地鐵盾構區間近距離下穿頂管隧道力學響應及沉降控制標準研究

楊艷玲，韓現民，李文江

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201；2.石家莊鐵道大學，石家莊 050043；3.河北省金屬礦山安全高效開采技術創新中心，石家莊 050043)

引言

隨著城市軌道交通的不斷發展，新建隧道近接下穿既有地下結構施工控制已逐漸成為地鐵建設過程中日益突出的熱點工程問題之一。研究揭示地鐵隧道下穿施工引起的既有結構變形規律，科學制定下穿施工過程位移控制標準，對合理制定施工方案、實現下穿施工安全管理具有重要意義。目前，在既有結構變形規律預測和沉降控制標準方面，部分成果是建立在經驗公式(如Peck沉降曲線公式或區域性相關工程測試數據回歸公式)基礎之上的，比如郭亮[1]通過Peck公式得到了地表最大沉降量和地鐵軌道傾斜率的關系，從而得到了滿足行車安全下的地表最大允許沉降；朱衍峰[2]通過Peck公式建立了地表最大沉降量和建筑物傾斜率的關系，從而得到了滿足建筑物結構安全條件下的地表允許沉降。其他學者研究成果亦和前者類似[3-5]，其相應成果的針對性、可靠性、精準性均有待發展和提高。雖然也有建立在數值仿真技術基礎之上的研究成果，如毛新穎等[6]通過數值模擬研究了盾構施工對地表沉降槽變化的影響；趙強政[7]通過數值模擬研究了盾構隧道施工對地層隆沉、道路傾斜率等的影響；黃世政[8]通過數值模擬研究了盾構下穿既有隧道過程中，既有隧道的變形規律及受力規律。但其研究過程中工作量大且其成果方法的系統性、完整性仍有待完善。目前，在盾構穿越建(構)筑物施工擾動影響研究方面，常見的研究對象有地鐵隧道[9-15]、地鐵車站[16]、地下管線[17]、樁基[18]和地表建筑物[19-20]，而大斷面頂管隧道受管節接頭特性影響，對下穿施工擾動具有高敏感性和低適應性，相對于其他既有地下結構，其沉降控制要求更為嚴格，但相關研究成果較少。

以鄭州地鐵4號線會展中心站—商鼎路站區間盾構隧道近距離斜穿既有交通頂管隧道群區段為工程背景，開展下穿既有頂管隧道施工力學響應及沉降控制標準研究，提出下穿施工過程既有頂管隧道沉降控制標準的制定方法，制定相應的控制標準和管理基準，為依托工程提供技術支持，為類似工程提供借鑒經驗。

1 依托工程概況

鄭州市軌道交通4號線會展中心站—商鼎路站區間為盾構區間，右線DK20+750.655～DK20+799.989、左線DK20+741.626～DK20+825.483區段以平面交角37°近距離下穿福元路—商鼎路交通頂管隧道群，新建隧道埋深17.5 m，隧道結構拱頂距頂管隧道底部邊緣最小間距為2.94 m，下穿段平面位置關系如圖1所示。

圖1 既有頂管隧道與盾構區間位置關系

盾構區間管片內徑為550 cm，外徑為620 cm，厚度為35 cm，兩隧道中心線間距為16 m。福元路—商鼎路隧道為市政道路矩形頂管隧道，由4條頂管隧道構成，包括2條非機動車頂管隧道和2條機動車行車頂管隧道。機動車道隧道管節尺寸為：1.5 m(長)×10.4 m(寬)×7.5 m(高)，壁厚700 mm。非機動車道隧道管節尺寸為：1.5 m(長)×6.9 m(寬)×4.2 m(高)，壁厚450 mm。頂管隧道管節均采用承插式接頭，接頭形式如圖2所示。

圖2 既有頂管接頭形式

盾構區間下穿福元路—商鼎路隧道處地層種類較多，有雜填土、黏質粉土、粉質黏土、粉砂和細砂，區間所穿越地層為粉質黏土、粉砂層。經勘察，在46 m深度范圍內共觀測到2層地下水，分別為：潛水，其穩定水位埋深9.2～11.7 m；微承壓水，穩定水位埋深14.1～16.7 m，承壓水頭為4.0～6.5 m。

2 下穿施工數值模擬

2.1 計算模型

為預測下穿施工過程中既有結構的變形規律和量值，尋找和發現施工變形的關鍵控制工況，并為下穿施工過程既有頂管隧道變形控制標準的制定提供理論基礎，研究中采用有限差分程序建立三維地質力學模型，對下穿施工過程進行了數值模擬。根據工程實際情況，模型尺寸：長度取140 m，寬度取99 m，高度為55.5 m。計算模型中隧道結構、注漿體、土體均采用實體單元模擬，盾構機頭采用殼單元模擬。單元數量為194 120個。具體模型如圖3所示。除地表設置為自由面外，其他各面均采用法向位移約束邊界。地層采用摩爾庫倫本構模型，隧道管片采用彈性本構模型。盾構掘進過程參閱文獻[21]進行模擬計算，關鍵點為單元“生死”、土艙壓力與注漿壓力模擬。

圖3 數值計算模型

模擬中，在既有頂管底板不同位置共設置7個監測點(如圖4(a)中M1～M7)及8條測線(如圖4(b)中Ⅰ～Ⅷ)，以便于監測分析不同工況下既有隧道變形與受力特點，以及其演化規律，具體測點及測線的布設情況如圖4所示。根據施工組織安排，本工程執行新建隧道右線先行的原則，即當右線隧道完成下穿段施工后再進行左線隧道掘進。

圖4 計算模型中測點及測線布設示意

2.2 計算參數選取

數值分析中的地層和結構物理力學參數取值如表1、表2所示。

表1 地層物理力學參數

表2 結構參數

3 數值模擬結果

3.1 既有隧道底板測點沉降計算結果

掘進過程中既有頂管隧道底板測點沉降變形監測結果如圖5所示。

圖5 掘進過程中監測點豎向位移變化曲線

圖5中施工步序的含義為：步序1是指新建右線隧道掌子面掘進至監測點M1下方，步序2為右線隧道掘進至監測點M2下方，步序3為右線隧道掘進至監測點M3下方，步序4為左線隧道掘進至監測點M4下方，步序5為左線隧道掘進到監測點M5下方，步序6為左線隧道掘進到監測點M6下方，步序7為左線隧道掘進到監測點M7下方。

由計算結果可以看出，各測點沉降變形基本上均隨新建隧道的掘進而不斷增加；當新建隧道掌子面通過測點時的沉降會有明顯加大；下穿施工結束時，既有隧道C和D受開挖擾動較為明顯，監測點M4沉降最大，沉降達到6.6 mm。

3.2 既有隧道底板測線沉降計算結果

不同施工階段既有隧道豎向位移云圖如圖6、圖7所示，底板沉降如圖8、圖9所示，橫軸坐標原點即為圖1中沈莊工作井位置處。根據計算結果可以看出：①當右線掘進完成后，既有結構最大沉降位置位于右線盾構隧道上部的頂管隧道D處，最大沉降值為4.3 mm；②當下穿施工完成后，其最大沉降位置向左線盾構隧道方向有所偏移，最大值為7.6 mm；③由于測線與掘進方向斜交、受雙洞依次掘進以及下穿空間位置的差異等影響，各側線沉降槽曲線均呈明顯的非對稱性，且有不同程度的偏轉和平移；④相對于頂管隧道A、B，頂管隧道C、D受盾構區間掘進擾動較明顯，累計沉降相對較大；⑤對比既有隧道底部兩條測線沉降曲線可以看出，下穿施工過程中，既有隧道底板有橫向不均沉降現象發生，但橫向沉降差較小，均在2 mm以內，不會對通行造成影響。

圖6 右線掘進完成既有隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖7 施工完成既有隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖8 右線掘進完成時各監測線沉降曲線形態

圖9 施工完成時各監測線沉降曲線形態

4 既有隧道結構沉降控制基準

4.1 基本原理

(1)頂管隧道在使用過程中，接縫的張開量和管線曲率是影響隧道正常使用的重要指標，而在新建隧道下穿既有頂管隧道的施工過程中，必然會對既有頂管隧道接縫的張開量和曲率產生影響。既有頂管隧道接縫張開程度主要取決于地層沉降規律，并與頂管結構管節長度密切相關。在實際工程中，外部工程施工(4號線盾構隧道下穿施工)擾動下既有結構的變形情況可通過現場監測獲取，但外部工程擾動前既有結構的變形情況比較復雜，一般難以通過實測手段獲得。因此，研究中既有隧道的變形規律和數值主要取自前述三維數值模擬的結果。

(2)研究中，依據實際工程建立既有頂管隧道的有限元實體模型，模型長99 m，頂管結構采用實體單元模擬，管節長度按實際工程情況考慮，相鄰管節接頭節點采用非耦合方式建立，僅對沿頂管頂板中線單元節點中坐標重合的兩節點進行位移(x、y、z方向)自由度耦合，模型兩端施加水平位移約束，如圖10所示。

圖10 既有頂管隧道結構模型

(3)下穿施工過程中，既有隧道底板響應最為敏感，并將這種擾動效應上傳至頂板和側墻。分析中，將前述三維數值模型計算得到的既有隧道地基土頂面位移結果，以位移荷載的形式施加到新建模型相應位置節點上。同時，假定既有結構底板變形規律不變，并按比例調整既有結構底板的附加豎向位移量，以此搜索既有隧道結構接頭達到最大允許張開量或極限曲率時所對應的豎向允許位移值。

(4)關于既有頂管隧道結構接頭允許張開量問題，目前尚無城市道路頂管隧道領域的相關技術規程和統一標準。CJJT202—2013《城市軌道交通設施結構安全技術保護規程》中規定：在外部施工作業情況下，既有頂管隧道在外部施工影響下管片張開量控制值可按表3取值。另外，也有相關研究建議柔性管道接頭允許張開量應控制在3.75 mm以內[5]。

表3 盾構法或頂管法地下結構安全控制標準值

根據本工程特點，外部施工影響下的既有頂管隧道接縫允許張開量可取2 mm；既有頂管隧道附加變形引起的曲率半徑允許值應大于15 000 m。

4.2 計算結果

(1)基于既有頂管接頭允許張開量的沉降控制標準。

根據數值模擬計算結果，下穿施工過程中，既有頂管隧道C、D變形響應相對明顯，因此，研究中分別取既有頂管隧道C、D變形結果以位移荷載的形式施加到結構模型相應的節點上。頂管隧道變形形態如圖11所示。

圖11 既有隧道結構變形示意

采用上述位移荷載-結構模型計算分析得出，當管節接縫張開量達到2 mm時，機動車頂管隧道底板結構所對應的沉降值為57.5 mm，非機動車頂管隧道底板沉降值為81.6 mm。

(2)基于既有隧道結構允許附加曲率的沉降控制標準。

以既有頂管隧道C、D為分析對象，比較施工完成后C、D頂管隧道4條監測線與底板中線位置處豎向位移，如圖12所示。

圖12 既有隧道底板不同測線沉降曲線

由圖12可以得出，各測線沉降曲線均呈明顯的非對稱性，且其最大曲率均位于最大沉降值位置。其中，Ⅵ、Ⅷ號監測線的最大沉降值、局部斜率和曲率與其他測線相比均相對較大，為精準確定曲線最小曲率半徑，簡化回歸方程表達形式，研究中僅?、?、Ⅷ號監測線豎向位移的部分曲線作回歸分析(所取曲線為最大沉降點附近一定范圍的數據及圖中線型相對簡單的一側數據)，并將坐標原點平移至最大沉降點位置，如圖13所示。

圖13 既有隧道最大曲率點兩側沉降曲線

設定所得沉降回歸方程符合Peck公式，機動車頂管隧道底板沉降曲線擬合如下

(1)

非機動車頂管隧道底板降曲線擬合如下

(2)

曲率半徑可表示為

(3)

式中，x為距既有隧道中心水平距離，m；y為既有隧道沉降量，mm；R為曲率半徑，m。

假定沉降曲線規律不變，調整最大沉降量，當最小曲率半徑達到15 000 m，對應的允許最大沉降限值為：機動車頂管隧道30.9 mm，非機動車頂管隧道27.8 mm。

(3)下穿施工過程既有隧道沉降管理基準

綜合上述分析結果，既有非機動車頂管隧道對沉降變形的適應性相對較差，下穿施工過程中應予以重視；相對于接縫張開量控制標準，基于既有隧道結構允許附加曲率的沉降控制要求相對較為嚴格。從確保施工安全角度出發，同時也為簡化施工管理指標，施工中既有行車隧道和非機動車隧道均采用統一的最大沉降控制限值，即允許最大沉降不應大于25 mm，預警值均按允許最大沉降的50%設置，即12.5 mm。

5 監測結果

為保證施工安全，在下穿段影響范圍內既有頂管隧道底板布設了監測點，測點具體布置如圖14所示。

圖14 現場監測點布置

施工結束后既有頂管隧道C、D結構底板測線沉降的實測與數值計算結果分別如圖15、圖16所示，從圖中可得：①數值模擬結果略小于現場監測結果，但兩者規律性吻合較好，證明基于數值計算結果建立的沉降控制標準是切實可行的；②施工過程沉降控制效果較好，累計沉降遠小于所制定的預警值。

圖15 C頂管隧道沉降曲線

圖16 D頂管隧道沉降曲線

6 結論

以鄭州地鐵4號線會展中心站—商鼎路站區間盾構下穿既有頂管隧道群為工程背景，開展了地鐵盾構隧道近距離下穿既有頂管隧道施工力學效應及變形控制基準研究，主要結論如下。

(1)三維數值動態模擬計算揭示了下穿施工過程中既有頂管隧道結構變形規律和形態特征：受隧道空間位置關系及盾構雙洞依次掘進影響，頂管隧道軸向沉降曲線均呈明顯的非對稱性，且在施工過程中發生不同程度的偏轉和平移；相對于頂管隧道A、B，頂管隧道C、D受盾構區間掘進擾動較明顯，累計沉降相對也較大；對比同一頂管隧道底部兩側測線沉降曲線可以看出，下穿施工過程中，隧道底板有橫向(垂直于通行方向)不均沉降現象發生，但沉降差較小，均在2 mm以內，不會對通行造成影響。

(2)提出了以數值模擬為基礎、以隧道管節接縫允許張開量和結構線形允許最小附加曲率半徑為控制目標的頂管隧道沉降控制標準確定方法；從確保施工安全角度出發，施工中既有行車隧道和非機動車隧道均采用統一的沉降控制限值，即允許最大沉降不應大于27 mm，預警值均按允許最大沉降的50%設置，即13.5 mm。

(3)現場監控量測證實了基于數值結果建立的沉降控制標準的可靠性，且施工沉降控制效果較好，累計沉降遠小于所制定的預警值。

提出的沉降控制標準及其確定方法主要是基于實際工況制定的，后續可對正交下穿、上跨等不同穿越情況下頂管隧道的變形特點進行研究，拓寬沉降控制標準制定方法的應用范圍。