盾構隧道下穿明挖矩形市政隧道工程措施及施工影響分析

趙 偉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著城市的發展，城市的空間資源越來越緊張。地鐵、市政道路隧道、管廊等城市地下大型基礎設施越來越多，各種地下建(構)筑物之間相互穿越的情況越來越多。本項目地處沈陽市主城區，多次穿越地鐵、市政隧道等地下建(構)筑物，穿越區段主要采用盾構法施工，其中下穿南北二干線隧道凈距較小，為本項目重大風險。楊成永[1]、楊志勇等[2]對盾構隧道下穿既有隧道結構沉降控制及沉降規律進行研究，趙青[3]、方勇[4]、胡眾等[5]對盾構隧道有限元模擬進行了研究。主要對盾構區間施工下穿既有南北二干線隧道的工程措施及施工影響進行分析研究。

1 工程概況及主要工程措施

1.1 下穿工程概況

區間隧道采用盾構法施工，盾構隧道下穿南北二干線隧道，兩者夾角約為67°。南北二干線采用蓋挖法施工，為兩層箱形結構，覆土3.0m、埋深17.16m。盾構區間下穿處管廊覆土20.41～21.41m，與隧道豎向凈距3.25～4.25m，見圖1。

圖1 盾構區間與二干線隧道工程平面圖

盾構隧道均采用C50混凝土，隧道外徑6m，內徑5.4m，隧道襯砌厚300mm。襯砌管片分為6塊：3塊標準管片，2塊鄰接管片，1塊封頂管片，每環的寬度為1200mm，管片采用錯縫拼裝。設計斷面見圖2。

圖2 出入口隧道設計圖

南北二干線隧道采用蓋挖法施工，為兩層箱形結構。隧道圍護樁為Φ800@1200mm，長度為23.2～23.8m，中間立柱樁直徑為Φ1200mm，樁長為坑底下30m。南北二干線主體結構下層為車行隧道，結構高度約8.4m，結構寬度約26.5m；南北二干線主體結構上層為5.76m，寬度約26.4m。設計斷面見圖3。

圖3 二干線隧道斷面圖

1.2 下穿位置風險源處理措施

1.2.1南北二干線隧道為盾構管廊下穿預留條件

(1)隧道棧橋板立柱位置為管廊預留盾構下穿條件，盾構下穿范圍兩側立柱樁與底板連接，起到抗隆起和抗沉降作用。

(2)盾構下穿范圍的隧道圍護樁底部采用玻璃纖維筋，便于盾構破除。

(3)盾構下穿兩側圍護樁已加大樁徑及樁長，樁徑采用1.2m。

(4)盾構斜向破除圍護樁，為保證盾構姿態，已對盾構破樁處土體局部進行加固。加固范圍平剖面如圖4及圖5所示。

圖4 處理措施平面圖

圖5 處理措施剖面圖

1.2.2盾構管廊通過時，采取以下措施降低施工風險

(1)盾構區間下穿隧道主體施工之前需告知南北快速路指揮部，隧道需要根據監測情況，進行配重防止隧道隆起。盾構破樁過程中，此范圍冠梁上禁止行車。

(2)盾構下穿過程中及穿過后，需對其南北快速干道影響范圍內的基坑及棧橋板體系進行安全監控。

(3)在盾構下穿過程中應保證盾構機注漿效果，防止后期沉降。

(4)采用盾構自身控制措施控制變形。

2 有限元計算分析

2.1 三維有限元模型建立

盾構區間隧道下穿南北二干線隧道下穿角度約為67°，下穿段長度約為35m。建立考慮新建盾構區間隧道及南北二干線隧道現有結構的三維有限元模型，模型寬度為92m，模型總高度為58.5m，模型縱向長度取100m。各巖土層、地層加固均采用彈塑性材料模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，三維實體單元；圍護樁采用彈性材料模型，三維實體單元；南北二干線隧道結構板、墻及南運河管廊盾構區間隧道管片均采用彈性材料模型，板單元。在模型底部施加豎向約束，模型四個側面分別施加垂直側面方向的水平位移約束，模型施加重力荷載。模型見圖6、圖7。

圖6 計算整體模型(m)

圖7 結構模型詳圖(m)

2.2 計算模型主要參數

(1)巖土參數

根據鉆探揭露，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內自上而下的地層為：①-1雜填土、③-4礫砂、③-5圓礫、③-5-5圓礫、⑤-5圓礫等。土體參數見表1。

表1 地層參數表

(2)結構參數

主要結構有南北二干線公路隧道，南北二干線管廊，南運河管廊。結構參數見表2。

表2 南北二干線隧道及南運河管廊結構構件力學參數表

2.3 施工過程模擬

區間隧道施工前，將既有南北二干線結構激活，模型位移清零。區間隧道施工先進行左線盾構區間開挖，左線施工完成后進行右線盾構區間開挖。盾構隧道推進過程模擬分為土體開挖、盾構機的頂進、襯砌環的拼裝、推進面壓力模擬及壁后注漿模擬等。盾構施工過程模擬每一施工步施工一環管片寬度，即1.2m。

3 計算結果分析

計算得到了盾構區間隧道施工過程中，既有南北二干線隧道的沉降情況，通過對既有結構沉降及內力的分析，確定施工工法的可行性和既有結構的安全性。

3.1 南北二干線隧道沉降結果

南北二干線隧道水平變形量較小，主要對豎向沉降量進行分析，見圖8、圖9。區間左線開挖完成后，南北二干線隧道最大沉降量為0.91mm，最大沉降位置位于左線隧道正上方南北二干線隧道底板；區間右線隧道施工完成后，南北二干線隧道最大沉降量為1.35mm，最大沉降位置位于區間左右線中心位置南北二干線隧道底板。南北二干線隧道總最大沉降量為1.35mm，未超過《公路技術狀況評定標準》規定的10mm變形指標，見表3。

圖8 左線施工完成既有隧道沉降云圖(單位：mm)

圖9 右線施工完成既有隧道沉降云圖(單位：mm)

表3 各階段沉降量統計表

3.2 南北二干線隧道內力結果

提取南運河管廊施工前和施工結束階段南北二干線隧道主受力方向彎矩，結果對比見表4，結果顯示，南運河管廊施工前后南北二干線隧道受力模式完全相同，內力數值略有變化，下層隧道襯砌內力稍有增加，上層隧道襯砌內力略有減少，隧道內力變化在10%以內。南運河管廊施工對南北二干線隧道內力影響較小，結構受力滿足安全要求。

表4 各階段沉降量統計表

3.3 南北二干線隧道沉降隨施工步變化曲線

對南北二干線隧道底板上位于區間左線正上方沉降分析點1、分析點2及位于右線正上方沉降分析點3、分析點4沉降量隨施工步的變化進行分析，如圖10所示。計算結果顯示：

圖10 沉降分析點沉降隨施工步變化曲線圖

(1)管廊區間開挖對正上方沉降分析點的影響最大。

(2)當開挖面至沉降分析點前方約20m位置，沉降分析點沉降速度明顯加快。

(3)當開挖面通過沉降分析點約20m后，開挖對隧道沉降影響較小。

(4)管廊區間左右線范圍內管廊底板各點最終沉降相差不大。

4 結論與建議

采用數值分析方法對新建管廊區間施工對既有南北二干線隧道的影響進行分析，分析了施工對車站結構沉降、內力、結構沉降隨施工步的變化情況，得出如下結論：

(1)南運河管廊盾構區間施工對南北二干線隧道影響較小，最大沉降量僅為1.35mm，南北二干線隧道沉降及內力均滿足規范要求，盾構區間施工安全風險可控。

(2)當開挖面至監測點前方約20m位置，監測點沉降速度明顯加快。當開挖面通過監測點約20m后，開挖對隧道沉降影響較小。在此范圍內施工時應注意加強對既有南北二干線結構的監測及施工控制。

(3)各種地下工程相互穿越在所難免，應做好城市建設規劃，預留后期施工項目條件，減少后期施工風險及造價。