陳志勇

(健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361100)

0 引言

地鐵隧道在越來(lái)越多的城市中建設(shè)，給市民帶來(lái)方便，同時(shí)具有緩解城市交通壓力，但新建地鐵隧道難免存在下穿既有鐵路、隧道、公路等情況。在新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道時(shí)，必然擾動(dòng)周邊巖土層，使應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巖土體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生隧道拱頂下沉、凈空收斂、地表不均勻沉降等。既有鐵路隧道亦產(chǎn)生變形、收斂、軌道面沉降等，當(dāng)結(jié)構(gòu)不均勻變形到達(dá)臨界強(qiáng)度時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂破壞，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)塌陷，從而影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

新建地鐵隧道下穿既有隧道會(huì)產(chǎn)生一系列變形，眾多學(xué)者研究淺埋隧道下穿既有隧道相互間變形規(guī)律。沈剛[1]利用MIDAS研究深圳地鐵新建盾構(gòu)隧道垂直下穿既有隧道相互影響機(jī)理；郭建寧等[2]利用三維有限元數(shù)值分析方法研究寧波地鐵隧道斜交下穿公路隧道對(duì)既有公路框架隧道的影響；梁建波[3]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬分析廣州新建盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線沉降影響。江華等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法分析北京新建盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有結(jié)構(gòu)工程誘發(fā)的車(chē)站結(jié)構(gòu)變形等。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)深埋隧道研究較少，雖然比起淺埋隧道影響較小，但在圍巖強(qiáng)度低、土質(zhì)不好等情況下仍然會(huì)誘發(fā)較大變形。

本文通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合方法，以廈門(mén)某礦山法深埋隧道下穿既有鐵路隧道位研究背景，分析隧道開(kāi)挖對(duì)上部鐵路隧道的變形情況以及新建地鐵隧道的變形規(guī)律，期為指導(dǎo)施工提供依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，保證隧道開(kāi)挖過(guò)程相互之間的安全穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

廈門(mén)某礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路隧道，與既有鐵路隧道的交角為28°，區(qū)間隧道左右線結(jié)構(gòu)頂距既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)底的距離約為38m。區(qū)間礦山法隧道鉆孔揭露巖層從上而下依次為：素填土、散體壯強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。隧道主要穿越地層為中風(fēng)化花崗巖。根據(jù)地勘資料和工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究范圍內(nèi)的區(qū)間隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖。隧道上部地表無(wú)其他建構(gòu)筑物。

1.2 深埋隧道界定及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定

研究范圍內(nèi)區(qū)間隧道埋深約為34m～81m，隧道開(kāi)挖直徑約7m，《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]對(duì)隧道埋深大于3倍的開(kāi)挖直徑，劃分為深埋隧道。不適用于采用地表沉降曲線Peck計(jì)算公式預(yù)測(cè)的方式對(duì)淺埋隧道劃分，建議對(duì)于影響區(qū)域的劃分參照接近度概念。因此，結(jié)合隧道埋深及周邊環(huán)境和相關(guān)地區(qū)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[6]對(duì)軌道交通地下工程影響范圍環(huán)境設(shè)施的相互鄰近程度及相互位置關(guān)系，推定該區(qū)間隧道地表“不接近”，屬于一般影響區(qū)外；其次，《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[7]對(duì)隧道埋深大于3倍隧道直徑，地表沉降可不必測(cè)。綜上，本次新建隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)H考慮隧道凈空收斂、拱頂沉降，未設(shè)置地表沉降監(jiān)測(cè)，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降由相關(guān)自動(dòng)化單位提供監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖及數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型中涉及的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)及工程地質(zhì)資料，模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型底面，考慮地鐵隧道開(kāi)挖影響范圍為(3～5)D，取x=y=100m，z方向高度根據(jù)實(shí)際地形取z=(57～112m)。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，存在1條既有隧道，中風(fēng)化花崗巖層按巖體強(qiáng)度等級(jí)分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖，各級(jí)圍巖按隧道掘進(jìn)方向長(zhǎng)度分別為25m、45m和30m；地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關(guān)系

2.3 隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響分析

新建地鐵隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖，在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交部位圍巖等級(jí)分別為Ⅳ級(jí)(鄰近Ⅳ、Ⅲ級(jí)圍巖交界面)、Ⅲ級(jí)(鄰近Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖交界面)(下稱(chēng)(右交、左交))。從圖2(a)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程既有鐵路結(jié)構(gòu)底板變形情況分析可知：

(1)在Ⅳ圍巖區(qū)間，即新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交這一區(qū)間，采用臺(tái)階法施工。臺(tái)階法施工有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定，尤其是上部開(kāi)挖支護(hù)后，可以通過(guò)初支限制圍巖的變形。從圖2(b)可以看出，在該區(qū)間既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降從0.85mm增加至1.15mm，在斜交處達(dá)到最大，說(shuō)明在Ⅳ圍巖地質(zhì)條件下地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路隧道產(chǎn)生一定沉降量。

(2)在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交之間的區(qū)間隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為了降低隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路隧道的影響，在下穿既有鐵路隧道部位前后30m范圍采用臺(tái)階法，其他部分為全斷面開(kāi)挖，從數(shù)值模擬的結(jié)果可知，Ⅲ級(jí)圍巖條件下，既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降趨于線性減少，從1.15mm降至0.60mm，說(shuō)明圍巖強(qiáng)度越高，隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路沉降影響降低。

(a)

A—新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道相交處B—新建地鐵隧道左線與既有鐵路隧道相交處(b)圖2 新建隧道開(kāi)挖開(kāi)挖過(guò)程中既有鐵路隧道底板結(jié)構(gòu)沉降變形情況

(3)在Ⅱ級(jí)圍巖區(qū)間，即左線與既有鐵路隧道斜交至最后部位，圍巖強(qiáng)度較好，采用全斷面開(kāi)挖方式，沉降量從0.65mm降至0.50mm，既有鐵路隧道受影響越來(lái)越小，一方面圍巖強(qiáng)度越來(lái)越好，另一方面隧道開(kāi)挖面與既有鐵路隧道距離越遠(yuǎn)。

(4)在隧道開(kāi)挖過(guò)程，既有鐵路隧道沉降位移云圖均勻，并沒(méi)有表現(xiàn)出不規(guī)則、突變情況。并且在Ⅳ圍巖強(qiáng)度，沉降最大為1.15mm。假定對(duì)既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降超過(guò)1.00mm為新建地鐵隧道對(duì)既有鐵路隧道的影響范圍，那么，影響范圍為新建隧道右線與既有鐵路隧道斜交處前后15m左右，即30m左右對(duì)既有鐵路隧道影響范圍。

2.4 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖凈空收斂變形分析

在數(shù)值模擬中?、艏?jí)圍巖、Ⅳ級(jí)(右交)、Ⅲ級(jí)(左交)、Ⅱ級(jí)圍巖，4個(gè)斷面來(lái)綜合分析新建地鐵隧道開(kāi)挖的變形規(guī)律。

從圖3的4個(gè)側(cè)墻位移云圖可以看出，4個(gè)斷面位移云圖最大位移分別為1.0mm、0.8mm、0.4mm、0.3mm，對(duì)應(yīng)的收斂位移值為2.0mm、1.6mm、0.7mm、0.5mm。新建隧道開(kāi)挖對(duì)凈空收斂變形較小，圍巖性質(zhì)越好，變形越小。新建隧道凈空收斂大小與圍巖強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，強(qiáng)度越高變形越小。

(a) (b)

(c) (d)圖3 Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖(右交)、Ⅲ級(jí)圍巖(左交)、Ⅱ級(jí)圍巖側(cè)墻位移云圖

2.5 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖拱頂沉降變形分析

(a) (b)

(c) (d)圖4 Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖(右交)、Ⅲ級(jí)圍巖(左交)、Ⅱ級(jí)圍巖拱頂沉降位移云圖

同分析隧道凈空收斂一樣，取相同部位的4個(gè)斷面(圖4)來(lái)分析新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道的沉降變形規(guī)律。從圖4可知，不同圍巖等級(jí)下新建隧道拱頂沉降最大位移為4.7mm、3.9mm、2.5mm、1.6mm，方向向下。新建地鐵隧道左右線拱頂沉降，在Ⅳ級(jí)圍巖下沉降量最大，Ⅱ級(jí)圍巖下沉降量最小，拱頂沉降變形規(guī)律同側(cè)墻變形規(guī)律：隨著圍巖強(qiáng)度的提高，隧道拱頂沉降變形越小，如表2所示。

表2 不同圍巖等級(jí)下各監(jiān)測(cè)項(xiàng)累計(jì)變形最大值

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道施工監(jiān)測(cè)運(yùn)用于隧道開(kāi)挖全過(guò)程，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接反饋隧道在初期支護(hù)下的變形大小，及時(shí)掌握施工過(guò)程出現(xiàn)的各種突變情況，以便確定和優(yōu)化下一步施工參數(shù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)預(yù)防可能出現(xiàn)的事故具有重要指導(dǎo)意義。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)主要監(jiān)測(cè)布設(shè)情況

根據(jù)工程地質(zhì)情況，對(duì)新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道部位左、右線各布設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在Ⅳ圍巖以及下穿既有鐵路隧道位置布設(shè)2對(duì)收斂線，1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)間距為10m/斷面；其他圍巖條件下布設(shè)1條收斂線和1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)間距為15m/斷面。

在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交前10m，左線與既有鐵路隧道斜交后10m，共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在上部既有鐵路襯砌結(jié)構(gòu)的拱腳處左右側(cè)各布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)12個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。布設(shè)情況如圖5所示。

圖5 新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

3.2 既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降分析

由于既有鐵路隧道受鐵路管控，從相關(guān)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)單位獲取數(shù)據(jù)并匯總?cè)鐖D6所示。從圖6可知，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降先增大后減少，在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交處沉降最大，最大沉降量為1.3mm；在Ⅱ級(jí)圍巖也就是在第六個(gè)監(jiān)測(cè)斷面既有鐵路隧道沉降最小，沉降量為0.4mm；在新建隧道開(kāi)挖初期，既有隧道結(jié)構(gòu)沉降量大于開(kāi)挖后期，表現(xiàn)出圍巖強(qiáng)度越高、沉降越小?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了模擬的可靠性與準(zhǔn)確性。

圖6 既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降累計(jì)值

3.3 新建地鐵隧道拱頂沉降變形分析

(a)

(b)圖7 新建地鐵隧道左線、右線拱頂沉降累計(jì)變化值曲線圖

圖7數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。由表3可見(jiàn)，隧道拱頂沉降累計(jì)最大值為6.2mm，右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：5.7mm、3.2mm，隨著圍巖強(qiáng)度的提高，變形越小?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬吻合。由于受施工現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)滯后、注漿滯后等施工因素影響，監(jiān)測(cè)值略大于模擬數(shù)據(jù)屬于正常情況。在隧道開(kāi)挖后期，受初期支護(hù)結(jié)構(gòu)作用，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定。

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)下新建地鐵隧道拱頂沉降變形最大值

3.4 新建地鐵隧道凈空收斂變形分析

圖8數(shù)據(jù)總結(jié)如表4所示。由表4可見(jiàn)，新建地鐵隧道在Ⅳ級(jí)圍巖收斂最大，最大值為4.81mm；右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：3.66mm、2.79mm。新建隧道變形表現(xiàn)出圍巖強(qiáng)度越高，變形越小。隧道凈空收斂的變形趨勢(shì)與數(shù)值模擬相似，受現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)、支護(hù)滯后、開(kāi)挖步距偏差、監(jiān)測(cè)儀器的誤差等，監(jiān)測(cè)值略大于模擬值屬于正常情況。隧道收斂在開(kāi)挖初期的1～2月基本完成隧道的收斂變形，在監(jiān)測(cè)后期，收斂趨于穩(wěn)定。

(a)

(b)圖8 新建地鐵隧道左線、右線凈空收斂累計(jì)值變化曲線

表4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)下新建地鐵隧道凈空收斂變形最大值

4 結(jié)論

為研究新建深埋地鐵隧道下穿既有鐵路隧道對(duì)既有鐵路結(jié)構(gòu)沉降的影響，以及下穿過(guò)程中新建地鐵隧道拱頂沉降、凈空收斂的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)深埋地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，總結(jié)如下：

(1)從模擬數(shù)據(jù)可知既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為1.15mm，并且在下穿部位都未出現(xiàn)突變等變化較大的情況，同時(shí)模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)高度吻合，而《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]對(duì)隧道結(jié)構(gòu)沉降變形控制值為3mm～10mm。因此，在Ⅱ級(jí)～Ⅳ級(jí)圍巖下深埋隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路隧道的影響較小。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果反應(yīng)出來(lái)的變形規(guī)律吻合，并且都表現(xiàn)為圍巖強(qiáng)度越高，變形越小。受現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)滯后、不可避免地存在注漿空洞缺陷、監(jiān)測(cè)儀器誤差等，圍巖強(qiáng)度等級(jí)越低現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形略大于模擬數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，Ⅳ級(jí)圍巖下的位移值約為Ⅲ圍巖變形值的2倍，因此，在深埋隧道施工中重點(diǎn)關(guān)注較低強(qiáng)度圍巖的安全穩(wěn)定，其次關(guān)注上部既有鐵路隧道等周邊環(huán)境的影響。