地鐵隧道近距離下穿高鐵大直徑盾構隧道施工變形特征分析

高始軍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司,南京 211899)

1 概述

隨著我國城市化進程不斷推進,城市地下空間建設規模顯著增長,新建隧道穿越既有基礎設施引發的問題也越來越突出。 截止2019 年底,僅北京地區已建及在建的穿越工程案例就達20 余個[1-4]。 新建隧道下穿既有隧道,必然會導致既有隧道周邊地層及隧道本身的原有狀態發生變化,輕則誘發結構裂損、滲漏水,重則導致結構整體失穩垮塌。 由此,下穿隧道引發的各類問題受到國內外學者的關注[5-8]。

目前,國內外關于新建隧道下穿既有隧道的研究主要集中在以下幾個方面:理論解析法、模型試驗法、數值模擬分析法、現場實測分析法等[9-17]。 其中,在現場實測方面,李倩倩等通過統計現場實測數據,分析淺埋暗挖法下穿既有盾構隧道的變形特征;張瓊芳等通過對施工過程進行監測,研究新建隧道與既有隧道不同位置關系時既有隧道的變形規律。 在數值模擬分析方面,孫鈞等針對上海軌道交通明珠線上、下行近距離交疊區間隧道施工,采用數值軟件分析不同開挖方法下地層位移以及地表沉降隨掘進進度的變化規律;汪洋等采用三維數值模擬與模型試驗相結合的方式,對盾構隧道正交下穿既有隧道所引起的縱向變形等問題進行深入研究,得到既有隧道的變形和附加內力分布變化規律;張毫毫等應用多尺度建模技術,重點分析隧道正交施工擾動下,既有隧道管片的受力變形規律。不難看出,下穿施工會導致既有隧道產生一定的變形,可能導致隧道在下穿過程中發生破壞。 隨著城市地鐵、城際高鐵、市政項目的快速建設,會有越來越多的隧道下穿既有隧道,各種工法下穿隧道的施工研究相繼涌現,但有關暗挖隧道下穿大直徑盾構隧道的研究相對較少。

以北京地鐵12 號線下穿清華園大直徑盾構隧道工程為背景,針對盾構施工的特點,引入三維精細化建模技術,采用現場實測與有限元數值計算相結合的手段,對暗挖隧道施工下穿既有大直徑盾構隧道引起的變形等問題進行深入研究。

2 工程概況

北京地鐵12 號線大鐘寺站—薊門橋站區間線路沿北三環西路路中敷設,區間里程為右(左)SSK107+972.250～右(左)SSK108+807.350。 區間隧道采用礦山法施工,斷面形式為馬蹄形(高6.62 m,寬6.48 m),里程DK14+745～DK14+770 段接近正交下穿京張高鐵清華園盾構隧道,平面位置關系見圖1。

圖1 北京地鐵12 號線下穿清華園隧道平面(單位:m)

新建隧道結構與既有隧道結構最小凈距為1.66 m,以第四系全新統人工堆積層雜填土和第四系全新統沖洪積層黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土地層為主(見圖2)。 為減少對京張高鐵隧道的影響,12 號線大—薊區間采用“臺階法+臨時仰拱”施工,隧道開挖前,采用“深孔注漿+DN180 大管棚”進行支護。 清華園隧道平均覆土厚度14 m,襯砌管片為C50 預制管片,內徑11.1 m,外徑12.2 m,環寬2 m,厚0.55 m。

圖2 北京地鐵12 號線下穿清華園隧道剖面(單位:m)

地鐵12 號線暗挖隧道近距離下穿既有大直徑盾構隧道,工程存在較大風險。 如何避免新建暗挖隧道施工對周圍土體及既有大直徑盾構隧道產生較大的擾動,安全完成下穿,是12 號線施工的關鍵。

3 現場實測及數據分析

3.1 現場測點布置

施工過程中,清華園盾構隧道邊墻各設置25 個電子水準儀監測儀,既有隧道變形測點布置見圖3。

圖3 清華園隧道豎向變形監測點布設平面

3.2 既有隧道變形規律分析

對12 號線大—薊區間下穿既有盾構隧道豎向歷時變形數據進行分析,既有隧道豎向變形歷時曲線見圖4。 根據12 號線下穿施工的控制措施,把既有盾構隧道的豎向變形歷時曲線劃分為“超前沉降、注漿抬升、下穿施工、變形穩定”4 個階段。

圖4 既有隧道豎向變形歷時曲線

第一階段:新建隧道掌子面距既有高鐵盾構隧道結構在2～3 倍洞徑時,既有隧道顯著沉降,該階段沉降最為明顯,占總沉降70%,但沉降量滿足控制標準,證明大管棚支護方式在該處效果明顯。

第二階段:當位于既有高鐵隧道下方開挖時,因對既有隧道采取支護措施,使得既有隧道的豎向沉降不明顯,故設置的支護措施可以有效的減少豎向沉降。

第三階段:整個斷面分步開挖,由于土體損失,造成地層產生較為顯著的沉降,導致既有隧道沉降量大、沉降速度快。

第四階段:土體后期固結穩定階段沉降為盾構通過監測斷面后的固結沉降,包括主固結和次固結沉降,主要由施工引起的土體擾動和各種殘余作用導致。

通過以上分析,既有結構的沉降變形主要由隧道開挖前及隧道開挖階段造成。 既有大直徑盾構隧道最終變形值滿足控制標準,充分說明穿越過程中采取的大管棚支護以及深孔注漿技術有一定效果。

既有大直徑盾構隧道縱向變形曲線見圖5。

圖5 既有盾構隧道沉降斷面

由圖5 可得到如下結論。

(1)新建雙線隧道的間距為1.6D(D為新建隧道跨度),隧道沉降曲線呈“V”形。 由于兩個新建隧道間距較小,盾構隧道未能很好呈現柔性變形。

(2)從圖5 可以看出,新建雙線隧道下穿既有隧道最終沉降曲線最大值為4.3 mm,受新建隧道先后施工影響,既有隧道的變形曲線未能呈現軸對稱。 先開挖隧道由于注漿等施工措施導致左線隧道的地質情況發生一定改變,使得左右開挖隧道所處土層剛度不同,進而導致既有隧道變形不對稱。

(3)既有隧道在新建左線隧道上方沉降有一定隆起,可能是右線隧道注漿加固時造成左線隧道上方地層剛度變大,隨后左線隧道注漿加固前未能發現到此問題,導致左線隧道上方的既有隧道產生一定隆起。

4 數值模擬及計算結果分析

在實測數據分析的基礎上,借助ABAQUS 有限元數值軟件,建立管片襯砌結構精細化數值模型,模擬大直徑盾構隧道管片、管片螺栓以及受力鋼筋等細部構造,對新建隧道下穿大直徑盾構隧道變形進行分析。

4.1 精細化模型建立

(1)新建隧道的各施工階段對既有隧道影響各不相同,在精細化模型的基礎上,建立新建隧道開挖全過程數值模型,分析掌子面距既有隧道不同位置處的既有隧道變形沉降規律,各施工步序對應掌子面與既有隧道距離見表1。 規定開挖面距離既有隧道前方為正,反之為負。 右線先進行開挖隨后左線進行開挖,開挖后進行初期支護,襯砌采用殼單元進行模擬。 開挖土體時將應力進行釋放30%,施作襯砌后將應力釋放70%。

表1 施工步驟與掌子面距新建隧道距離

(2)根據12 號線下穿清華園盾構隧道詳勘報告以及設計文件,綜合考慮地層、隧道等各自特點,建立精細化仿真數值模型。 考慮邊界效應,整個模型計算范圍為165 m×90 m×60 m。 計算模型見圖6,各結構位置關系見圖7。

圖6 計算模型

圖7 盾構與新建隧道位置關系

(3)結合既有隧道及新建隧道設計資料、混凝土結構設計以及相關規范,模型中相關材料的主要力學計算參數見表2、表3。

表2 地層參數

表3 結構參數

(4)如圖8 所示,將整條隧道盾構管片縱向劃分為5 個部分,用直螺栓進行連接。 為簡化計算,混凝土內置鋼筋使用Truss 單元進行模擬,通過將鋼筋嵌入到混凝土管片中模擬鋼筋與混凝土無黏結滑動情況下的鋼筋混凝土結構。 盾構管片環面上靠近內外壁位置通常會設置一定厚度的防水墊層,管片拼裝時,防水墊層受到擠壓會產生變形,后期遇水膨脹,其力學性能及受力狀態較為復雜;其變形對盾構隧道接頭止水具有顯著影響,但對盾構管片整體受力狀態影響較小且由于防水墊層與管片混凝土的剛度差異極大,根據防水墊層的實際剛度建模易導致計算不收斂問題。

圖8 多層級精細化數值仿真模型

相鄰管片之間的接觸關系采用在法向上設置硬接觸,管片之間可以傳遞壓力,并允許接觸后分離,切向上采用基于罰函數法的庫侖摩擦模型模擬,接觸面力學參數見表4。 因此,計算模型中將防水墊層省略。

表4 接觸面力學參數

4.2 算例驗證

為驗證模型的準確性,將基于精細化模型得到的結構變形與和實測數據進行對比驗證,2 種方法得到的隧道沉降曲線見圖9。

從圖9 可以看出,數值模擬與現場監測所得既有隧道沉降變形模式一致,最大沉降均位于新建2 條隧道連線中點正上方處,根據對比發現,模擬值均比實測值大,可能是模擬計算中存在兩環精細化管片,使得盾構隧道在中心位置處剛度大幅下降,造成豎向變形較實測數據偏大。 總體來說,模擬計算既有隧道的沉降數據與實測數據規律相同,可利用模擬計算的規律分析既有隧道變形受力情況。

圖9 實測數據與數值模擬所得既有隧道豎向變形曲線

4.3 計算結果分析

(1) 整體變形分析

新建隧道施工完成后豎向位移云圖見圖10,由圖10 可知,盾構管片豎向位移范圍是-6.6～-4.9 mm,且拱頂豎向位移大于拱底豎向位移,管片產生徑向收縮。除此之外,盾構管片的最大豎向位移均產生于每塊管片相接觸的位置,表明新建隧道施工時縱縫所在位置為薄弱位置,應加強監控量測,避免意外發生。

圖10 管片豎向位移云圖(單位:mm)

圖11 是既有隧道拱頂在不同施工階段的沉降曲線,由圖11 可知,新建隧道下穿大直徑盾構隧道時,掌子面距離既有隧道較遠時,開挖導致的地層擾動對既有隧道影響較小,此階段既有隧道沉降量占總沉降量的9%左右;當新建隧道開挖至既有大直徑盾構隧道下方時,既有大直徑盾構隧道沉降量明顯增加,此階段沉降量占總沉降量的86%左右;當新建隧道開挖至既有大直徑盾構隧道后方時,此時沉降增加量大幅度減少,但由于地層依舊未達到平衡狀態,故導致既有隧道沉降依舊有所增加。

圖11 不同施工階段大直徑盾構隧道沉降曲線

綜上,新建隧道下穿既有大直徑盾構隧道時,應加強對接頭部位的監控量測。 除此之外,新建隧道在既有隧道正下方穿越時應采取一定措施控制既有隧道變形,以保證其安全。

(2)接頭變形分析

盾構隧道管片為錯縫拼裝,每一環的所處位置各不相同,各個管片的受力會因為錯縫拼裝而不同,本次模擬新建隧道下穿既有盾構隧道,根據以往經驗,新建隧道正上方位置的管片會因為下穿施工而導致受力變形發生較大變化,故選取新建隧道正上方一環管片,分析其環向接頭的變形情況。 接頭變形云圖見圖12(放大系數取600)。

圖12 管片環向變形云圖

由圖12 可知,新建隧道下穿既有大直徑盾構隧道時,既有盾構隧道結構發生變化,管片拱頂向管片環內側變形,管片環的兩腰向外側移動,盾構隧道管片拱頂及拱底縱縫位置處有向環內張開趨勢,兩側管片縱縫處有向外張開的趨勢,全環縱縫處均有一定張開角,最大張開角發生在拱腰接縫處。 除此之外,管片接縫處變形較接縫處兩側變形大,但由于螺栓的連接作用,盾構隧道管片環變形也表現出較強的連續性。

5 結論

通過建立新建隧道下穿大直徑盾構隧道精細化數值模型(考慮螺栓接頭),分析下穿過程中的既有結構沉降以及接頭變形變化規律,并結合實測數據對其進行驗證,得出如下結論。

(1)暗挖隧道下穿既有大直徑盾構隧道時,當兩線的間距為1.6D時,既有結構的沉降模式為“V”形。既有結構最大沉降為4.32 mm。 最終變形值滿足控制標準。

(2)在設立縱向與環向螺栓的位置處沉降出現明顯增大,說明接頭會使盾構隧道剛度降低,故在新建隧道實際下穿盾構隧道施工過程中,應加強對接頭部分的監控量測,以保證施工安全。

(3)新建隧道下穿大直徑盾構隧道時,管片拱頂向管片環內側變形,管片環的兩腰向外側移動,盾構隧道管片拱頂及拱底縱縫位置處有向環內張開趨勢,需引起重視。