金 平， 趙 焱， 趙瑞桐

(1.中鐵四局集團(tuán)城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230022； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近些年，國(guó)內(nèi)眾多城市地鐵建設(shè)逐步加快，位于城市核心區(qū)域內(nèi)的地鐵線路呈現(xiàn)密集化趨勢(shì)，新建地鐵隧道上跨或者下穿通過(guò)既有地鐵隧道的工程案例越來(lái)越多。對(duì)于這些工程的施工過(guò)程，在保證自身隧道滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，更要嚴(yán)格控制對(duì)既有隧道的影響，以確保既有線路的運(yùn)營(yíng)安全。深圳地鐵10號(hào)線福田口岸站-福民站區(qū)間段在盾構(gòu)尚未完全出端頭加固區(qū)即上跨既有地鐵7號(hào)線隧道，與常見(jiàn)的新建隧道上跨或下穿既有隧道相比，此工點(diǎn)施工時(shí)不僅兩線路隧道之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，而且由于上跨區(qū)段緊鄰車站基坑，還受到車站基坑結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而存在更為復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，本文以此工程為依托，采用數(shù)值模擬方法，研究分析了此復(fù)雜工況的施工過(guò)程，重點(diǎn)論證袖閥管注漿加固方案的可行性，以期為類似工程的實(shí)施提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵10福田口岸站-福民站區(qū)間從福民站南端頭井始發(fā)，將上跨穿越已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的地鐵7號(hào)線?；蕝^(qū)間，兩線路隧道基本正交，結(jié)構(gòu)垂直凈最小距僅1.3 m，7號(hào)線區(qū)間線路外邊緣距福民站南端頭僅7.85 m，福福區(qū)間盾構(gòu)機(jī)未完全出端頭井加固區(qū)即上跨穿越7號(hào)線?；蕝^(qū)間。此區(qū)間采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，區(qū)間內(nèi)管片襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，厚度30 cm，幅寬1.5 m。

顯然，此工點(diǎn)施工最為關(guān)鍵的難點(diǎn)是避免盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)的排土卸載引起下覆地鐵7號(hào)線隧道上浮，進(jìn)而造成管片破壞或?qū)α熊囘\(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)影響。為此，在盾構(gòu)開(kāi)挖施工前采用袖閥管注漿措施對(duì)10號(hào)線南端頭井至7號(hào)線?；蕝^(qū)間與10號(hào)線福福區(qū)間隧道重疊部位(總長(zhǎng)度約27.45 m)的地層進(jìn)行預(yù)加固。加固范圍寬度方向上為10號(hào)線隧道及左右兩側(cè)各3 m，深度方向上為隧道頂3 m至隧道底2 m，上跨7號(hào)線區(qū)間正上方按照加固體距離既有隧道結(jié)構(gòu)凈距不小于1 m對(duì)注漿壓力進(jìn)行控制。本文將重點(diǎn)研究此加固措施能否保證盾構(gòu)上跨施工過(guò)程中下覆既有隧道的安全。工程范圍內(nèi)土層分布及新建與既有隧道的位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

(a)平面

(b)斷面圖1 工程位置示意

2 數(shù)值模型建立

本次研究的數(shù)值模型采用有限差分軟件FLAC3D建立，模型左右邊界及下邊界計(jì)算范圍各取5倍開(kāi)挖寬度。由于10號(hào)線是在始發(fā)段上跨穿越7號(hào)線，本文在數(shù)值模型中考慮了既有基坑(車站基坑)對(duì)上跨施工的影響。根據(jù)實(shí)際施工方案，本次數(shù)值模擬中將先開(kāi)挖左線隧道至貫通，再進(jìn)行右線開(kāi)挖。圖2為三維計(jì)算模型圖，其中X軸方向?yàn)樗椒较颉軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道軸向方向、Z軸正方向豎直向上。模型尺寸為：69.7 m×67.6 m×50 m，三維計(jì)算模型共劃分為45.05萬(wàn)個(gè)單元。地鐵10號(hào)線、7號(hào)線及袖閥管注漿加固范圍的位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

圖3 工程結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

三維數(shù)值計(jì)算中相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值，地層物理力學(xué)參數(shù)參考地勘和設(shè)計(jì)文件進(jìn)行取值。計(jì)算中，各土層采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻、基坑基礎(chǔ)底板及盾構(gòu)隧道管片采用彈性模型。土層及其他構(gòu)件計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1。

袖閥管注漿加固效應(yīng)采用提高位于加固范圍內(nèi)的②3含有機(jī)質(zhì)砂、③6細(xì)砂、③10圓礫、⑧1全風(fēng)化花崗巖這四個(gè)地層相應(yīng)的彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角的方法進(jìn)行模擬。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 受力分析

圖4為10號(hào)線福福區(qū)間始發(fā)段施工過(guò)程中7號(hào)線隧道管片的應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，管片中應(yīng)力分布比較均勻并且左右線的最大主應(yīng)力值非常接近。在整個(gè)施工過(guò)程中7號(hào)線管片中主應(yīng)力值的變化很小，10號(hào)線左線開(kāi)挖貫通時(shí)分別為1.89 MPa和6.01 MPa；右線開(kāi)挖貫通時(shí)分別為1.83 MPa和6.00 MPa。從總體上講，按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行10號(hào)線的施工，7號(hào)線的結(jié)構(gòu)受力均在安全范圍內(nèi)。

表1 計(jì)算模型材料物理力學(xué)參數(shù)

(a)左線開(kāi)挖至貫通主拉應(yīng)力

(b)左線開(kāi)挖至貫通主壓應(yīng)力

(c)右線開(kāi)挖至貫通主拉應(yīng)力

(d)右線開(kāi)挖至貫通主壓應(yīng)力

3.2 變形分析

圖5為10號(hào)線福福區(qū)間始發(fā)段施工過(guò)程中，7號(hào)線隧道管片的豎向位移云圖。可以看出，在10號(hào)線隧道開(kāi)挖后，土體的卸載將會(huì)使7號(hào)線隧道管片與其相交部位產(chǎn)生向上的隆起變形，隆起量值左線比右線大，這是由于左線相比于右線距離車站基坑較遠(yuǎn)，受到既有基坑地下連續(xù)墻約束較小且受10號(hào)線開(kāi)挖影響范圍更大造成的。10號(hào)線左線隧道開(kāi)挖至貫通后，7號(hào)線隧道管片的最大隆起值為2.55 mm；當(dāng)10號(hào)線右線隧道開(kāi)挖至貫通后，7號(hào)線隧道管片的最大隆起值為3.74 mm，隆起最大的部位出現(xiàn)在7號(hào)線左線隧道與10號(hào)線隧道相交位置的管片頂部。

圖6為7號(hào)線隧道拱頂和拱底各位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖完成后的豎向位移值曲線?？梢钥闯觯谑┕ね瓿珊?，7號(hào)線左、右線隧道的豎向變形規(guī)律基本相同。最終變形值均為中間較大，向兩側(cè)逐漸遞減，并且7號(hào)線左線的豎向變形要比右線大。

(a)左線開(kāi)挖至貫通

(b)右線開(kāi)挖至貫通

圖6 7號(hào)線隧道拱頂拱底位移測(cè)點(diǎn)豎向位移值曲線

選取7號(hào)線左線隧道的拱頂和拱底X坐標(biāo)為-9 m、0 m、9 m的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)分析10號(hào)線隧道開(kāi)挖過(guò)程中的豎向變形規(guī)律(圖7)。從圖中可以看出，隨著10號(hào)線開(kāi)挖進(jìn)程(圖中橫軸數(shù)字所代表的10號(hào)線開(kāi)挖進(jìn)程：1-左線開(kāi)挖至7號(hào)線右線上方，2-左線開(kāi)挖至7號(hào)線左、右線之間上方，3-左線開(kāi)挖至注漿加固區(qū)邊緣，4-左線開(kāi)挖至非注漿加固區(qū)中間位置，5-左線開(kāi)挖至在模型中貫通，6-右線開(kāi)挖至7號(hào)線右線上方，7-右線開(kāi)挖至7號(hào)線左、右線之間上方，8-右線開(kāi)挖至注漿加固區(qū)邊緣，9-右線開(kāi)挖至非注漿加固區(qū)中間位置，10-右線開(kāi)挖至在模型中貫通)，7號(hào)線隧道因開(kāi)挖而出現(xiàn)的隆起值逐漸增大，并且拱頂和拱底的位移規(guī)律相似。Y=9m的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)及Y=-9m的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在10號(hào)線左、右線開(kāi)挖的過(guò)程中出現(xiàn)了隆起量值的差值逐漸增大的現(xiàn)象，而Y=0m的測(cè)點(diǎn)情況則介于前面兩者之間，這表明7號(hào)線隧道管片的豎向位移在Y=9m附近區(qū)域受10號(hào)線左線開(kāi)挖影響較大；而在Y=-9m附近區(qū)域則受10號(hào)線右線開(kāi)挖影響較大。

4 結(jié)論

本文以深圳地鐵10號(hào)線福福區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)段正交上跨既有7號(hào)線工程施工為依托，研究分析了在設(shè)計(jì)袖閥管注漿預(yù)加固方案下，上跨施工過(guò)程對(duì)既有隧道受力和變形的影響，得出如下結(jié)論：

(1)新建盾構(gòu)隧道始發(fā)段正交上跨施工對(duì)位于其下方的既有隧道結(jié)構(gòu)受力影響較小，既有隧道管片受力不會(huì)因?yàn)樯峡缡┕ざa(chǎn)生較大變化；

(2)10號(hào)線上跨穿越施工的土體卸載作用會(huì)使既有7號(hào)線隧道產(chǎn)生最大值為3.74 mm的隆起變形，該變形量值滿足既有隧道結(jié)構(gòu)和地鐵運(yùn)營(yíng)安全的要求。

(3)采用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行10號(hào)線福福區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)段的施工，可保證既有7號(hào)線盾構(gòu)隧道的受力和變形安全。

(a)Y=-9m測(cè)點(diǎn)曲線

(b)Y=0m測(cè)點(diǎn)曲線

(c)Y=9m測(cè)點(diǎn)曲線圖7 7號(hào)線隧道隨施工進(jìn)程豎向位移變化曲線