新建城際鐵路盾構(gòu)小凈距下穿既有地鐵隧道沉降控制研究*

葛佳佳 董衛(wèi)國(guó) 江蘇洋 李海波 張會(huì)堅(jiān)

(1.浙江杭海城際鐵路有限公司,314400,海寧; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,210024,南京;3.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司,215131,蘇州∥第一作者,高級(jí)工程師)

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的迅速發(fā)展,不可避免地會(huì)出現(xiàn)新建線路隧道下穿既有線路隧道的情況[1-2]。新建線路盾構(gòu)近距離下穿既有線隧道時(shí),不僅會(huì)引起地層沉降和變形,還會(huì)引起既有線隧道的不均勻沉降、開裂,甚至破壞[3-5],給既有線的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。因此,有必要針對(duì)新建線路盾構(gòu)穿越既有線隧道工程開展沉降控制措施研究,以減小施工風(fēng)險(xiǎn),確保既有線的安全運(yùn)營(yíng)。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)這類工程所采用的研究方法主要有數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)[8]通過(guò)建立三維數(shù)值模型并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,研究了盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降,以及新建線路隧道施工影響既有線隧道的規(guī)律;文獻(xiàn)[9]以某新建地鐵2號(hào)線雙線盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵1號(hào)線隧道為例,運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)土體注漿和未注漿情況下盾構(gòu)施工進(jìn)行模擬,得出土體注漿情況下既有線隧道結(jié)構(gòu)的變形明顯減小;文獻(xiàn)[10]采用三維有限元方法,研究了交叉隧道施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)與其鄰近不同位置建筑物之間的相互影響規(guī)律。在模型試驗(yàn)方面,文獻(xiàn)[2]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了新建線路盾構(gòu)隧道在不同圍巖條件、凈距和頂推力作用的情況下,正交下穿既有線隧道引起既有線隧道結(jié)構(gòu)變形及附加應(yīng)力變化規(guī)律;文獻(xiàn)[11]采用離心模擬試驗(yàn),揭示了新建線路盾構(gòu)隧道多次近距離穿越既有線隧道施工引起既有線隧道結(jié)構(gòu)變形及其受力變化機(jī)理。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面,文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)上海軌道交通7號(hào)線下穿2號(hào)線施工期間既有線隧道結(jié)構(gòu)變形情況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,得出對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)的橫向、縱向影響范圍分別為4d(d為新建線路盾構(gòu)隧道外徑)、3d～5d的結(jié)論;文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)新建線路盾構(gòu)隧道近距離下穿杭州地鐵1號(hào)線隧道施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究了盾構(gòu)機(jī)與既有線隧道相對(duì)位置關(guān)系不同時(shí),既有線隧道的隆沉、水平位移及收斂位移的變化規(guī)律。

上述文獻(xiàn)的研究主要針對(duì)新建線路盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析,而針對(duì)富水粉細(xì)砂條件下新建線路盾構(gòu)隧道小凈距下穿既有線隧道的研究鮮有。本文以上述研究為基礎(chǔ),結(jié)合杭海(杭州至海寧)城際鐵路余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“余許區(qū)間”)隧道工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,研究其小凈距下穿杭州地鐵1號(hào)線時(shí)1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律及施工控制措施。

1 工程概況及風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 工程概況

新建杭海城際鐵路余許區(qū)間隧道盾構(gòu)段左線長(zhǎng)度為3 126.220 m,右線長(zhǎng)度為3 126.555 m;采用土壓平衡式盾構(gòu),刀盤直徑為6.92 m,管片外徑為6.70 m、內(nèi)徑為6.00 m,隧道凈距約為9.9 m。既有杭州地鐵1號(hào)線隧道管片外徑為6.20 m、內(nèi)徑為5.50 m,隧道凈距約為8.75 m。兩線穿越處平面交角約為60°,最小豎向凈距為3.2 m;穿越處新建線路盾構(gòu)隧道覆土厚度為18 m,新建線路盾構(gòu)隧道左線先于右線實(shí)施。兩線平面位置如圖1所示。結(jié)合杭州地鐵1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估,要求新建線路盾構(gòu)隧道下穿1號(hào)線隧道過(guò)程中,1號(hào)線隧道豎向位移控制值為15 mm,地面沉降控制值為20 mm。

圖1 杭海城際鐵路余許區(qū)間隧道下穿杭州地鐵1號(hào)線隧道平面圖

兩線穿越區(qū)域主要土層為粉砂層,穿越區(qū)域剖面圖如圖2所示。各土層物理參數(shù)如表1所示。穿越范圍內(nèi)地下水位埋深為0.1～3.0 m,動(dòng)態(tài)變幅一般為1.0～1.5 m,承壓水水位為地面下6.5 m左右。

表1 兩線穿越區(qū)域土層基本物理參數(shù)表

圖2 兩線穿越區(qū)域剖面圖

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

杭海城際鐵路余許區(qū)間盾構(gòu)隧道小凈距下穿杭州地鐵1號(hào)線隧道,盾構(gòu)施工對(duì)1號(hào)線隧道的擾動(dòng)不可避免,容易引起地層沉降和1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)變形。若地層沉降過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致軌道豎向變形,在列車荷載的反復(fù)作用下甚至可能會(huì)引發(fā)列車脫軌等嚴(yán)重事故。而且穿越區(qū)域的富水粉砂層自穩(wěn)能力差,容易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象,可能會(huì)造成開挖面前方土體坍塌,導(dǎo)致杭州地鐵1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲水。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型建立

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,根據(jù)實(shí)際工況建立計(jì)算模型,模型尺寸為100.0 m(長(zhǎng))×62.5 m(寬)×47.0 m(高),如圖3所示。新建隧道縱軸平行于坐標(biāo)軸y軸,既有隧道縱軸與坐標(biāo)軸x軸形成30°平面交角。計(jì)算模型采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則及相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則,用實(shí)體單元模擬土體,用shell殼結(jié)構(gòu)單元模擬隧道管片。將模型側(cè)面和底面設(shè)為位移邊界,側(cè)面限制水平位移,底面限制水平位移和垂直位移,將模型上表面設(shè)為自由邊界。

a) 模型正視圖

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程

由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤會(huì)對(duì)周圍地層造成擾動(dòng),導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降,而且具體的擾動(dòng)范圍及強(qiáng)度下降程度較難確定,本次計(jì)算時(shí)將擾動(dòng)范圍設(shè)置為0.5d,即3.46 m。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),假定隧道頂部3.46 m范圍內(nèi)的地層彈性模量減少25%,以模擬盾構(gòu)掘進(jìn)造成的擾動(dòng)。數(shù)值模擬計(jì)算中的盾殼及管片參數(shù)取值如表2所示。為模擬漿液時(shí)變性對(duì)地層沉降的影響,將漿液彈性模量的時(shí)變性過(guò)程分為初期、早期、中期和中后期4個(gè)階段,各階段彈性模量取值如表3所示。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算中的盾殼及管片參數(shù)取值

表3 不同階段漿液彈性模量時(shí)變性參數(shù)

在實(shí)際工程中,注漿壓力會(huì)在3 h[14]左右消散至與周圍地層土水壓力一致。在該工程中,盾構(gòu)下穿既有線隧道時(shí),掘進(jìn)速度設(shè)置為2.5～3.0 cm/min,而管片一環(huán)長(zhǎng)度為1.5 m,盾構(gòu)通過(guò)一環(huán)管片的時(shí)間在1 h左右,再考慮到管片拼裝時(shí)間,因此假定注漿壓力在掘進(jìn)兩環(huán)后完全消散。根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)取值及施工過(guò)程設(shè)定,模擬數(shù)值計(jì)算過(guò)程示意圖如圖4所示。

圖4 兩線穿越工程模擬數(shù)值計(jì)算過(guò)程示意圖

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

為研究盾構(gòu)下穿既有線隧道對(duì)地層沉降的影響規(guī)律,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況(見圖5),對(duì)計(jì)算模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理布設(shè):監(jiān)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中左右兩條新建隧道軸線上的地面沉降,左線取監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZD1、ZD3和ZD5(ZD1對(duì)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)剛開始下穿左線第一條隧道時(shí)的位置,ZD3對(duì)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)下穿至左線第二條隧道時(shí)的位置,ZD5為盾構(gòu)機(jī)左線穿越完成時(shí)的位置),右線取監(jiān)測(cè)點(diǎn)YD2、YD4和YD6(YD1對(duì)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)剛開始下穿右線第一條隧道時(shí)的位置,ZD3對(duì)應(yīng)盾構(gòu)機(jī)下穿至右線第二條隧道時(shí)的位置,ZD5為盾構(gòu)機(jī)右線穿越完成時(shí)的位置)。同時(shí),對(duì)既有線隧道的拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),在既有線隧道拱頂沿隧道橫向方向(x方向)每隔5 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖6所示。

圖5 兩線穿越工程現(xiàn)場(chǎng)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖6 兩線穿越工程計(jì)算模型測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 地面沉降計(jì)算結(jié)果分析

地面沉降計(jì)算結(jié)果如圖7—圖8所示。由圖7—圖8可見:當(dāng)盾構(gòu)開挖面未到達(dá)起始穿越點(diǎn)(ZD1、YD2)時(shí),既有線隧道上方的地面已經(jīng)開始表現(xiàn)出少量沉降,但是沉降變化相對(duì)平緩;當(dāng)盾構(gòu)開挖面到達(dá)起始穿越點(diǎn)(ZD1、YD2)并開始下穿后,地面沉降顯著增加;監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZD3、ZD5、YD4、YD6的沉降曲線也表現(xiàn)出類似的規(guī)律,盾構(gòu)開挖面到達(dá)起始穿越點(diǎn)前的地面沉降在0～2 mm之間,盾構(gòu)開挖面到達(dá)起始穿越點(diǎn)后的地面最大沉降為5.8 mm。這表明:盾構(gòu)施工存在少量的前期擾動(dòng),盾構(gòu)開挖面到達(dá)起始穿越點(diǎn)后引起的地面沉降加大,最終的地面沉降在控制值范圍內(nèi)。

圖7 新建線路左線隧道下穿施工時(shí)地面沉降曲線

圖8 新建線路右線隧道下穿施工時(shí)地面沉降曲線

2.4.2 既有線隧道拱頂沉降計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)下穿過(guò)程對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)變形的影響,以盾構(gòu)開挖面為基準(zhǔn),根據(jù)盾構(gòu)開挖面與既有線隧道之間的軸向距離(y方向),把下穿過(guò)程劃分為8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①1號(hào)線左線前2d位置處;②1號(hào)線左線前1d位置處;③下穿1號(hào)線左線(此時(shí)開挖面位于1號(hào)線左線軸線處);④下穿1號(hào)線左右線中部;⑤下穿1號(hào)線右線;⑥下穿1號(hào)線右線后1d位置處;⑦下穿1號(hào)線右線后2d位置處;⑧開挖結(jié)束。既有線隧道拱頂沉降計(jì)算結(jié)果如圖9—圖10所示。

a) 既有線左線隧道拱頂

a) 既有線左線隧道拱頂

從圖9—圖10可見:當(dāng)新建線左線隧道下穿時(shí),既有線隧道的最大沉降點(diǎn)位于新建線左線隧道軸線處;新建線右線隧道下穿時(shí),最大沉降點(diǎn)向新建線左右兩線中點(diǎn)處偏移;新建線左右兩線隧道下穿過(guò)程中,在關(guān)鍵點(diǎn)④至關(guān)鍵點(diǎn)⑤以及關(guān)鍵點(diǎn)⑦至關(guān)鍵點(diǎn)⑧,既有線隧道拱頂沉降迅速增加。同時(shí),既有線左右兩線隧道拱頂沉降最大值約為10.5 mm,拱頂最大沉降約是地面最大沉降的1.81倍。

由以上計(jì)算結(jié)果可知,地面沉降及既有線隧道拱頂沉降均在允許范圍之內(nèi)。考慮模擬數(shù)值計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化,不可避免地與工程實(shí)際存在差異,為確保工程安全,需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段掘進(jìn)情況對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)穿越過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較大的兩個(gè)時(shí)段采取控制措施。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工措施

3.1 試驗(yàn)段施工措施

選擇地層、埋深與穿越段相似的區(qū)域作為模擬試驗(yàn)段,使試驗(yàn)段土層環(huán)境與穿越段有很好的相似性。試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定及沉降控制措施如下:

試掘進(jìn)過(guò)程中,總土壓力取值為盾構(gòu)中心處1.1～1.2倍的主動(dòng)土壓力值,設(shè)定為240～250 kPa;為控制盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng),總推力設(shè)定為25 000～30 000 kN;每環(huán)出土量控制在57～63 m3,并根據(jù)土壓力控制需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整;盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在2.5～3.0 cm/min,并保持穩(wěn)定連續(xù);同步注漿采用水泥砂漿(消石灰80 kg、粉煤灰350 kg、細(xì)砂1 050 kg、膨潤(rùn)土80 kg、水350 kg、水泥50 kg),注漿量保證為盾尾空隙體積的140%以上,控制在每環(huán)5.0～5.5 m3,注漿壓力設(shè)定為0.3 MPa以內(nèi);為有效防止渣土噴涌以及促進(jìn)渣土流動(dòng)性,使用泡沫劑和膨潤(rùn)土溶液進(jìn)行渣土改良,其中泡沫劑發(fā)泡倍率為10%～15%,膨潤(rùn)土泥漿按膨水比1∶4～1∶6進(jìn)行配比。

對(duì)試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)完成后的情況分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)段左線地面最大沉降為8.9 mm,右線地面最大沉降為13.4 mm,滿足地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。但根據(jù)模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果,新建線盾構(gòu)隧道施工引起的既有線隧道沉降約為地面沉降的1.81倍,因此如按試驗(yàn)段進(jìn)行參數(shù)控制,則可能引起既有線隧道沉降達(dá)24.3 mm,超過(guò)既有線的位移控制值。

3.2 施工措施優(yōu)化

為進(jìn)一步減小盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有線隧道的影響,在盾構(gòu)正式下穿既有線隧道施工時(shí),基于試驗(yàn)段實(shí)施情況對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1) 土壓力調(diào)整。試驗(yàn)段土壓力基本保持為240～250 kPa。穿越過(guò)程中為減少既有線隧道沉降,適當(dāng)增加土壓力,使得掘進(jìn)時(shí)開挖面略微隆起,抵消盾構(gòu)穿越過(guò)程中的部分下沉量。新建左線盾構(gòu)下穿過(guò)程中土壓力保持在260 kPa左右,新建右線盾構(gòu)下穿過(guò)程中土壓力調(diào)整至260～270 kPa。

2) 同步注漿調(diào)整。根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果,新建線盾構(gòu)穿越既有線隧道施工過(guò)程中引起沉降較大的時(shí)段為:新建盾構(gòu)刀盤從既有線左右線隧道中部下方穿越至既有線右線隧道下方,新建線盾構(gòu)刀盤離開既有線右線隧道后2d位置處至施工結(jié)束。前一時(shí)段主要由同步注漿壓力控制,后一時(shí)段主要由同步注漿量及材料性能控制。因此,盾構(gòu)下穿期間將每環(huán)注漿量增加至5.7 m3,同時(shí)將注漿壓力調(diào)整至0.3～0.4 MPa。

3) 渣土改良調(diào)整。試驗(yàn)段掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了輕微螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象。為解決該問(wèn)題,在穿越段施工時(shí)添加速凝劑進(jìn)行渣土改良。速凝劑為膨潤(rùn)土溶液和高分子溶液混合配置,注入量為10%～20%。

4) 施工控制措施調(diào)整。①為確保注漿效果,穿越施工時(shí)開展二次補(bǔ)漿,每掘進(jìn)2環(huán)進(jìn)行一次補(bǔ)漿,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,配比為水∶水泥∶水玻璃=0.5∶1∶1,漿液凝固時(shí)間控制在20 s。②從盾構(gòu)內(nèi)部向盾殼與周圍土層間注入克泥效漿液。克泥效槳液為A、B液混合制成。A液為特殊膨潤(rùn)土液,質(zhì)量配比為膨潤(rùn)土∶水=400∶825;B液為水玻璃和水的混合液,體積配比為水玻璃∶水=1∶1,克泥效槳液體積配比為A液∶B液=12.5∶1,掘進(jìn)每環(huán)的注入量控制在0.3～0.5 m3。③為保證沉降控制效果,加強(qiáng)對(duì)計(jì)算中沉降較大時(shí)段的監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)值對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

盾構(gòu)施工完成后,新建線路地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11—圖12所示。由圖11—圖12可知:盾構(gòu)施工完成后,新建線路左線地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降為6.3 mm,新建線路右線地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)YD4、YD6處最終沉降均為8.0 mm,滿足地面沉降要求。

圖11 新建線路左線地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖12 新建線路右線地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)施工完成后,既有線左線隧道拱頂最大沉降為13.8 mm,既有線右線隧道拱頂最大沉降為11.3 mm,既有線隧道最大沉降約為地面最大沉降的1.73倍,與模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近。

5 結(jié)論

1) 新建線路盾構(gòu)穿越既有線隧道,引起既有線隧道最大沉降約為地面最大沉降值的1.81倍。

2) 新建線路盾構(gòu)下穿既有線隧道施工過(guò)程中引起沉降較大的時(shí)段為:新建盾構(gòu)刀盤從既有線左右線隧道中部下方穿越至既有線右線隧道下方,新建線路盾構(gòu)刀盤離開既有線右線隧道后2d位置處至施工結(jié)束。

3) 盾尾空隙是引起地層沉降的主要因素,盾構(gòu)下穿過(guò)程中將注漿量提升至5.7 m3,將注漿壓力調(diào)整至0.3～0.4 MPa,可提供較好的沉降控制效果;每掘進(jìn)2環(huán)進(jìn)行一次二次注漿,并且對(duì)沉降較大區(qū)域每環(huán)注入0.3～0.5 m3克泥效漿液,可減少掘進(jìn)后的后續(xù)沉降影響。

4) 盾構(gòu)下穿期間,設(shè)置較高的盾構(gòu)土壓力,新建左線盾構(gòu)下穿過(guò)程中土壓力保持在260 kPa左右,新建右線盾構(gòu)下穿過(guò)程中土壓力調(diào)整至260～270 kPa;同時(shí),控制排土量在57～63 m3范圍內(nèi),盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在2.5～3.0 cm/min,可提高沉降控制效果。