重疊隧道施工對鄰近運營中重疊隧道的影響分析

辛亞輝

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司,650200,昆明//工程師)

重疊隧道施工對鄰近運營中重疊隧道的影響分析

辛亞輝

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司,650200,昆明//工程師)

四條隧道平行重疊近接施工的影響越來越明顯,需對其進行分析。結合昆明地鐵2號線上下重疊盾構隧道區間穿越既有1號線上下交錯重疊隧道區段工程實例,根據平面和剖面位置關系,判定外部作業影響等級,提出變形控制標準及相應的工程措施。通過有限元ANSYS數值模擬分析,計算出重疊隧道盾構施工影響鄰近運營重疊隧道的位移及內力大小分布,以判斷重疊隧道盾構施工是否影響運營隧道的安全性。數值模擬結果表明,2號線重疊隧道盾構施工對1號線運營重疊隧道的影響是可控的。將數值模擬計算結果與監測數據進行對比,兩者結果基本一致,表明所提工程措施是可行的,可保證運營隧道的安全,其對類似工程有借鑒作用。

重疊隧道; 盾構施工; 影響分析; 數值模擬

Author′s address China Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co.,Ltd.,650200,Kunming,China

隨著城市軌道交通的發展和線網細化連接,軌道交通網絡眾多節點的工程建設中不可避免地會出現2條隧道上下重疊、4條隧道平行重疊以及交叉穿越等較為復雜的施工情況,當4個隧道的距離越來越小,平行重疊隧道近接施工的影響越來越明顯,因此,需研究分析4條隧道平行重疊中后建重疊隧道施工對已運營重疊隧道的影響程度。施工中對既有運營隧道的影響和自身近接施工的相互影響問題,日本將其定義為近接施工影響問題[1],近接施工問題一直以來都是地下工程關注的熱點。

昆明地鐵2號線出現左右線上下完全重疊隧道,且該重疊隧道要穿越已運營的1號線上下交錯重疊隧道區段,需評估2號線重疊隧道施工對已運營的1號線重疊隧道的影響,并把相互影響減小到最低限度。

1 工程概況

昆明地鐵2號線昆明火車站站—環城南路站(以下簡為“昆-環”)區間為左線上方、右線下方的地下重疊盾構區間,其左、右線分別長449.260 m和448.960 m,最大坡度為9.282‰,最小坡度為2.00‰,覆土厚度為8.04～17.72 m,主要穿越圓礫、粉土粉砂及黏土層。設計管片采用通用型管片,錯縫拼裝。管片設計參數為:C50混凝土,內徑5.5 m,外徑6.2 m,厚度0.35 m。

昆明地鐵1號線環城南路站—昆明火車站站(以下簡為“環-昆”)區間已于2014年4月30日試運營,其在北京路上局部變為上下行交錯重疊隧道。重疊段長723.796 m。重疊段保護區范圍內存在即將掘進的2號線昆-環區間重疊隧道。

2號線昆-環盾構區間里程右ⅡDK13+084.940～右ⅡDK13+534.200為上下重疊隧道,1號線環-昆運營隧道右ⅡDK13+065.900～右ⅡDK13+789.696為上下重疊隧道,2號線昆-環重疊盾構區間與1號線環-昆運營重疊隧道在北京路上平行相距6.3～10.8 m,平行長度為366 m,最近水平距離為6.3 m,如圖1所示。其F-F剖面位置關系如圖2所示。

圖1 2號線昆-環盾構隧道與1號線環-昆運營隧道平面位置關系

圖2 2號線昆-環盾構隧道與1號線環-昆運營隧道F-F剖面位置關系

2 外部作業影響等級和變形控制標準及相應工程措施

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[5],2號線昆-環區間在控制保護區(隧道周邊50 m)內。1號線環-昆運營隧道采用盾構施工,盾構外徑(D)為6.2 m。2號線昆-環區間與1號線環-昆區間相對凈距大于1D(6.2 m),小于2D(12.4 m),接近程度為接近;2號線昆-環隧道基底埋深(h)為21.68 m,1號線環-昆區間在2號線昆-環隧道外側0.7h(15.2 m)范圍內,工程影響分區為強烈影響區(A),因此2號線昆-環盾構隧道施工對1號線環-昆運營隧道的影響等級為特級,應對其影響的城市軌道交通結構進行監測。

結合昆明地區類似工程經驗,總結運營線路結構安全控制指標值如表1所示。1號線環-昆運營隧道從鋪軌至2014年11月30日,左、右線道床最大累計沉降為0.58 mm和0.51 mm,現階段道床及結構的變形均在規范允許的范圍內,且有較大的富余量。

表1 運營線路結構安全控制指標值

2號線昆-環重疊隧道施工遵循先下后上的原則,為確保上方盾構機順利通過重疊段及確保下方隧道安全穩定,在重疊隧道范圍內采用增設注漿孔管片的方式。下方盾構機先行通過重疊段,并及時采用洞內注漿對重疊隧道夾層土體進行加固,經加固后的土體達到0.8 MPa,提高了土體的承載力和整體性,為上方盾構機提供支撐。上方盾構機通過時再次以洞內注漿的方式對重疊隧道夾層土體進行加固,控制重疊近接隧道長期運營引起的隧道變形和沉降。洞內加固注漿范圍為下方隧道拱頂180°范圍,上方隧道底部120°、徑向3 m的扇形區域,如圖3所示。

3 數值模擬計算結果

采用有限元ANSYS軟件,分析土體的位移場和隧道管片內力分布情況,研究2號線昆-環重疊隧道盾構施工對地鐵1號線環-昆運營重疊隧道的影響。本次模擬計算選取最不利F-F剖面(86.200 m×50.825 m),計算區域側面邊界水平位移被約束;底面沿豎直方向位移被約束;土體采用4節點PLANE42實體單元;盾構隧道管片采用BEAM3梁單元。有限元網格模型如圖4所示。

圖3 2號線昆-環重疊隧道注漿加固范圍

圖4 有限元網格模型

3.1 隧道管片位移計算結果

第三步2號線昆-環右線隧道開挖后,引起1號線環-昆左線運營隧道拱底豎向附加位移為0.998 mm,拱頂豎向附加位移為1.28 mm,左線軌道兩端豎向附加位移為1.14 mm和0.96 mm,運營右線隧道拱底豎向附加位移為1.25 mm,拱頂豎向附加位移為1.4 mm,右線軌道兩端豎向附加位移為1.47 mm和1.04 mm (見圖5);引起1號線環-昆左線隧道的最大、最小水平附加位移為1.78 mm和1.43 mm,右線隧道的最大、最小水平附加位移為2.07 mm和1.09 mm (見圖6);2號線昆-環右線隧道最大豎向位移為9.72 mm。

從位移結果可知,第三步2號線昆-環右線隧道開挖后,引起1號線環-昆左線隧道最大豎向附加位移收斂值為0.282 mm,右線隧道最大豎向附加位移收斂值為0.15 mm;左線隧道最大水平附加位移收斂值為0.35 mm,右線隧道最大水平附加位移收斂值為0.98 mm。因此,運營左線和右線隧道的最大總附加位移分別為2.12 mm和2.53 mm,小于城市軌道交通結構安全控制值10 mm;運營左線和右線軌道兩端豎向附加位移高差分別為0.18 mm和0.43 mm,滿足城市軌道交通結構安全軌道高差控制值4 mm。

圖5 第三步2號線昆-環右線隧道開挖后引起管片的Y方向附加豎向位移

圖6 第三步2號線昆-環右線隧道開挖后引起管片的X方向附加水平位移

第五步2號線昆-環左線隧道開挖后,引起1號線環-昆左線隧道拱底豎向附加位移為2.19 mm,拱頂豎向附加位移為2.96 mm,左線軌道兩端豎向附加位移為2.96 mm和1.88 mm,右線隧道拱底豎向附加位移為3.32 mm,拱頂豎向附加位移為4.24 mm,右線軌道兩端豎向附加位移為3.32 mm和4.24 mm (見圖7);引起1號線環-昆左線隧道的最大、最小水平附加位移為2.28 mm和0.93 mm,右線隧道的最大、最小水平附加位移為2.07 mm和-0.83 mm (見圖8);2號線昆-環右線、左線隧道最大豎向位移分別為6.94 mm和11.73 mm。

圖7 第五步2號線昆-環左線隧道開挖后引起管片的Y方向附加豎向位移

圖8 第五步2號線昆-環左線隧道開挖后引起管片的X方向附加水平位移

從位移結果可知,第五步2號線昆-環左線隧道開挖后引起1號線環-昆左線隧道最大豎向附加位移收斂值為0.77 mm,右線隧道最大豎向附加位移收斂值為0.92 mm;左線隧道最大水平附加位移收斂值為1.35 mm,右線隧道最大水平附加位移收斂值為2.9 mm。引起附加總位移云圖如圖9所示。因此,1號線環-昆左線、右線隧道的最大總附加位移分別為3.79 mm和4.51 mm,小于城市軌道交通結構安全控制值10 mm;運營左線、右線軌道兩端豎向附加位移高差分別為1.08 mm和0.92 mm,滿足城市軌道交通結構安全軌道高差控制值4 mm。

2號線昆-環隧道開挖引起運營1號線環-昆左右線隧道位移的時程曲線如圖10、11所示。

圖9 第五步2號線昆-環左線隧道開挖后引起的附加總位移

圖10 2號線隧道開挖引起運營1號線左線隧道位移的時程曲線

圖11 2號線隧道開挖引起運營1號線右線隧道位移的時程曲線

3.2 隧道管片內力計算結果

第二步1號線環-昆右線、左線隧道開挖后自身管片的最大軸力分別為1 290 kN和613.25 kN,最大剪力分別為133.4 kN和80.5 kN,最大彎矩分別為188.4 kN和105.95 kN。

第三步2號線昆-環右線隧道開挖后,引起運營1號線環-昆右線、左線盾構隧道管片的最大軸力分別為1 550 kN和627.8 kN,最大剪力分別為150.3 kN和96.67 kN,最大彎矩分別為200.2 kNm和86.65 kNm;自身最大軸力、剪力、彎矩分別為1 120 kN、132.8 kN和175.9 kNm (見圖12)。

圖12 第三步2號線昆-環右線隧道開挖后引起隧道管片的彎矩

第五步2號線昆-環左線隧道開挖后,引起1號線環-昆右線、左線盾構隧道管片的最大軸力分別為1 460 kN和616.2 kN,最大剪力分別為134.8 kN和95.3 kN,最大彎矩分別為193.86 kNm和88.4 kNm (見圖13)。

從內力結果可知,第三步2號線昆-環右線隧道開挖和第五步左線隧道開挖后,引起運營1號線環-昆左右線盾構隧道管片的彎矩、剪力和軸力變化幅度不大,均在配筋要求范圍內。

圖13 第五步2號線昆-環左線隧道開挖后引起隧道管片的彎矩

3.3 模擬計算小結

綜上計算結果,不同工況后隧道管片的位移及內力值見表2。

表2 F-F剖面2號線昆-環重疊盾構區間隧道施工的計算結果匯總表

由表2可知,計算分析結果均在規范允許的范圍內,且有較大的富余量。因此,2號線昆-環重疊隧道盾構施工對既有1號線環-昆重疊隧道的影響是可控的,但在盾構施工過程中需對1號線隧道做好監測。

4 監測結果

2014年12月底,對運營1號線環-昆重疊隧道保護區進行了自動化測點布設及初始值采集。2015年7月上旬,2號線昆-環重疊隧道左右線盾構順利貫通。1號線環-昆重疊隧道自動化監測最大數據值統計如表3所示。

由表3可知,隧道結構豎向位移最大累計變形值為3.6 mm,隧道結構水平位移最大累計變形值為2.4 mm。ANSYS數值模擬計算的隧道結構豎向最大位移為4.24 mm,隧道結構水平最大位移為2.28 mm,數值模擬計算結果與監測數據結果基本一致。

5 結論

(1) 數值模擬計算的運營隧道管片收斂值較小,最大值小于2 mm,運營隧道管片豎向和水平位移最大累計變形分別為3.6 mm和2.4 mm,小于變形控制值10 mm,結構安全;運營隧道軌道高差最大變化為1.08 mm,小于軌道高差控制值4 mm,從列車運營角度來看也是安全的。因此,2號線昆-環重疊隧道盾構施工對運營1號線環-昆重疊隧道的影響是可控的。

表3 1號線環-昆重疊隧道自動化監測最大數據值統計表(截至2015年10月8日)

(2) 數值模擬計算結果與監測數據結果基本一致,說明數值模擬計算是可行的。

(3) 重疊隧道施工遵循先下后上的原則,并及時采用洞內注漿對重疊隧道夾層土體進行加固等相關措施,可控制重疊隧道施工引起的周邊運營重疊隧道的變形,保證運營隧道的安全。該施工方法對類似工程有借鑒作用。

[1] 鐵路綜合技術研究所.既有隧道近接施工指南[M].東京:土木工程學會出版社,1997.

[2] 李恒一.深圳地鐵9號線盾構區間近接既有隧道施工力學行為研究[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2015,24(1):30-33.

[3] 周明亮.上下重疊盾構隧道設計施工關鍵技術[J].現代隧道技術,2011,48(3):105-111.

[4] 仇文革,張志強.深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數值模擬分析[J].鐵道標準設計,2000,20(6):41-42.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通結構安全保護技術規范:CJJ/T202—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2014:4.

Impact of Overlapping Tunnel Construction on the Adjacent Operation Overlapped Tunnels

XIN Yahui

The influence of the construction of four parallel nearby tunnels is become more and more obvious,and a specific research is needed.In this paper,based on the real engineering example of Kunming metro Line 2,the influence level of external work is determined according to the position relationship between the plane and sections on Line 1,the deformation control standards and the corresponding engineering measures are put forward.Then,through the finite ANSYS numerical simulation analysis,the level of displacement and the distribution of internal force in overlapped tunnels are calculated,which are caused by the shield construction of the overlapped tunnels nearby.The result of numerical simulation shows that the influence during the construction of overlapped tunnels on Line 2 over Line 1 is controllable.The data from ANSYS analysis basically meets the monitoring data,and the safety of the overlapped tunnels in construction could be ensured.The research will serve as a reference to similar projects.

overlapped tunnel; shield construction; impact analysis; numerical simulation

U456.3

10.16037/j.1007-869x.2017.04.022

2016-05-11)