魏英華

（北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，北京 100037）

隨著城市軌道交通的日益發(fā)展，新舊地鐵軌道間的交叉橫錯(cuò)在所難免，如何兼顧新建隧道與已建隧道的變形控制是工程建設(shè)中的重要難題［1-2］。因此，處理好在建隧道對既有隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律及其沉降防護(hù)安全措施對于現(xiàn)有隧道的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)工程意義。盾構(gòu)施工已在城市地鐵隧道施工中廣泛應(yīng)用。張冬梅等［1］基于土體變形連續(xù)性的Kerr地基梁理論，通過盾構(gòu)施工研究了上方已建隧道的縱向變形。楊成永等［2］以北京地鐵14 號線隧道近距離下穿地鐵15號線隧道工程為例，總結(jié)隧道沉降規(guī)律并提出相應(yīng)的沉降控制措施。馬健等［3］研究了杭州地鐵4 號線下穿1號線的隧道變形并探討了現(xiàn)有隧道的變形與盾構(gòu)掘進(jìn)相對位置、角度的關(guān)系。陳城等［4］對北京新建地鐵8 號線下穿10 號線施工中的注漿加固范圍進(jìn)行了研究。張利濤［5］對重慶地鐵4 號線下穿既有3 號線，考慮開挖方法、支護(hù)情況、兩洞掌子面間距和每次開挖進(jìn)尺等參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法分析了新建地鐵隧道下穿既有運(yùn)營隧道施工對既有隧道的影響。王立新等［6］研究了西安黃土地區(qū)地鐵5 號線盾構(gòu)隧道下穿既有2 號線隧道影響規(guī)律。張濤等［7］通過研究雙洞隧道下穿施工引起既有隧道沉降，得出了下穿工程中雙洞隧道最優(yōu)間距的確定原則和沉降曲線的變化規(guī)律。牛曉凱等［8］對北京地鐵15 號線奧林匹克公園站下穿既有大屯路公路隧道的方案進(jìn)行了比選和論證。袁金秀等［9］通過對北京地鐵6 號線下穿既有4 號線區(qū)間盾構(gòu)隧道施工技術(shù)進(jìn)行了論證。劉樹佳等［10］通過數(shù)值模擬研究凈距、注漿量、土倉壓力對既有管片變形的影響，提出多線疊交隧道施工影響系數(shù)的概念。汪小兵［11］研究了注漿控制對隧道沉降的影響。以上研究對開挖施工方案比選論證的研究較多，對北京城區(qū)地層條件下的雙線盾構(gòu)穿越施工影響下既有盾構(gòu)隧道的沉降規(guī)律研究較少。

鑒于此，本文以雙線盾構(gòu)隧道新建地鐵16號線下穿4 號線為工程背景，通過數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場監(jiān)測研究既有隧道的變形規(guī)律，給出安全性評估結(jié)論并提出有效的應(yīng)對措施，為北京地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程概況

地鐵16 號線途經(jīng)海淀區(qū)、西城區(qū)及豐臺區(qū)，線路全長26.10 km，其中西苑站—萬泉河橋站區(qū)間隧道需下穿地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道。由西苑站出站后以向下25‰的坡度下穿地鐵4 號線區(qū)間，其覆土在23.9～30.5 m，下穿4 號線段平面曲線半徑為350 m。新建16 號線區(qū)間隧道覆土約23.7 m，采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑6.4 m，管片厚0.3 m，左右線間距約18 m，下穿處軌面標(biāo)高約16.962 m。隧道所在地層為⑦卵石層，其最大粒徑100 mm。既有地鐵4 號線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，管片厚度為0.3 m，左右線間距約14.5 m，與新線路相交處軌面標(biāo)高約為27.288 m，既有盾構(gòu)隧道覆土約為13.5 m，盾構(gòu)區(qū)間所在地層為⑥2粉土地層。下穿地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道，新建隧道與既有隧道的平面交角約47°，新建隧道頂與既有隧道底凈距約4.0 m。地鐵16 號線與地鐵4 號線區(qū)間隧道相對剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)下穿4號線處剖面示意

2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和施工方案，采用MIDAS/GTS 軟件對隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行預(yù)測分析。

2.1 力學(xué)模型與參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型上邊界為地表，豎向共取60 m，與區(qū)間隧道平行方向取200 m，與區(qū)間隧道垂直方向取190 m。由此建立的有限元計(jì)算模型如圖2 所示。地表取為自由邊界，其他5 個(gè)面均約束其法向變形。模型共劃分了42 529 個(gè)單元，計(jì)19 700 個(gè)節(jié)點(diǎn)。地面超載按20 kPa考慮。

圖2 有限元計(jì)算模型

計(jì)算中采用不同的本構(gòu)模型模擬不同的材料，對于混凝土材料采用線彈性模型，而各層土體采用Mohr-Coulomb 模型。盾構(gòu)管片采用二維板單元模擬。模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。其中各地層參數(shù)按照地質(zhì)勘察資料選取。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工設(shè)計(jì)資料，數(shù)值計(jì)算模擬按照如下步驟進(jìn)行：①生成模型，計(jì)算初始地應(yīng)力，初始位移清零；②開挖承臺基坑，同時(shí)施作基坑支護(hù)；③在基坑底部施工鉆孔灌注樁及托換承臺；④分步開挖右線隧道土體，邊開挖邊施作管片；⑤分步開挖左線隧道土體，邊開挖邊施作管片；⑥回填基坑至地面。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板左線和右線的變形曲線見圖3?？芍?，地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移以負(fù)值為主，表明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了下沉，最終沉降累計(jì)曲線呈W 形。沉降最大值為2.85 mm，發(fā)生在區(qū)間隧道左線與穿越部位相對應(yīng)的底板。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的x向位移最大值為0.27 mm，y向位移最大值為0.35 mm，都在安全控制范圍之內(nèi)。

圖3 既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板變形曲線

地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖4?？芍簒方向的最大應(yīng)力變化值為109.6 kPa，變化幅度為4.3%，y方向的最大應(yīng)力變化值為107.9 kPa，變化幅度為4.2%，xy方向的最大應(yīng)力變化值為11.7 kPa，變化幅度為1.8%。隨著地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道施工，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較小，計(jì)算所得應(yīng)力最大值為1 266.0 kPa，墻厚0.3 m，按1.2 m 寬度考慮，C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，16 根鋼筋直徑18 mm，驗(yàn)算結(jié)果如下：鋼筋混凝土抗拉承載力 1.27×106×1.2×0.3=0.46×106＜1.2×0.3×1.89×106+16×（π/4）×182×300=1.90×106（鋼筋混凝土抗拉承載力設(shè)計(jì)值），既有地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

圖4 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（單位：kPa）

3 現(xiàn)場施工與監(jiān)測結(jié)果分析

為保證既有地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間在穿越施工過程中的運(yùn)營安全，對既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)化及人工監(jiān)測2 種監(jiān)測手段。既有地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5 所示。地鐵16 號線工程西苑站—萬泉河橋站區(qū)間盾構(gòu)下穿地鐵4 號線區(qū)間隧道自2016 年05 月15 日開始下穿既有地鐵4 號線。截止2016 年8 月31 日施工已完成。初始值采集時(shí)間為2016 年05 月15 日，截止2017 年06月11日測量工作全部結(jié)束。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)平面示意

3.1 結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)分析

經(jīng)監(jiān)測可知，地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結(jié)構(gòu)沉降最大點(diǎn)為S09，累計(jì)沉降1.84 mm，未達(dá)到預(yù)警值。距中心較遠(yuǎn)處測點(diǎn)的沉降變化很小，離穿越中心越近的測點(diǎn)，沉降越大。如測點(diǎn)S105是地鐵4號線測量結(jié)構(gòu)沉降的有代表性的監(jiān)測點(diǎn)。在盾構(gòu)穿越前，結(jié)構(gòu)有輕微的上浮，之后右線盾構(gòu)穿越導(dǎo)致沉降快速增加，右線穿越后沉降達(dá)到峰值1.84 mm。左線盾構(gòu)穿越前，結(jié)構(gòu)上浮，沉降減小，左線盾構(gòu)穿越導(dǎo)致沉降增加，穿越后沉降達(dá)到峰值1.86 mm。沉降峰值均在控制范圍之內(nèi)，與前一節(jié)計(jì)算得出的規(guī)律一致。

地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結(jié)構(gòu)沉降時(shí)程曲線見圖6?？芍弘S著右線隧道的掘進(jìn)，受盾構(gòu)機(jī)頂推力的影響，既有隧道會(huì)有輕微的上浮，盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)沉降逐漸增大，沉降最大值在新建隧道的正上方，沉降曲線呈V 形。隨著左線隧道的掘進(jìn)，既有隧道的沉降增大，最終沉降曲線呈W 形，其峰值分別出現(xiàn)在新建隧道左右線的正上方，盾構(gòu)穿越后沉降曲線趨于平穩(wěn)。

圖6 區(qū)間隧道上行結(jié)構(gòu)沉降時(shí)程曲線

沉降計(jì)算值與實(shí)測值的對比見圖7?？芍?條沉降曲線的變化規(guī)律大致相同。距穿越中心的距離越近，沉降越大；距穿越中心的距離越遠(yuǎn)，沉降越小。通過計(jì)算值與實(shí)測值的對比得出的規(guī)律與前面沉降結(jié)果相同，說明數(shù)值模擬效果較好。

圖7 沉降計(jì)算值與實(shí)測值的對比

3.2 結(jié)構(gòu)水平位移分析

經(jīng)監(jiān)測得出，地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上下行最大累計(jì)水平位移變化量分別為0.35，0.39 mm，上下行結(jié)構(gòu)水平位移人工監(jiān)測點(diǎn)變化未達(dá)到預(yù)警值，均在控制值以內(nèi)，最后100 d 變化最大值為0.06 mm，沉降趨于平穩(wěn)。西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結(jié)構(gòu)水平位移時(shí)程曲線見圖8?？芍航Y(jié)構(gòu)水平位移各測點(diǎn)呈現(xiàn)的變化趨勢大致相同，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，受頂推力的影響，結(jié)構(gòu)位移增大，盾構(gòu)穿越時(shí)水平位移減小，盾構(gòu)穿越結(jié)束后，水平位移趨于平穩(wěn)。

圖8 區(qū)間隧道上行結(jié)構(gòu)水平位移時(shí)程曲線

4 施工控制措施

通過以上分析可知，結(jié)構(gòu)沉降是影響既有隧道安全的至關(guān)重要的因素。為確保盾構(gòu)穿越時(shí)既有隧道的安全，須要采取以下措施：

1）掘進(jìn)過程中的控制措施。嚴(yán)格以土壓平衡狀態(tài)下的土壓力計(jì)算值為盾構(gòu)掘進(jìn)施工的土壓設(shè)定值。嚴(yán)格以理論出土量為盾構(gòu)棄土控制值，每環(huán)出土量偏差不得超過2 m3。避免大幅度的軸線糾偏動(dòng)作。及時(shí)同步注漿且足量。在此地段掘進(jìn)加強(qiáng)地面隆起、沉降檢測，及時(shí)分析數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和注漿壓力。

2）盾構(gòu)下穿掘進(jìn)的方向控制措施。采用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測。采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。

3）盾構(gòu)下穿掘進(jìn)中的姿態(tài)調(diào)整與糾偏應(yīng)急措施。分區(qū)操作推進(jìn)油缸來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，糾正偏差，將盾構(gòu)機(jī)的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍內(nèi)。當(dāng)滾動(dòng)偏差超限時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動(dòng)偏差。盾構(gòu)推進(jìn)中應(yīng)嚴(yán)格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為-50～+50 mm，發(fā)現(xiàn)偏離應(yīng)逐步糾正不得猛糾硬調(diào)。

4）在盾構(gòu)下穿過程中既有線沉降變化的應(yīng)急處理措施。在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)預(yù)警區(qū)時(shí)，監(jiān)測到4 號線監(jiān)測點(diǎn)沉降有變化，應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，在掘進(jìn)過程中向土倉內(nèi)加量注入泡沫劑、膨潤土等。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)穿越段時(shí)，監(jiān)測到4 號線內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)沉降有變化時(shí)應(yīng)采取增大同步注漿量，控制二次注漿，可通過盾體上聚氨酯孔壓注聚氨酯形成止水環(huán)箍，共同起到控制既有隧道沉降作用。盾構(gòu)機(jī)完成下穿4號線施工后，監(jiān)測到4號線內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)沉降有變化時(shí)應(yīng)提高同步注漿壓力，加大同步注漿量，使管片背后盡量填充飽滿。

5 結(jié)論

本文結(jié)合北京地鐵16 號線西苑站—萬泉河橋站區(qū)間盾構(gòu)下穿地鐵4 號線區(qū)間隧道工程，研究了雙線盾構(gòu)隧道下穿對既有隧道變形的影響，通過實(shí)際監(jiān)測及有限元計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）通過數(shù)值計(jì)算得出的盾構(gòu)推進(jìn)過程中既有隧道沉降規(guī)律與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果較為吻合。

2）經(jīng)計(jì)算，既有地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道左線和右線結(jié)構(gòu)底板的變形都在安全控制范圍之內(nèi)，且既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

3）距離穿越中心越近的測點(diǎn)沉降越大，其峰值出現(xiàn)在新建隧道左右線的正上方。

4）為保障既有隧道在盾構(gòu)穿越時(shí)的安全，分別提出掘進(jìn)控制措施、方向控制措施、糾偏措施以及沉降過大時(shí)的應(yīng)急處理措施，保障盾構(gòu)穿越時(shí)既有隧道的安全。