武 科, 崔帥帥, 張前進(jìn), 于雅琳, 張樂(lè)文

(1. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061; 2. 山東大學(xué) 海洋研究院, 山東 青島 266237)

在城市地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,新建地鐵線路下穿既有地鐵線路的問(wèn)題將不可避免,而既有地鐵線的安全運(yùn)營(yíng)又對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形有著非常嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn),因此這類下穿施工問(wèn)題對(duì)既有地鐵的安全運(yùn)營(yíng)形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn),是地鐵建設(shè)中等級(jí)最高的風(fēng)險(xiǎn)工程[1-4].地鐵施工主要有礦山法(如全斷面法和上下臺(tái)階法)和盾構(gòu)法[5-6].不同的地鐵施工方案,對(duì)應(yīng)不同的既有結(jié)構(gòu)變形特征與控制措施,常見(jiàn)控制措施有樁基托換法和注漿加固法[7-8]等.朱正國(guó)等[9]以北京地鐵7號(hào)線新建區(qū)間隧道超近距離下穿既有雙井站工程為背景,研究了新建隧道超近距離下穿既有地鐵施工方案優(yōu)化問(wèn)題.鄒明波等[10]依托新建贛韶鐵路黃金隧道塌方段工程,利用數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證了該塌方段采用注漿加固技術(shù)的可行性.陳孟喬等[11]依托北京地鐵13號(hào)線東直門(mén)站下穿機(jī)場(chǎng)線東直門(mén)站工程,研究了新建地鐵下穿既有地鐵過(guò)程中的變形控制技術(shù).LEE W. F.等[12]根據(jù)臺(tái)灣高雄地鐵盾構(gòu)隧道施工區(qū)地下水滲漏造成的大量樓房倒塌,分析了地鐵施工對(duì)鄰近地面和既有結(jié)構(gòu)的延伸損壞機(jī)制.

筆者依托于某新建地鐵隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線工程,采用數(shù)值模擬分析軟件FLAC3D,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比論證模擬的可靠性,分析全斷面法、臺(tái)階法和盾構(gòu)法等3種地鐵隧道常用施工方案對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)和地層的影響,研究新建隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵的施工力學(xué)機(jī)理,并對(duì)注漿加固效果開(kāi)展數(shù)值模擬,從而進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)選分析.

1 工程概況

既有運(yùn)營(yíng)地鐵采用土壓平衡盾構(gòu)(EPB)建造,于2004年完成.該盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m.隧道由6塊管片拼裝而成,管片寬度為1.5 m.新建地鐵隧道也采用盾構(gòu)法建造,下穿段地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 下穿段地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

新舊隧道夾角約為85°,新建隧道埋深12.6 m,新舊隧道最小凈距分別為7.5,1.8 m,既有地鐵線左線和右線凈距約為16.0 m.布置如圖2所示的監(jiān)測(cè)斷面,沿既有隧道共布置9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(MC1-MC9),監(jiān)測(cè)斷面間隔為5.0～10.0 m.此外,為對(duì)比既有隧道和天然地層沉降的區(qū)別,對(duì)隧道拱底附近同一埋深處的天然地層沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè),布置MC-A和MC-B兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,監(jiān)測(cè)斷面距離既有地鐵隧道邊緣約為2.0 m,監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔為6.0 m.

圖2 下穿段平面圖(單位： m)

2 數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

2.1 數(shù)值近似模型

圖3為數(shù)值計(jì)算模型.

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和實(shí)際工程情況,本次數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D,建立了三維計(jì)算模型,隧道開(kāi)挖斷面寬度B=6.0 m,新舊隧道夾角為85°,新建地鐵隧道與既有地鐵線左線隧道凈距為1.8 m,與右線隧道凈距為7.5 m.并考慮到相關(guān)的尺寸效應(yīng),模型邊緣到隧道邊緣距離均大于5倍的洞徑,底部邊界至隧道底部距離大于4倍隧道高度.模型的最終尺寸如下:長(zhǎng)度為87 m,寬度為70 m,高度為50 m.最終數(shù)值模型與地質(zhì)分層以及隧道位置關(guān)系如圖3所示.模型經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分，得到 91 182個(gè)單元和 58 464個(gè)節(jié)點(diǎn).

2.2 巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告以及相應(yīng)數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn),巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)選取情況如表1所示.

表1 巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算分析方法

具體數(shù)值計(jì)算分析方法如下:

1) 邊界條件.模型左右邊界、前后邊界法向方向位移約束,巖土頂部為自由面,底部邊界豎直方向位移約束.

2) 開(kāi)挖方法.礦山法中的全斷面開(kāi)挖、上下臺(tái)階法開(kāi)挖進(jìn)尺均為3.0 m,即每向前掘進(jìn)兩環(huán)為一循環(huán);盾構(gòu)法開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5 m,即每向前掘進(jìn)一環(huán)為一循環(huán).

3) 重力荷載均采用重力的方式施加.

4) 隧道支護(hù)采用C30混凝土,厚度為30 cm.

5) 為對(duì)比分析注漿加固效果,對(duì)上下臺(tái)階法4種工況的注漿加固進(jìn)行模擬,采用超前預(yù)注漿,如圖4所示.工況1為不注漿加固,即只采用上下臺(tái)階法;工況2為對(duì)左右兩側(cè)3.0 m及底部3.0 m范圍內(nèi)巖層注漿加固;工況3為對(duì)左右兩側(cè)3.0 m范圍內(nèi)及新舊隧道中夾巖層注漿加固;工況4為對(duì)左右兩側(cè)和底部3.0 m范圍及新舊隧道中夾巖層注漿加固.

圖4 新建隧道注漿加固范圍(單位： m)

2.4 可靠性驗(yàn)證

將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比論證,左右線拱底MC1-MC9等9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線分別如圖5-6所示,天然地層監(jiān)測(cè)斷面MC-A和MC-B的沉降曲線分別如圖7-8所示.

圖5 左線拱底沉降曲線

圖6 右線拱底沉降曲線

圖7 斷面MC-A沉降曲線

圖8 斷面MC-B沉降曲線

由圖5-8可知:數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相近,基本吻合,均是在新建隧道中心線正上方取得最大沉降值,隨著與新建隧道中心線距離的增大,曲線趨于平緩;由于實(shí)際工程中存在較大的偶然因素,故圖中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大沉降值均略大于模擬值,但最大值在控制范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)施工造成影響;4個(gè)圖中模擬值和實(shí)測(cè)值誤差最大為11.7%.綜上,該數(shù)值計(jì)算方法可行,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確.

3 結(jié)果分析

3.1 施工方案對(duì)比分析

3.1.1 應(yīng)變分析

選取新建地鐵隧道中心線正上方的地表作為特征點(diǎn)分析地表沉降,新建隧道中心線與既有地鐵線左線中心線、既有地鐵線右線中心線交叉部分正上方的地表沉降曲線如圖9所示.圖9的曲線變化趨勢(shì)相似,在此僅對(duì)圖9a進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析.由圖9a可知:3種施工方法造成的沉降趨勢(shì)相同,開(kāi)挖長(zhǎng)度小于24 m時(shí),曲線變化較平緩,此時(shí)位移約占總位移的15%～20%,沉降主要是由應(yīng)力場(chǎng)變化造成的;當(dāng)掌子面開(kāi)挖至24 m時(shí)，距特征點(diǎn)為-2D(D為盾構(gòu)隧道外徑),沉降變化速率驟增,曲線急劇下滑,當(dāng)掌子面開(kāi)挖至54 m時(shí)，距特征點(diǎn)為3D,沉降變化速率減小,曲線趨于平穩(wěn),并呈現(xiàn)收斂的趨勢(shì);開(kāi)挖距離為24～54 m時(shí),由于開(kāi)挖造成了邊界條件發(fā)生變化,使得圍巖應(yīng)力場(chǎng)重分布,從而產(chǎn)生豎向位移,在此階段內(nèi),全斷面法開(kāi)挖造成的位移約占總位移的68%,上下臺(tái)階法開(kāi)挖造成的位移約占總位移的65%,盾構(gòu)法開(kāi)挖造成的位移約占總位移的60%.全斷面法、上下臺(tái)階法和盾構(gòu)法施工造成的地表最終沉降分別為6.2,5.4和3.8 mm,可見(jiàn)地表沉降最大值僅為6.2 mm,不足10.0 mm,在城市地鐵施工的允許沉降值以內(nèi),同時(shí)盾構(gòu)法施工的最終沉降值比全斷面法減小44%,比上下臺(tái)階法減小30%,主要是由于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)掌子面施加的土倉(cāng)壓力有效地減小了地表沉降.

圖9 地表的沉降曲線

既有地鐵隧道左、右線拱頂?shù)某两登€如圖10-11所示.

圖10 左線拱頂?shù)某两登€

圖11 右線拱頂?shù)某两登€

由圖10可知:3種施工方法造成的沉降趨勢(shì)相同,由于側(cè)面開(kāi)挖產(chǎn)生的卸載作用,首先呈現(xiàn)出逐漸隆起的趨勢(shì),但隆起量非常小,最大隆起量?jī)H為0.4 mm;當(dāng)掌子面開(kāi)挖至28 m，距左線隧道中心線距離約為1.5D,既有隧道左線開(kāi)始沉降,且沉降變化速率逐漸加快;當(dāng)掌子面開(kāi)挖至54 m時(shí)，距左線中心線為3D,附近地層趨于平穩(wěn)狀態(tài),沉降變化趨于平穩(wěn),而后沉降呈現(xiàn)收斂趨勢(shì);采用全斷面法、上下臺(tái)階法和盾構(gòu)法施工造成的左線拱頂最終沉降分別為5.5,4.8和2.9 mm,盾構(gòu)法最終沉降值比全斷面法減小47%,比上下臺(tái)階法減小40%.

由圖11可知:3種方法造成的沉降趨勢(shì)相同,沉降均是首先呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),隨后出現(xiàn)回彈;當(dāng)掌子面開(kāi)挖至48 m時(shí)，距右線隧道中心線距離約為-2D,沉降驟增,沉降變化速率逐漸增大,隨著開(kāi)挖的完成,沉降趨于收斂;采用全斷面法、上下臺(tái)階法和盾構(gòu)法施工造成的右線拱頂最終沉降分別為7.9,7.0和5.6 mm,盾構(gòu)法最終沉降值比全斷面法減小29%,比上下臺(tái)階法減小20%,且收斂所用時(shí)間比另兩種方法短.

3.1.2 應(yīng)力分析

在新舊地鐵隧道交叉部分選取斷面作為特征面進(jìn)行應(yīng)力分析,初始地應(yīng)力云圖和3種方案開(kāi)挖完成后的豎向應(yīng)力云圖如圖12所示.由圖12可知:3種施工方法下,隧道的開(kāi)挖使得地層應(yīng)力場(chǎng)重分布,新建地鐵隧道拱腰附近的圍巖均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中,隧道拱底和拱頂附近的圍巖豎向應(yīng)力相比于同等埋深處要小,而拱腰附近要比同等埋深處的大,這是因?yàn)橹ёo(hù)承擔(dān)了一部分開(kāi)挖造成的圍巖應(yīng)力釋放,并在拱底和拱頂產(chǎn)生一定變形,使得豎向應(yīng)力集中于拱腰.采用全斷面法、上下臺(tái)階法和盾構(gòu)法造成的拱腰豎向應(yīng)力分別為2.05,1.62,1.50 MPa,盾構(gòu)法比全斷面法減小27%,比上下臺(tái)階法減小7%.

圖12 豎向應(yīng)力云圖

3.1.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

3種方案施工完成后的既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖如圖13所示.既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖如圖14所示.由圖13-14可知:最大主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是拉應(yīng)力,最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底內(nèi)側(cè);最小主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是壓應(yīng)力,最小主壓應(yīng)力發(fā)生在拱頂和拱腰附近;最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力分別小于鋼筋混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,不會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞,且仍有較大的安全富余量.

圖13 既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

3種計(jì)算工況下的既有地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力值見(jiàn)表2.由表2可知:相比于全斷面法和上下臺(tái)階法,采用盾構(gòu)法施工造成的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均會(huì)出現(xiàn)不同程度下降,其中左線最大主拉應(yīng)力和右線最小主壓應(yīng)力下降最明顯;對(duì)于既有左線最大主拉應(yīng)力,盾構(gòu)法的最大主拉應(yīng)力比全斷面法下降54%,比上下臺(tái)階法下降50%;對(duì)于既有右線最小主壓應(yīng)力,盾構(gòu)法的最小主壓應(yīng)力比全斷面法下降45%,比上下臺(tái)階法下降38%.綜上,相比于全斷面法和上下臺(tái)階法,盾構(gòu)法可有效地降低施工開(kāi)挖對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響,從而保證新建地鐵線的安全施工和既有地鐵線的正常運(yùn)營(yíng).

表2 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力 MPa

3.2 注漿加固分析

3.2.1 注漿后應(yīng)變分析

取新建隧道中心線正上方的地表沉降值分析地表沉降,各工況下地表沉降曲線如圖15所示.

圖15 不同工況下的地表沉降曲線

由圖15可知:各工況下的曲線形狀相似,類似于W形,地表沉降在右線隧道的中心線正上方取得最大值,左線和右線隧道中心線正上方為曲線拐點(diǎn),且由于右線隧道埋深(埋深為5.0 m)比左線(埋深為10.5 m)小,故右線隧道中心線正上方的地表沉降大于左線;工況1地表沉降最大,其次是工況2,3和4,且工況1遠(yuǎn)大于其他工況;工況1地表沉降最大值為7.3 mm,工況2地表沉降最大值為5.1 mm,工況3地表沉降最大值為4.9 mm,工況4地表沉降最大值為4.4 mm,比工況1減小了40%,說(shuō)明合理的注漿可以有效地減小地表沉降;工況2和3的地表沉降差異較小,所以在施工時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇注漿方案,避免因多余注漿產(chǎn)生的材料浪費(fèi)和成本的提高.其中沉降差異量指的是最大沉降量與最小沉降量的差值.

根據(jù)圖1-2的監(jiān)測(cè)斷面,分析注漿加固后的既有結(jié)構(gòu)變形,各工況下隧道拱底沉降曲線如圖16-17所示.

圖16 不同工況下的左線隧道拱底沉降曲線

圖17 不同工況下的右線隧道拱底沉降曲線

由圖16可知:監(jiān)測(cè)段內(nèi)的左線隧道拱底在工況1,2,3和4下的沉降差異量分別為4.8,2.9,2.8和2.5 mm,其中工況4下的沉降差異量比工況1減小了48.0%.由圖17可知:監(jiān)測(cè)段內(nèi)的右線隧道拱底在工況1,2,3和4下的沉降差異量分別為3.9,1.8,1.6 和1.5 mm,其中工況4下的沉降差異量比工況1減小61.5%.綜上,注漿加固可以有效地減小既有地鐵隧道的沉降差異量,大幅度地降低不均勻沉降.對(duì)比圖16和17,可以發(fā)現(xiàn)右線沉降值均大于對(duì)應(yīng)的左線,這是由于沉降的疊加造成的,同時(shí)由于左線隧道比右線隧道更靠近新建隧道,故在不同工況下,左線拱底的沉降差異量均大于右線,即左線的沉降曲線比右線更陡.對(duì)于左線隧道,工況1的拱底最大沉降值為5.2 mm,而工況4為2.5 mm,比工況1減小52.0%;對(duì)于右線隧道,工況1的拱底最大沉降值為7.2 mm,而工況4為4.5 mm,比工況1減小38.0%.由此可見(jiàn),注漿加固能最大限度地降低既有隧道的沉降,從而減小對(duì)既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng).

為比較既有地鐵隧道與天然地層的沉降,取同等埋深處天然地層進(jìn)行監(jiān)測(cè),沉降曲線如圖18-19所示.

圖18 不同工況下的MC-A斷面沉降曲線

圖19 不同工況下的MC-B斷面沉降曲線

由圖18-19可知:由于巖層的剛度小于既有隧道結(jié)構(gòu),所以天然地層的沉降均大于既有隧道;左線附近的地層沉降大于右線,此時(shí)影響左右線地層沉降差異的主要因素為與新建隧道的距離.在左線附近地層中(MC-A斷面),工況1的最大沉降值為10.0 mm,而工況4為5.0 mm,比工況1減小了50%;對(duì)于右線附近地層(MC-B斷面),工況1的最大沉降值為8.2 mm,而工況4為4.3 mm,比工況1減小了48%;由不同工況引起的最大變化量主要集中距新建隧道中心線距離-3.0～3.0 m的范圍內(nèi)(即注漿加固區(qū)),可見(jiàn)注漿可以明顯減小下穿施工中對(duì)于附近天然地層的擾動(dòng).

3.2.2 注漿后應(yīng)力分析

通過(guò)3.1.2小節(jié)中的應(yīng)力分析可知:既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是拉應(yīng)力,最小主應(yīng)力中占主導(dǎo)的是壓應(yīng)力,所以本次分析只取4種工況下既有結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力,如表3所示.

由表3中可知:由于左線隧道更靠近新建隧道,故應(yīng)力在注漿前后變化更明顯,其中工況4下的左線最大主拉應(yīng)力比工況1減小66%,工況4下的左線最小主壓應(yīng)力比工況1減小33%;通過(guò)對(duì)比最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力,可以發(fā)現(xiàn)注漿加固對(duì)于最大主拉應(yīng)力的減小最明顯;工況2,3和4下的主應(yīng)力相差很小,所以在實(shí)際工程中,應(yīng)綜合各工況下的位移和實(shí)際情況,適當(dāng)選取注漿加固區(qū)域,避免材料的浪費(fèi).

表3 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力 MPa

4 結(jié) 論

1) 由于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)掌子面施加的土倉(cāng)壓力,盾構(gòu)法施工相比于全斷面法和上下臺(tái)階法,能有效地減小地表沉降,同時(shí)能夠大幅度地減小既有結(jié)構(gòu)拱頂?shù)某两?且沉降收斂所用時(shí)間短于全斷面法和上下臺(tái)階法.

2) 相比于全斷面法和上下臺(tái)階法,采用盾構(gòu)法施工造成的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降,其中左線最大主拉應(yīng)力和右線最小主壓應(yīng)力下降最明顯.

3) 相比于不進(jìn)行注漿加固的臺(tái)階法施工,對(duì)左右兩側(cè)、底部3.0 m范圍及新舊地鐵隧道中夾巖層的注漿加固(工況4)能大幅度降低地表沉降、既有隧道的最終沉降、既有隧道的不均勻沉降和天然巖層的沉降,但不同注漿加固范圍下的沉降差值較小,所以在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況合理選取注漿加固區(qū)域,避免材料浪費(fèi).

4) 由于既有地鐵線左線更靠近新建地鐵隧道,故左線隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在注漿前后變化更明顯,應(yīng)力變化最大的是左線最大主拉應(yīng)力,工況4下的左線最大主拉應(yīng)力比工況1減小了66%,發(fā)生在隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱底的內(nèi)側(cè).