北京地區砂卵石地層新建地鐵隧道小角度下穿施工時既有地鐵隧道的變形規律及控制措施

劉 博

(天津鐵道職業技術學院,300240,天津∥講師)

新建隧道小角度近距離下穿既有隧道的施工,極易引發既有隧道變形及開裂等,需要有效控制下穿施工對既有隧道的影響。

國內外學者對隧道下穿施工進行了大量研究。文獻[1-7]研究發現,地層類型對結構沉降有較大影響。北京地區砂卵石地層分布較廣[8],然而對隧道在砂卵石地層下穿既有隧道施工的變形及控制的研究卻相對較少。為了研究砂卵石地層中新建隧道小角度下穿既有隧道施工的變形規律及不同控制措施的控制效果,本文依托北京某地鐵區間隧道小角度、近距離下穿既有地鐵區間隧道項目(以下簡稱“下穿項目”),基于現場監測數據對既有隧道的變形進行分析,采用數值分析的方法建立曲線隧道小角度下穿三維數值模型,研究下穿疊交夾角對既有隧道變形的影響,并對比分析不同控制措施的控制效果,為實際施工提供參考。

1 工程概況

下穿項目的隧道位置關系如圖1所示。既有隧道采用盾構法施工,管片內徑為5.4 m,厚度為0.3 m,左、右線間距約為14.5 m,所在地層為黏土層。新建隧道采用盾構法施工,隧道外徑為6.4 m,管片厚度為0.3 m,左右線間距約為18.0 m,覆土厚度約為23.7 m。

圖1 下穿項目的隧道位置關系圖

2018年5月17日,新建隧道即將下穿既有隧道,開始監測既有隧道變形;5月21日開始下穿右線隧道;5月26日開始下穿左線隧道;6月11日,新建隧道已經完全穿過既有隧道,且既有隧道變形不再變化,停止監測。在下穿項目中,新建隧道與既有隧道的平面交角約為47°,垂直凈距約為4.0 m。新建隧道下穿段主要位于砂卵石地層。在穿越范圍采用同步注漿和深孔注漿相結合的方法對土體進行加固。

2 變形規律

2.1 建立數值模型

根據地層結構,通過MIDAS GTS軟件建立下穿項目的數值模型,如圖2所示。在模型中,地層及注漿區采用實體單元模擬,隧道管片采用二維板單元模擬。地層參數根據地質勘探資料確定。模型的相關材料參數及本構模型見表1。

表1 模型的相關材料參數、單元類型及本構模型

圖2 下穿項目的數值模型

數值模型上表面為自由邊界,4個側面為法向約束,地面為固定約束。數值模型尺寸為180 m×140 m×50 m,采用混合網格劃分,共劃分了46 266個網格,20 486個節點。數值模型中,新建隧道與既有隧道的直徑均為6.0 m,既有隧道的埋深為13.4 m。由于現場實際水位較低,水壓較小,對變形的影響不大,故模擬計算未考慮地下水的影響。

2.2 數值模型的模擬計算結果

經過數值模型的模擬計算,得到新建隧道斜向下穿通過后新建隧道與既有隧道的豎向位移云圖,如圖3所示。由圖3可以看出,新建隧道的拱頂發生沉降,拱底發生隆起;既有隧道整體沉降,且最大沉降發生在疊交區域正上方,疊交區域兩側的土體變形相對較小。

圖3 既有隧道豎向位移云圖

2.3 實測數據分析

圖4為下穿項目的測點布置平面圖。根據近密遠疏的原則,既有隧道結構豎向位移監測斷面自穿越集中部位中心向兩側布置,每個監測斷面設置1個測點。豎向位移測點采用普通沉降測量標志,位于區間隧道管片螺栓上。測點布設不對管片造成損傷。隧道結構豎向位移采用精密水準儀監測:施工前獲取3次以上初值;盾構穿越施工期間,監測頻率不少于4次/周。

圖5為既有隧道結構的豎向位移監測值變化曲線。

a) 右線

由圖5可知:5月21日,新建隧道開始下穿既有隧道的右線,穿越段上方既有隧道出現少量沉降,兩側位置略有隆起,豎向位移值約為0.5 mm,此時左線隧道還未被下穿,以隆起為主,豎向位移值約為0.6 mm;5月26日,新建隧道下穿既有隧道左線,此時左線隧道開始出現沉降,右線隧道出現較大變形,約為0.5 mm;之后隨著新建隧道的繼續推進,左右線隧道沉降均持續增大;6月10日時,沉降基本達到最大值,右線隧道最大豎向位移值為-2.0 mm,左線隧道最大豎向位移值為-1.5 mm。最大沉降主要集中在穿越段上方位置,而下穿區兩側的既有隧道變形很小。這說明下穿施工對正上方結構影響較大,距離下穿區越遠,結構所受影響越小。

2.4 實測結果與模擬結果對比

為了更直觀地進行對比,繪制既有隧道豎向位移的實測值變化曲線與模擬值曲線,如圖6所示。

a) 左線

由圖6可以看出:既有隧道左右線的豎向位移分布規律基本一致,均呈現出新建隧道正上方沉降大,兩側沉降小的槽狀分布。既有隧道右線的最大豎向位移模擬值為-1.7 mm,最大豎向位移實測值為-1.9 mm;既有隧道左線最大豎向位移模擬值為-1.5 mm,最大豎向位移實測值為-1.7 mm。由此可見,模擬值與實測值非常接近,說明數值模型的計算準確性很高。本文將利用數值模型進一步分析隧道疊交角度的影響,以及各變形控制措施的效果。

3 疊交夾角的影響

為了研究新建隧道斜向下穿時,新建隧道與既有隧道的疊交夾角α對既有隧道結構沉降的影響,本文按不同α設置了4種疊交工況,模擬得到下穿施工完成后隧道的豎向位移云圖及沉降槽曲線,如圖7及圖8所示。

a) α=30°

a) 右線

4種工況下既有隧道的最大豎向位移模擬值分別為-2.9、-2.4、-2.1、-1.7 mm。進一步分析可知,α越小,隧道間疊交面積越大,上部隧道沉降槽底部越寬,豎向位移值也越大。

此外,圖7的4個斜穿工況中,既有隧道結構的沉降槽向新建隧道偏角方向偏移。這是由于α變小后,新建隧道與既有隧道的距離減小,從而加劇了新建隧道施工對既有隧道的擾動影響。

4 變形控制措施

4.1 建立數值模型

由上述分析可知,新建隧道小角度斜交下穿施工時,既有隧道結構變形更加顯著,極易影響既有線的運營安全。在此情況下,采用傳統的深孔注漿措施難以有效控制既有隧道的結構變形,通常采取管棚加固、注漿抬升和水平旋噴樁加固等變形控制措施[9]。對此,本文通過數值模型進行模擬,進而分析α=47°時不同變形控制措施的效果。

不同變形控制措施的數值模型及說明見表2。

表2 不同變形控制措施的數值模型及說明

4.2 變形控制措施的效果

經過數值模型的計算,得到下穿項目采取不同變形控制措施時的既有隧道最大豎向位移曲線,如圖9所示。

a) 右線

由計算結果可知,采用注漿抬升措施時,既有隧道最大豎向位移僅為-0.35 mm,該措施效果明顯最優。經分析,砂卵石地層滲透系數大、孔隙率高,故注漿漿液容易進入孔隙中,注漿壓力易于在孔隙中傳遞;注漿抬升注漿壓力大,且需持續保壓注漿,可以使沉降的地層抬起,而其他方法僅起到了限制沉降作用,故注漿抬升法效果最好。管棚加固措施的效果次之,相應的既有隧道最大豎向位移為-1.12 mm。這是由于管棚本身具有一定的支撐能力。深孔注漿措施及水平旋噴樁措施的變形控制效果最差,既有隧道的最大豎向位移為-1.50 mm。這是由于兩種措施的注漿效果差,且未持續保壓注漿,漿液易散失。

根據模擬計算結果,在北京地區砂卵石地層隧道下穿施工時,建議采用注漿抬升措施來加固地層進而有效控制隧道掘進對上部既有隧道變形的影響。

5 結論

1) 下穿區正上方既有隧道變形較大,下穿區兩側既有隧道變形很小,說明下穿施工對正上方結構影響較大,距離下穿區越遠,結構受影響越小。

2) 數值分析及監測結果得到的既有隧道變形規律及豎向位移值基本吻合,驗證了模型的準確性。

3) 疊交角度越小,隧道間疊交面積增大,上部隧道沉降槽底部越寬,且豎向位移值也越大。

4) 對比分析4種變形控制措施的沉降控制效果,發現注漿抬升效果最優。在北京地區砂卵石地層隧道下穿施工時,建議采用注漿抬升技術加固地層。