馬騰飛 劉小亮 岳虎

摘 要：依托昆明新建地鐵4號(hào)線聯(lián)大街站—昆明南火車(chē)站區(qū)間隧道下穿既有車(chē)站（昆明地鐵1號(hào)線聯(lián)大街車(chē)站）工程，基于土體修正莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，采用Midas/GTS有限元軟件建立三維有限元模型，模擬計(jì)算了新建隧道開(kāi)挖對(duì)既有車(chē)站的影響，并將最終的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為在模型、參數(shù)選取合理的前提下，數(shù)值模擬可對(duì)下穿施工有良好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：軟黏土；新建隧道；既有車(chē)站；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.32.096

0 引言

當(dāng)前，隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市軌道交通將由平面線狀向立體網(wǎng)狀發(fā)展，難免出現(xiàn)在既有車(chē)站附近新建地鐵隧道區(qū)間的情況，這必然會(huì)使得既有車(chē)站穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，同樣也會(huì)加大新建隧道區(qū)間工程的施工難度；而在軟弱黏土中進(jìn)行隧道的下穿施工，無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步增加施工風(fēng)險(xiǎn)以及難度，因此，開(kāi)展軟黏土地層中新建隧道下穿既有車(chē)站的數(shù)值模擬研究是具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)意義的。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已在數(shù)值模擬方面對(duì)新建隧道下穿施工開(kāi)展了較為深入的研究，并也已取得較豐碩的成果?；魸?rùn)科等在富水黃土地層中采用降水與注漿兩種地層加固措施，建立滲流—應(yīng)力耦合數(shù)值計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)注漿加固下襯砌各部位受力均大于降水加固，兩種加固方案下地表沉降以及洞周土體變形的模擬值與監(jiān)測(cè)值較為吻合。侯策源等基于工程實(shí)例，對(duì)砂卵石復(fù)合地層采取地面注雙液漿及管棚預(yù)加固措施，發(fā)現(xiàn)在加固后盾構(gòu)掘刀盤(pán)扭矩和推力下降顯著，掘進(jìn)速度明顯提高，達(dá)到了預(yù)期加固效果。陳城等應(yīng)用FLAC 3D軟件模擬了水位上升后下穿既有隧道的沉降情況，發(fā)現(xiàn)水位上升后原有加固方案已不再滿足安全要求，繼而對(duì)注漿加固范圍進(jìn)行了優(yōu)化，以保證既有隧道安全穩(wěn)定。楊建周依托某穿越松散堆積體隧道，采用試驗(yàn)研究數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了松散堆積體隧道到快速掘進(jìn)施工方法，發(fā)現(xiàn)采用膏狀注漿材料加固松散體地層 ，可以使得松散堆積體中的塊石膠結(jié)，增加隧道施工圍巖變形穩(wěn)定，達(dá)到安全高效掘進(jìn)的施工目的。譚杰等依托三亞隧道穿越全風(fēng)化石英巖富水軟弱地層工程，根據(jù)施工采用的水平旋噴樁預(yù)加固方案，首先利用力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究了旋噴樁體的物理力學(xué)特性，并建立了三維數(shù)值分析模型，對(duì)水平旋噴預(yù)加固的效果及加固后所采用的施工方法進(jìn)行了比選分析。

上述研究大太注重工程實(shí)際施工方法，缺乏理論上的凝練，同時(shí)軟黏土這一特殊地層的研究較少。本文依托昆明新建地鐵4號(hào)線聯(lián)大街站-昆明南火車(chē)站區(qū)間隧道下穿既有車(chē)站（昆明地鐵1號(hào)線聯(lián)大街車(chē)站）工程，模擬了軟黏土地層中新建隧道開(kāi)挖對(duì)既有車(chē)站的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以期為相似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 新建隧道與既有車(chē)站位置

新建隧道為昆明地鐵4號(hào)線聯(lián)大街站與端頭井的連接部分，位于聯(lián)大路與彩云南路交叉路口地下，沿聯(lián)大路由東向西布置，采用CRD法暗挖下穿昆明地鐵1號(hào)線聯(lián)大街站（既有車(chē)站）。新建車(chē)站、新建隧道與既有車(chē)站位置關(guān)系如圖1 所示。

1.2 工程地質(zhì)、水文情況

工程勘探的最大探孔深度達(dá)73 m，擬建場(chǎng)地內(nèi)地下水埋深為5m，主要賦存有上層滯水、潛水、承壓水。既有車(chē)站周邊土層自上而下依次為①2素填土、②2粉質(zhì)黏土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、⑥1-2黏土、⑥2-2粉質(zhì)黏土。新建隧道地層主要在③1黏土、③2粉質(zhì)黏土層內(nèi)，并且部分位于潛水層中，由于潛水的存在，此處的黏土、粉質(zhì)黏土呈軟塑狀態(tài)，進(jìn)行下穿施工時(shí)易出現(xiàn)掌子面坍塌失穩(wěn)。同時(shí)由于新建隧道與既有車(chē)站平面垂直距離不足2 m，屬于超近距近接施工，經(jīng)識(shí)別屬特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

1.3 施工監(jiān)測(cè)情況

為保證下穿施工過(guò)程中既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）的要求，須分別在既有車(chē)站兩條軌道線路附近設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每條線路附近設(shè)11個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

2 有限元模型及參數(shù)選取

2.1 有限元模型的建立

基于勘察設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮到新建車(chē)站及隧道的影響范圍，Midas/GTS模型尺寸取300 m×200m×55 m 。新建隧道與既有車(chē)站模型圖如圖2所示。

2.2 土層參數(shù)

土層計(jì)算模型采修正摩爾-庫(kù)倫模型，屈服破壞準(zhǔn)則為von Mises準(zhǔn)則。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，確定土體物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

建模時(shí)，所有土體均采用實(shí)體單元模擬；既有車(chē)站結(jié)構(gòu)、隧道初期支護(hù)、隧道二襯采用板單元模擬；下穿施工地層加固體通過(guò)修改單元參數(shù)方法進(jìn)行處理。

2.3 注漿加固參數(shù)

新建隧道開(kāi)挖采用CRD法，開(kāi)挖斷面采用三重管高壓旋噴樁加固，水泥摻量30%，水灰比0.8。三重管高壓旋噴樁加固土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2；開(kāi)挖區(qū)四周加固土體范圍為新建隧道開(kāi)挖面邊緣向外擴(kuò)展2m。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

將新建隧道模擬開(kāi)挖完成后的出既有車(chē)站軌道線附近（參見(jiàn)圖1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比，見(jiàn)圖3。

由圖3可知：①既有車(chē)站位移曲線沒(méi)有像文獻(xiàn)中呈現(xiàn)為雙峰值曲線，而是單峰值位移曲線，這是因?yàn)檐?chē)站結(jié)構(gòu)剛度極大以及兩新建隧道距離較近的原因；②軌道線處的數(shù)值模擬沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降曲線較為吻合，軌道線處的沉降峰值與新建隧道左右線的中心略有偏移，這是因?yàn)樾陆ㄋ淼雷笥揖€不同步施工造成的；③數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的軌道處最大沉降值均小于規(guī)范限值（10 mm） ，兩軌道線處最大沉降數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)值誤差分別為4.2%和8.8%，這表明針對(duì)該工程所選用的模型和參數(shù)是較為合理的。

4 結(jié)論

（1）因?yàn)檐?chē)站結(jié)構(gòu)剛度極大以及兩新建隧道距離較近的原因，既有車(chē)站位移曲線是單峰值位移曲線。

（2）由于新建隧道左右線不同步施工，軌道線處的沉降峰值與新建隧道左右線的中心略有偏移。

（3）既有車(chē)站軌道線處的數(shù)值模擬沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降曲線較為吻合，這表明在模型、參數(shù)選取合理的前提下，數(shù)值模擬可對(duì)下穿施工有良好的指導(dǎo)作用。

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