盾構(gòu)隧道上跨施工對既有隧道變形的影響研究

趙宇鵬, 陳道政

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

在城市軌道交通建設(shè)中，受建筑物地基、市政管線以及城市規(guī)劃的限制,新建隧道不可避免地與既有隧道形成上下交叉穿越的復(fù)雜工況,而這種交叉穿越的隧道存在極大的安全隱患。新建隧道施工不僅會(huì)對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),引起既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和附加應(yīng)力,同時(shí)自身近距離施工也會(huì)產(chǎn)生相互影響。因此,深入研究新建隧道施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響,以及如何采取有效的加固措施減小此類不利影響,具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

文獻(xiàn)[1]通過分析英國希思羅機(jī)場快線3條隧道施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù),指出2條新建隧道在距離很近的情況下,相鄰隧道之間的相互作用使周圍土體穩(wěn)定性大大降低;文獻(xiàn)[2]通過分析新建隧道與既有隧道在不同間距情況下既有隧道結(jié)構(gòu)受力和變形情況,得出新舊隧道間距與既有隧道結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系;文獻(xiàn)[3]結(jié)合上海地鐵8號線近距離上穿地鐵2號線現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),對既有隧道縱向變形過程進(jìn)行了分析研究;文獻(xiàn)[4]針對上海地鐵11號線上、下穿越既有地鐵4號線的多線疊交復(fù)雜工況,構(gòu)建三維彈塑性有限元模型,研究在不同凈距、不同土倉壓力、不同注漿量下新建隧道盾構(gòu)穿越對既有隧道管片變形的影響;文獻(xiàn)[5]結(jié)合上海地鐵某區(qū)間隧道上下夾穿在營地鐵的工程實(shí)例,采用數(shù)值模擬的方法,對先上后下和先下后上2種不同穿越次序引起的地鐵隧道變形及地層擾動(dòng)進(jìn)行了比較分析;文獻(xiàn)[6]針對深圳地鐵9號線雙線盾構(gòu)隧道近距離上跨既有1號線隧道區(qū)間工程,采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場自動(dòng)化監(jiān)測相結(jié)合的方法,研究了盾構(gòu)隧道上跨施工引起的既有隧道水平和豎向變形規(guī)律,并分析了土倉壓力對既有隧道變形的影響。

上述研究針對新建隧道近距離穿越既有隧道進(jìn)行了分析,但是關(guān)于盾構(gòu)施工參數(shù)以及加固方式對既有隧道結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)研究較少。本文結(jié)合昆明地鐵4號線菊花村站—菊華站區(qū)間隧道工程實(shí)踐,針對雙線盾構(gòu)隧道近距離上跨穿越地鐵6號線從而形成四線疊交的特殊工況,采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法,研究既有地鐵隧道在不同上跨施工階段的豎向變形規(guī)律,分析土倉壓力、注漿壓力及徑向環(huán)形注漿加固對既有隧道變形的影響,以期為類似多線疊交隧道施工提供參考。

1 工程概況

昆明市軌道交通4號線菊花村站—菊華站區(qū)間雙線上跨既有軌道交通6號線菊華綜合樞紐站至菊華站區(qū)間隧道,穿越段里程為:4號線左線ZDK14+404.766～ZDK14+562.160;4號線右線YDK14+361.69～YDK14+535.475。上跨交叉區(qū)域中4號線與6號線左線以12°～15°斜交,4號線與6號線右線以23°～26°斜交,位置關(guān)系平面圖如圖1所示。新建隧道左、右線管片最外側(cè)間距為3 m,覆土厚度約為7 m,與既有線隧道最小凈距約為1.9 m。4號線和6號線隧道采用拼裝式預(yù)制混凝土襯砌管片,外徑均為6.2 m,內(nèi)徑均為5.6 m,管片厚度為300 mm。

圖1 新建隧道與既有隧道平面位置關(guān)系示意圖

區(qū)間場地土層按結(jié)構(gòu)和性狀可劃分為6層,土層物理力學(xué)參數(shù)見表1所列。其中地鐵4號線施工區(qū)域位于粉質(zhì)黏土層,地鐵6號線施工區(qū)域位于粉土、圓礫土層,兩線夾層覆土為粉質(zhì)黏土和圓礫土。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

昆明地區(qū)泥炭土地質(zhì)分布廣泛,其物理力學(xué)性質(zhì)極差,因此盾構(gòu)施工極易引起地層產(chǎn)生過大擾動(dòng),造成6號線隧道結(jié)構(gòu)變形增大,危及隧道結(jié)構(gòu)安全。

2 盾構(gòu)上跨施工模擬

2.1 三維有限元模型及參數(shù)選取

考慮盾構(gòu)開挖對土體的擾動(dòng)范圍,建立三維數(shù)值模型尺寸為24 m×100 m×35 m,地表為自由面,底部采用固定約束,各側(cè)面采用法向約束。巖土體與襯砌管片均采用實(shí)體單元模擬,土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型,管片在外荷載作用下仍處于彈性變形階段,采用各向同性的彈性模型。襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C55,考慮螺栓連接對襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響,將管片剛度折減15%,彈性模量取30 GPa,泊松比取0.2。為反映盾構(gòu)推進(jìn)對周圍土體的擾動(dòng)和注漿填充作用,設(shè)置等代層進(jìn)行模擬,根據(jù)文獻(xiàn)[7],其厚度設(shè)定為0.1 m,采用彈性實(shí)體單元,泊松比取0.2。根據(jù)現(xiàn)場注漿體抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果,選取2個(gè)典型抗壓強(qiáng)度時(shí)間點(diǎn),將注漿硬化過程中漿體彈性模量的變化設(shè)置成由初始0.5 MPa變?yōu)?.4 MPa。

圖2 隧道穿越有限元模型

2.2 盾構(gòu)施工過程模擬

本文采用剛度遷移法進(jìn)行模擬[8],即盾構(gòu)機(jī)是一步一步跳躍式推進(jìn),將盾構(gòu)前行看成剛度和荷載的遷移過程。盾構(gòu)開挖過程模擬如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)開挖過程模擬

步驟如下:① 第1步移除隧道區(qū)域土體,激活等代層單元,修改等代層參數(shù)為盾殼,并在開挖面施加土倉壓力;② 第2步移除盾尾盾構(gòu)機(jī)單元屬性模擬盾尾空隙,向隧道洞身單元面上施加均布注漿壓力,模擬注漿過程;③ 第3步激活襯砌單元和等代層單元,等代層參數(shù)按注漿體硬化程度設(shè)置;④ 依次推進(jìn)至盾構(gòu)開挖完成。考慮新建隧道施工對周邊土體影響范圍,結(jié)合具體施工情況,確定4號線盾構(gòu)推進(jìn)步如圖4所示。

圖4 4號線盾構(gòu)推進(jìn)步示意圖

為研究新建隧道上跨施工過程中既有隧道的變形規(guī)律,按照新、舊隧道空間位置關(guān)系沿盾構(gòu)推進(jìn)方向,選取7個(gè)關(guān)鍵施工階段(共14個(gè)工況)進(jìn)行分析,具體工況設(shè)置如下:

工況1(左線)、工況8(右線):盾構(gòu)駛近地鐵隧道左線未到達(dá)。

工況2(左線)、工況9(右線):開挖面推進(jìn)至地鐵隧道左線正上方。

工況3(左線)、工況10(右線):盾構(gòu)機(jī)整體越過隧道左線,盾尾脫離隧道正上方。

工況4(左線)、工況11(右線):盾構(gòu)駛近地鐵隧道右線未到達(dá)。

工況5(左線)、工況12(右線):開挖面推進(jìn)至地鐵隧道右線正上方。

工況6(左線)、工況13(右線):盾構(gòu)機(jī)整體越過隧道右線,盾尾脫離隧道正上方。

工況7(左線)、工況14(右線):盾構(gòu)施工結(jié)束。

3 上跨施工數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 雙線盾構(gòu)施工引起既有線豎向變形規(guī)律

上跨施工時(shí)既有隧道縱向位移曲線如圖5所示。

4號線左線駛近時(shí),地鐵線上方土體未開挖,施工荷載對既有線影響不明顯;自開挖面抵達(dá)地鐵隧道正上方至盾構(gòu)機(jī)整體越過穿越區(qū),開挖卸荷造成土層應(yīng)力釋放,引起地鐵隧道產(chǎn)生明顯上浮變形;4號線左線施工結(jié)束時(shí),6號線左線最大上浮值為11.18 mm,右線最大上浮值為9.95 mm。單線穿越時(shí),上跨前20 m至穿越后30 m是影響下方既有隧道豎向變形的主要區(qū)域,由開挖面離開隧道上方至盾構(gòu)脫離穿越區(qū)域施工階段豎向變形增量約占總變形量的50%～75%。由于新建隧道以小角度上跨施工,引起豎向位移峰值位置不斷發(fā)生偏移,最終穩(wěn)定在盾構(gòu)雙線與地鐵線兩交點(diǎn)的中心處。雙線施工結(jié)束時(shí),盾構(gòu)第2次穿越引起地鐵上浮的數(shù)值小于第1次穿越結(jié)束時(shí)地鐵上浮的數(shù)值。

圖5 上跨施工時(shí)既有隧道縱向位移曲線

地鐵雙線豎向變形在第2次穿越過程中表現(xiàn)出差異:在盾構(gòu)右線抵達(dá)隧道上方時(shí),地鐵右線位移曲線由“M”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭榔隆毙?這主要是由于新建隧道與既有地鐵隧道的夾角不同,地鐵左線與盾構(gòu)隧道夾角較小,導(dǎo)致穿越段在既有隧道上的投影更長,引起雙線施工的影響相對獨(dú)立;同時(shí)基于上述原因,地鐵左線受到的卸荷作用更加顯著,地鐵左線上浮峰值比右線增大1.23 mm。

3.2 施工參數(shù)對既有隧道變形的影響

3.2.1 上跨施工土倉壓力與注漿壓力的設(shè)定

在上跨施工過程中,盾構(gòu)施工對周邊土層影響程度受控因素較多,主要為土倉壓力、推進(jìn)速率、出土量、注漿壓力及注漿量等,其中土倉壓力和注漿壓力對整個(gè)盾構(gòu)施工的影響較明顯。理論上,當(dāng)土倉壓力等于前方水土壓力時(shí)盾構(gòu)開挖對周圍的擾動(dòng)最小,但在實(shí)際掘進(jìn)過程中很難做到。此外,注漿壓力的大小也會(huì)對同步注漿的效果產(chǎn)生很大影響。根據(jù)盾構(gòu)施工記錄,土倉壓力的設(shè)定范圍為0.06～0.08 MPa;注漿壓力通常選擇為地層阻力加上0.1～0.2 MPa的和,考慮隧道管片的承載能力,注漿壓力一般控制在0.2～0.4 MPa。

為研究盾構(gòu)上跨施工時(shí),土倉壓力和注漿壓力對既有隧道變形的影響,采用單一變量法,以工況A作為基準(zhǔn),將注漿壓力與土倉壓力分別乘以一定系數(shù),分別討論不同土倉壓力、注漿壓力作用下地鐵隧道的變形規(guī)律,5種計(jì)算工況見表2所列。

表2 計(jì)算工況

3.2.2 土倉壓力對既有隧道變形的影響

不同土倉壓力作用下,既有隧道的最大豎向變形在不同施工階段的變化情況如圖6所示。

圖6 土倉壓力對既有隧道變形的影響曲線

從圖6可以看出,上跨施工結(jié)束時(shí),不論土倉壓力是增大還是減小,既有地鐵隧道的上浮量基本不隨土倉壓力的改變發(fā)生變化。與設(shè)定壓力相比,當(dāng)土倉壓力為0.7P1時(shí),地鐵左、右線最終上浮峰值分別達(dá)到18.45、17.46 mm;當(dāng)土倉壓力為1.3P1時(shí),地鐵左、右線最終上浮峰值分別達(dá)到18.40、17.41 mm。

土倉壓力對隧道變形的影響在盾構(gòu)機(jī)駛近隧道而未到達(dá)前最大,此時(shí)開挖面前方土體受擠壓引起既有隧道下沉,土倉壓力越大,擠壓作用越明顯。當(dāng)開挖面來到上跨影響區(qū)域,施工產(chǎn)生的卸荷作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)開挖面到達(dá)隧道正上方,土倉壓力的作用效果明顯減弱。隨著盾構(gòu)繼續(xù)推進(jìn),當(dāng)盾構(gòu)機(jī)整體越過地鐵隧道,土倉壓力的作用相比于卸荷作用已十分微小。通過對比分析可知,在施工過程中較小的土倉壓力對隧道的影響程度大于較大的土倉壓力對隧道的影響程度。

3.2.3 注漿壓力對既有隧道變形的影響

不同注漿壓力作用下,既有隧道的最大豎向變形在不同施工階段的變化情況如圖7所示。

圖7 注漿壓力對既有隧道變形的影響曲線

從圖7可以看出:在整個(gè)施工階段,隨著注漿壓力的增大,地鐵隧道的上浮值不斷減小;當(dāng)注漿壓力減小時(shí),地鐵隧道的變形趨勢與之相反。與設(shè)計(jì)壓力相比,當(dāng)注漿壓力為1.3P2時(shí),地鐵隧道左、右線最終上浮峰值減小0.85、0.83 mm;當(dāng)注漿壓力為0.7P2時(shí),地鐵隧道左、右線最終上浮峰值分別增大0.88、0.87 mm。

盾構(gòu)機(jī)未抵達(dá)穿越區(qū)域前,由于注漿面距離較遠(yuǎn),因注漿壓力對地鐵隧道產(chǎn)生的影響十分微小。當(dāng)開挖面來到地鐵隧道正上方時(shí),不同注漿壓力對隧道變形的作用已明顯不同。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)整體越過地鐵隧道時(shí),注漿面位于地鐵隧道的正上方,注漿壓力對隧道施加的作用達(dá)到最大。當(dāng)盾構(gòu)施工結(jié)束,注漿壓力為1.3P2時(shí),地鐵隧道上浮值相比于前一工況不再延續(xù)遞減趨勢而是出現(xiàn)小幅增長;在注漿壓力為0.7P2時(shí),地鐵隧道上浮值繼續(xù)增大。這主要是由于盾構(gòu)駛離地鐵隧道階段,隧道累積的卸荷作用大于注漿壓力施加于隧道上的擠壓作用,最終引起隧道小幅上移。

3.3 徑向環(huán)形注漿加固對既有隧道變形影響

為減少新建隧道上跨施工對既有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響,在新、舊隧道交叉處6號線隧道內(nèi)提前采用增設(shè)注漿孔管片對夾層2 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行徑向環(huán)形注漿加固。既有6號線加固里程范圍為:右線DK3+285.950～DK3+345.950、左線DK3+173.985～DK3+278.470。注漿漿液選用水泥漿,注漿壓力為0.2～0.5 MPa,經(jīng)加固的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。

加固層厚度是影響加固效果的主要因素,分別取加固層厚度為0、1、2、3 m共4種工況進(jìn)行模擬分析,當(dāng)4號線與6號線凈距不足3 m時(shí)按注漿范圍不侵入4號線結(jié)構(gòu)外輪廓為原則進(jìn)行調(diào)整,得到的加固效果如圖8所示。

圖8 徑向環(huán)形注漿加固對既有隧道變形的影響曲線

從圖8可以看出,徑向注漿加固及增、減加固層厚度對既有隧道變形產(chǎn)生了明顯的影響。與無加固相比,加固層厚度為1、2、3 m時(shí),地鐵隧道最大上浮量分別減小2.93、4.86、6.29 mm。由此可知,增大加固層厚度可顯著減小地鐵隧道最大上浮值,但上浮值的減小不隨加固層厚度增加而同比例線性增大。因此,選擇徑向環(huán)形注漿加固方式時(shí),應(yīng)結(jié)合地層參數(shù)、隧道凈距及注漿材料選擇適合的注漿深度。

4 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬對比分析

為確保新建隧道上跨既有6號線隧道施工順利進(jìn)行,在6號線加固段(左DK3+173.985～左DK3+278.470,右DK3+285.950～右DK3+345.950)設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測,現(xiàn)場共布置了18個(gè)監(jiān)測斷面,每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置拱頂(0°)、拱底(180°)、拱腰(90°和270°)4個(gè)測點(diǎn)。取6號線左線管片上表面的豎向位移值與數(shù)值模擬結(jié)果作對比,見表3所列。由表3可知，通過采取徑向環(huán)形注漿加固方式,既有隧道上浮變形得到有效控制,監(jiān)測點(diǎn)豎向位移小于數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偏差,但在整個(gè)變形趨勢上保持一致,能為實(shí)際工程提供一定的理論指導(dǎo)。

表3 監(jiān)測點(diǎn)豎向位移與模擬值對比 單位:mm

5 結(jié) 論

(1) 盾構(gòu)近距離上跨施工會(huì)引起既有隧道產(chǎn)生上浮變形,雙線施工時(shí),盾構(gòu)第2次穿越對既有隧道的影響小于盾構(gòu)首次穿越。新建隧道與既有隧道的夾角會(huì)對既有隧道變形產(chǎn)生不同程度的影響,隧道夾角越小,受影響程度越大。

(2) 新建隧道小角度穿越過程中,既有隧道變形峰值位置不斷偏移。上跨施工對既有隧道變形的影響集中在新、舊隧道交點(diǎn)前3倍盾構(gòu)外徑至交點(diǎn)后4倍盾構(gòu)外徑范圍內(nèi)。

(3) 上跨施工結(jié)束時(shí)既有隧道的上浮值不隨土倉壓力的變化而變化,但注漿壓力增大時(shí)隧道變形減小。施工參數(shù)對既有隧道變形的影響遠(yuǎn)小于隧道開挖的卸荷作用。

(4) 徑向環(huán)形注漿加固對既有隧道變形有很好的抑制效果,但加固能力不隨厚度提升線性增加,應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程參數(shù)選擇適合的加固厚度。