盾構隧道下穿復雜城市結構的擾動影響及控制技術

張常委, 唐 禮, 張志強

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031；2. 西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

為緩解城市交通壓力，近年來我國的城市地鐵建設規模不斷擴大，在城市下方編織著一張龐大的地下交通網絡[1-2]。然而受有限地下修建空間的影響，地鐵盾構隧道在建設過程中不可避免的會出現下穿復雜城市地下結構的情況，引起其上方結構的變形位移，影響結構的正常使用，甚至造成不可預計的后果[3-4]。因此，在進行盾構隧道下穿施工前，準確的評估隧道下穿對城市既有結構的影響，并明確相應控制措施的控制效果，對于保證盾構隧道下穿施工后既有結構的正常使用具有重要的意義[5]。

目前，針對盾構隧道下穿施工對其上方結構物的擾動影響，專業學者已經進行了相關的研究，并且在此過程中數值模擬已經成為學者們研究的重要工具。楊春山[6]采用有限元法對近距離下穿盾構隧道施工進行了模擬，分析了新建隧道動態掘進時既有隧道的位移變化規律。萬良勇[7]采用有限元數值模擬方法對比分析了不同開挖方案引起的既有車站結構及軌道的變形特點，并確定了最優的施工工法。羅剛[8]采用有限差分軟件對雙線盾構隧道下穿施工過程進行了模擬，研究了高速公路路塹邊坡、路面及隧道結構的變形規律，為之后隧道的安全施工提供了有力的參考。因此，文章依據擬建成都地鐵13號線區間隧道下穿城市復雜城市結構這一實際情況，建立盾構隧道下穿城市復雜結構的擾動影響分析數值仿真模型，評估盾構隧道下穿對既有結構的影響，并分析擾動影響控制措施的必要性及控制效果，為該隧道下穿施工作業是否安全提供相應的參考。

1 工程概況

擬建成都地鐵13號線路線于培風站—瑞星路站下穿鐵路框架橋、斗渠、管廊和污水管這四類城市地下結構及地表運行成雅鐵路路基軌道，其中地表運行鐵路軌道與盾構隧道軸向相互垂直，各地下結構尺寸及相對關系如圖1所示。

圖1 盾構隧道下穿期間地下結構相對關系

其中污水管材料為C30鋼筋混凝土，鐵路框架橋、管廊和斗渠材料均采用C40鋼筋混凝土，盾構隧道管片設計厚度為40 cm，管片材料采用C50鋼筋混凝土。

2 安全控制標準

為確保盾構隧道下穿期間既有結構的安全，及隧道下穿施工后地表成雅鐵路是否能夠正常使用，結合前人的研究成果及相關標準，從應力和位移兩個方面提出了安全控制標準。

2.1 應力控制標準

根據《鐵路隧道設計規范》，取C40混凝土的極限抗壓強度為29.5 MPa，抗拉極限強度為2.7 MPa。為進一步降低風險，并兼顧材料的劣化情況，評估時取上述控制標準的70 %進行考慮，即：C40混凝土結構壓應力小于20.65 MPa、拉應力小于1.89 MPa。

2.2 沉降控制標準

根據《鐵路線路修理規則》及框架橋內鐵路的設計時速，取10 m弦的高低偏差管理值3.0 mm作為評價盾構隧道下穿施工后其上方成雅鐵路路基結構是否能夠安全行車的標準。

3 數值模型建立

根據成都13號線區間盾構隧道下穿復雜城市結構的實際情況，通過Midas GTS數值模擬軟件建立了三維仿真計算模型，如圖2所示，模型內各結構相對關系如圖3所示。模型沿縱向取60.0 m、沿橫向取87.7 m、模型底部取擬建地鐵下方20 m、頂面取至地表。模型前后左右面均為水平約束，底面豎向約束，地表為自由面。模型中圍巖、隧道襯砌等結構均采用彈塑性實體單元模擬，服從摩爾庫倫準則。數值仿真過程中首先進行污水管、管廊、框架橋、斗渠的開挖，并給結構賦予相應的參數，然后進行模型地應力的平衡，最后實現盾構隧道的開挖。因污水管道距離盾構施工區域距離較遠，根據類似隧道施工經驗，污水管道受到隧道施工的擾動較小，故在此不考慮隧道下穿施工對污水管道的擾動，主要分析隧道下穿對其他地下結構和地表路基結構的影響。

圖2 成都地鐵13號線盾構下穿模型

為分析擾動影響控制措施的必要性及控制效果，數值模擬計算分兩種工況，第一種工況不對圍巖進行加固，第二種工況對鐵路在鐵路軌道下方一定范圍內對圍巖進行加固。模擬中所用參數如表1所示。

圖3 模型內部各結構相對關系

表1 圍巖及支護結構力學參數

4 計算結果分析

不考慮注漿加固條件下，盾構隧道下穿施工后，管廊、框架橋、斗渠所受應力和鐵路軌面的位移如圖4所示。

由圖4可知在不考慮注漿加固措施情況下，盾構隧道下穿施工完成后，管廊最大拉應力為1.30 MPa，最大壓應力為2.14 MPa；鐵路框架橋最大拉應力為0.69 MPa，最大壓應力為1.26 MPa；斗渠最大拉應力為0.92 MPa，最大壓應力為1.63 MPa；其中，鐵路框架橋結構、綜合管廊、蘇坡斗渠框架受力較大，但壓應力小于20.65 MPa、拉應力小于1.89 MPa，受力滿足應力安全標準。但鐵路軌面最大豎向位移值為3.66 mm，明顯大于控制值3.0 mm，不能正常滿足鐵路日常行車的要求，因此不采取加固措施，盾構隧道直接下穿復雜城市結構存在一定的風險。

圖4 未加固條件下盾構隧道上方地下結構受力及鐵路軌面沉降情況

考慮注漿加固條件下，盾構隧道下穿施工后，管廊、框架橋、斗渠所受應力和鐵路軌面的位移如圖5所示。

圖5 加固后鐵路軌面豎向位移

由圖5可得若考慮注漿加固措施，當下穿盾構隧道施工完成后，管廊最大拉應力為0.44 MPa，最大壓應力為1.12 MPa；鐵路框架橋最大拉應力為0.51 MPa，最大壓應力為1.10 MPa；斗渠最大拉應力為0.66 MPa，最大壓應力為0.97 MPa。從上述數據可以看出，鐵路框架橋結構、綜合管廊、蘇坡斗渠框架受力情況仍然滿足應力控制要求，但相對于未加固之前，其受力情況有了明顯的改善，各結構所受的極限拉、壓應力均出現了明顯的降低。同時，其上方鐵路路軌面最大豎向位移值為1.41 mm，相對于未加固時，軌道結構的豎向位移下降了61.5 %，小于控制標準值3.0 mm。因此，綜合結構物所有拉壓應力及鐵路軌面結構的沉降情況來看，采取注漿加固措施后，盾構隧道直接下穿復雜城市結構是安全可行的。同時，盾構下穿施工前采取注漿對地層進行加固對于保證隧道的安全下穿施工是完全必要的。

5 結論

采用Midas GTS數值模擬軟件建立了盾構隧道下穿復雜城市結構的擾動影響分析數值仿真模型，明確了盾構隧道施工對其上方城市結構的影響，探明了地層加固措施的必要性，得到的主要結論如下：

(1)根據成都地鐵13號線盾構隧道下穿的實際情況，針對隧道上方的地下鋼筋混凝土結構及地表鐵路路基軌道的使用特點及相關規范，分別提出了位移和應力兩種安全控制標準。

(2)未采取加固措施時，盾構隧道直接下穿城市復雜結構對鐵路框架橋結構、綜合管廊、蘇坡斗渠結構的安全性影響較小，結構的受力在合理的范圍內，但此時鐵路軌道的沉降值已達到3.66 mm，超過安全限值，說明此不采取加固措施，盾構隧道直接下穿復雜城市結構將會存在一定的風險。而采取加固措施后，不僅結構的應力得到了極大地降低，而且路基的豎向沉降下降了61.5 %，能夠符合安全控制要求，說明在盾構下穿施工前采取注漿對地層進行加固是極其必要的。