的，不考慮注漿過程中產(chǎn)生的跑漿、劈裂注漿。壁后注漿的模擬采用更換網(wǎng)格組屬性的方式進(jìn)行模擬，在保證原網(wǎng)格組不變的情況下改變其參數(shù)來實現(xiàn)注漿效果。②接觸的模擬。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，土體與隧道襯砌之間由于變形會導(dǎo)致縫隙，不能實現(xiàn)完全接觸。因此，在計算模擬的時候，要根據(jù)具體情況，采用接觸單元對土體與隧道襯砌之間的接觸進(jìn)行模擬。③土倉壓力的模擬。在實際工程中，土倉壓力以均衡的壓強形式存在，為了更接近實際，在數(shù)值模擬過程中，直接對開挖面土體施加法向均勻分布的壓力來模擬土倉壓力。④襯砌結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖模擬。隧道襯砌及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在模擬時采用彈性本構(gòu)模擬。均質(zhì)彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律。圍巖模擬采用Mohr-Coulomb模型，Mohr-Coulomb模型是彈性-塑性本構(gòu)，其破壞準(zhǔn)則是受最大剪應(yīng)力控制的，可通過反映最大和最小主應(yīng)力關(guān)系的摩爾圓來表現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 最大和最小主應(yīng)力關(guān)系的摩爾圓

（3）計算模擬工況及工序。①左線頂管下穿施工；②右線頂管下穿施工。三維計算分析，橫江大道綜合管廊頂管上穿（地層未加固）開挖頂進(jìn)對地層及既有地鐵線影響分析結(jié)果如圖5所示。

（4）計算模擬結(jié)果。在頂管隧道左線開挖頂進(jìn)的過程中，地表產(chǎn)生豎向向下的位移，最大沉降值為15.0mm；在頂管隧道左線施工完畢，右線開挖頂進(jìn)的過程中，在對地層進(jìn)行二次擾動及疊加效應(yīng)的影響下，地表產(chǎn)生豎向向下的位移，最大沉降值為19.1mm；既有地鐵10號線隧道豎向最大隆起為3.9mm，最小值位于頂管隧道正上方，并向兩側(cè)擴(kuò)散，隆起量隨著與既有地鐵線距離的增加而增加；在頂管隧道左線施工完畢，右線開挖頂進(jìn)的過程中，在對地層進(jìn)行二次擾動的影響下，既有地鐵10號線隧道豎向隆起位移值發(fā)生變化，最大隆起為5.0mm；最大水平位移為2.4mm。

2.5 計算結(jié)果分析

綜合管廊穿越既有地鐵線隧道方案計算分析結(jié)果一覽表如表1所示。

表1 綜合管廊穿越既有地鐵線隧道方案計算分析結(jié)果一覽表

圖5 圓形雙頂管上穿既有地鐵三維模型圖及計算結(jié)果

（1）圓形雙頂管上穿方案對地表豎向變形、既有地鐵線的變形影響較小。

（2）采取地層加固措施有利于減小橫江大道綜合管廊施工過程對地表、既有地鐵10號線隧道的變形影響。

（3）采用圓形雙頂管上穿（地層加固）方案可行。

（4）頂管施工前應(yīng)根據(jù)工程所處工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、地下障礙物和需要保護(hù)的構(gòu)建筑物等因素，合理選擇頂管機械，建議采用土壓平衡頂管掘進(jìn)機。

（5）頂管頂進(jìn)施工過程中應(yīng)加強土倉壓力控制，避免過高或過低土倉壓力對既有地鐵線產(chǎn)生不利變形影響。

（6）頂管隧道貫通后應(yīng)采用水泥砂漿置換觸變泥漿，拆除注漿管路后，應(yīng)將管道上的注漿孔封閉嚴(yán)密。

（7）為保證既有地鐵線運營安全，減小綜合管廊工程上穿過程中對既有地鐵1線造成的變形影響，因此，在上穿施工之前，應(yīng)采取必要的地層加固措施。

3 結(jié)束語

文章充分運用了有限元數(shù)值三維仿真計算，對綜合管廊頂管穿越既有地鐵線路產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，在采取充分的加固措施后，頂管穿越既有隧道產(chǎn)生的影響較小且在控制范圍之內(nèi)，并且提出相應(yīng)的施工措施，以保證穿越頂管的順利進(jìn)行。