劉歡，韓娟

(1．中鐵第四勘察設計院集團有限公司城市軌道與地下工程設計研究院地下工程所，湖北 武漢 430063;2．鄭州科技學院，河南 鄭州 450064)

目前，軌道交通已成為各大城市發(fā)展公共交通、解決交通擁堵問題的首選． 新建隧道下穿既有運營隧道的情況越來越多． 既有隧道在施工時已經(jīng)對土體產(chǎn)生擾動，新建隧道在下穿施工過程中又將會對土體產(chǎn)生二次擾動，使土體的沉降和變形進一步加劇，若預防措施不利，將造成既有運營隧道襯砌破壞或變形過大，影響既有地鐵運營的安全． 因此，為保證既有運營隧道的安全，新建隧道下穿施工對既有運營隧道的影響成為主要的研究課題．

國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)隧道施工對周圍環(huán)境影響的研究取得顯著成果． 李庭平等［1］采用數(shù)值模擬的方法，對上海市西藏南路新建越江隧道下穿既有隧道(M8線)施工引起的既有隧道及地表變形進行了分析;趙林［2］采用Midas －GTS 軟件建立力學模型，模擬了深圳地鐵7 號線新建盾構(gòu)隧道下穿既有1 號線礦山法隧道的施工過程，分析了盾構(gòu)施工對既有隧道的影響;張海彥等［3］以蘇州某新建隧道垂直下穿既有地鐵1 號線隧道為例，采用ANSYS 對盾構(gòu)隧道的施工過程進行三維彈塑性數(shù)值模擬，分析不同間距時新建隧道垂直下穿對既有地鐵隧道的影響．目前，從位移、沉降角度來分析新建隧道下穿施工對既有隧道影響的研究成果較多［4－6］，而對隧道襯砌內(nèi)力的研究較少．本文以鄭州地鐵1 號線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿1 號線一期出、入段線礦山法隧道為例，應用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D 模擬盾構(gòu)施工過程，分析新建隧道盾構(gòu)施工對既有運營出、入段線礦山法隧道襯砌內(nèi)力及土層位移的影響．

1 工程概況

鄭州地鐵1 號線一期出、入段線礦山法隧道為既有運營隧道，1 號線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道為新建隧道．既有出、入段線礦山法隧道結(jié)構(gòu)采用復合式襯砌，初期支護采用300 mm厚C25 網(wǎng)噴混凝土，二次襯砌模筑采用350 mm厚C30 防水鋼筋混凝土．新建區(qū)間隧道右線采用盾構(gòu)法施工，管片采用外徑6．0 m，內(nèi)徑5．4 m，環(huán)寬1．5 m，厚300 mm 的鋼筋混凝土平板型單層結(jié)構(gòu)．下穿區(qū)段位于主干路交叉口下方，所屬地貌單元為黃河沖積泛濫平原，按照地層巖性及工程特性，自上而下劃分為:①雜填土、②黏質(zhì)粉土、⑨粉質(zhì)黏土、⑧－1 細砂、瑏瑦細砂、瑏瑧－2 細砂、瑏瑧中砂等． 既有礦山法隧道埋深為6．1 ～6．8 m，位于⑧－1 細砂、⑨粉質(zhì)黏土、瑏瑦細砂地層中;新建盾構(gòu)隧道埋深為17．9 ～18．2 m，位于瑏瑧－2 細砂地層中．新建盾構(gòu)隧道與既有礦山法隧道入段線夾角約為27°，豎向凈距為4．35 m，與出段線夾角約為32°，豎向凈距為5．34 m，二者相互位置關(guān)系如圖1 和圖2 所示．

圖1 新建隧道與既有隧道平面關(guān)系圖(單位:m)

圖2 新建隧道與既有隧道剖面關(guān)系圖(單位:m)

2 控制標準的制定

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)，新建隧道下穿既有礦山法隧道允許沉降值取10 mm，允許水平位移取5 mm，主干道路基沉降控制值為30 mm． 為了有效控制既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形和主干道路基的沉降，取二者允許變形和沉降的80%作為警戒值，取其40%作為預警值．制定的控制標準見表1．

表1 控制標準mm

3 施工影響預測

3．1 工程地質(zhì)及材料力學參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，工程所處場地為黃河沖積泛濫平原，地形平坦，土層分布及各層土的物理力學參數(shù)見表2．

表2 模型材料的物理力學參數(shù)

3．2 計算模型與網(wǎng)格劃分

計算模型采用直角坐標系，其中x 方向長度為129．9 m(0．0 ～129．9 m)，y 方向長度為67．0 m(0．0 ～67．0 m)，z 方向長度為35．0 m(－35．0 ～0．0 m)，模型寬度大于5d(d 為孔洞直徑)．土質(zhì)圍巖采用8 節(jié)點6 面體單元(brick)． 模型中，取z 方向為重力方向，對模型左右、四周和下部邊界設定節(jié)點速度為零進行位移邊界約束，模型上部為自由邊界，并對邊界上結(jié)構(gòu)單元進行相應的位移、彎矩約束．模型計算網(wǎng)格如圖3 所示．模擬過程為:初始地壓條件創(chuàng)建→人工邊界設置和材料屬性賦值→對所有土體單元賦予重力以實現(xiàn)初始地應力→位移場和速度場清零→模擬橋樁施工影響→位移場清零→盾構(gòu)隧道掘進與管片施作→數(shù)據(jù)提取與結(jié)果分析．

圖3 三維計算模型網(wǎng)格

3．3 結(jié)果分析

3．3．1 工況一:既有出、入段線礦山法隧道施工

由于礦山法隧道開挖引起地層擾動，導致隧道縱向所在區(qū)域正上方一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生沉降，地表最大沉降量達到10．26 mm，礦山法隧道結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生一定的變形． 計算所得既有礦山法隧道周邊土體的位移云圖如圖4 所示．

圖4 既有隧道通過后地表豎向位移圖

3．3．2 工況二:新建盾構(gòu)隧道掘進施工

新建盾構(gòu)隧道開挖引起地層二次擾動，導致隧道縱向正上方土體沉降加劇，地表最大沉降量達到11．51 mm．周邊土體的位移云圖如圖5 所示．

圖5 新建隧道通過后地表豎向位移圖

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移如圖6 所示．由圖6 可知，既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)沿隧道縱向為拉伸變形，其峰值出現(xiàn)在新建隧道正上方的既有礦山法隧道仰拱襯砌上．既有隧道襯砌豎向位移與水平位移分別如圖7 和圖8 所示．從圖7—8 中可以看出，新建盾構(gòu)隧道通過后，既有出、入段線礦山法隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律基本相同． 在新建盾構(gòu)隧道通過既有礦山法隧道正下方時，既有礦山法隧道襯砌的豎向位移和水平位移達到峰值，分別為3．13、0．52 mm．

圖6 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移圖

圖7 既有礦山法隧道襯砌豎向位移

圖8 既有礦山法隧道襯砌水平位移

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和軸力分別如圖9 和圖10 所示． 從圖9—10 可以看出，新建盾構(gòu)隧道掘進施工完成后，既有礦山法隧道襯砌彎矩和軸力云圖變化不大，說明既有隧道襯砌內(nèi)力受盾構(gòu)掘進施工的影響較?。?/p>

圖9 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖10 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖

新建盾構(gòu)隧道施工完成后，既有礦山法隧道襯砌變形與受力結(jié)果見表3．

表3 既有礦山法隧道變形與內(nèi)力統(tǒng)計結(jié)果

由表3 可知，新建盾構(gòu)隧道施工完成后，既有礦山法隧道襯砌的水平和豎向變形分別為0． 52、3．13 mm，滿足控制標準的要求． 經(jīng)結(jié)構(gòu)驗算，新建盾構(gòu)隧道下穿施工產(chǎn)生的彎矩和軸力均滿足結(jié)構(gòu)裂縫寬度和結(jié)構(gòu)強度要求．

4 結(jié) 語

1)新建盾構(gòu)隧道的施工對既有礦山法隧道周邊土體產(chǎn)生二次擾動，加劇了土體的進一步沉降，最大地表沉降量達到11．51 mm，但在主干道路基沉降的控制要求范圍內(nèi)．

2)新建盾構(gòu)隧道的施工對既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均產(chǎn)生一定的影響，豎向和水平變形分別為3．13、0．52 mm，內(nèi)力變化不大，滿足對既有隧道保護的控制要求．

3)對于該研究區(qū)，在砂層土質(zhì)條件下，新建盾構(gòu)隧道下穿既有礦山法隧道，在不采取加固措施的情況下，既有隧道和周邊土體的變形在允許范圍內(nèi)，可保證既有隧道的正常運營．

［1］李庭平，周俊峰，劉平旺． 新建隧道下穿既有隧道的施工影響分析［J］． 低溫建筑技術(shù)，2008，125(5):104－105．

［2］趙林．盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵區(qū)間隧道變形影響分析［J］．石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2013，26(增刊2):261 －264．

［3］張海彥，何平，秦東平，等．新建盾構(gòu)隧道垂直下穿對既有隧道的影響［J］． 中國鐵道科學，2013，34(2):66－69．

［4］Addenbrooke T I，Potts D M． Two tunnel interaction:Surface and subsurface efects［J］．The International Journal of Geomechanics，2001，1(2):249 －271．

［5］陳先國，高波． 地鐵近距離平行隧道有限元數(shù)值模擬［J］．巖石力學與工程學報，2002，21(9):1330 －1334．

［6］宿鐘鳴，薛曉輝．小凈距隧道洞口段施工方法優(yōu)化分析［J］．華北水利水電學院學報，2013，34(6):23 －26．