江凱

（中南林業(yè)科技大學，長沙410000）

1 引言

地鐵盾構(gòu)施工會經(jīng)常下穿地面既有建構(gòu)筑物，地鐵盾構(gòu)施工導致建構(gòu)筑物地下巖層、土體缺失，引起地鐵盾構(gòu)施工臨近結(jié)構(gòu)物內(nèi)力的重分布，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)、不均勻變形。因此，對地鐵盾構(gòu)施工下穿既有建構(gòu)筑物引起的變形進行監(jiān)測和預警是地鐵施工必需的工作流程。本研究結(jié)合長沙市軌道交通3 號線盾構(gòu)下穿京廣高鐵瀏陽河隧道的具體工程實踐，將有限元模型與自動化監(jiān)控相結(jié)合，研究地鐵盾構(gòu)隧道施工對臨高鐵隧道及其近結(jié)構(gòu)的影響，為地鐵盾構(gòu)施工下穿建構(gòu)筑物的引起的變形監(jiān)測和預警提供借鑒和參考。

2 工程概況

長沙市軌道交通3 號線的汽貿(mào)大道站—星沙大道站區(qū)間，左線長2200．220m；右線長2199．871m，盾構(gòu)下穿京廣高鐵瀏陽河隧道工程, 在京廣高鐵K1566+818 處以正交、直線、盾構(gòu)法施工下穿瀏陽河隧道, 對瀏陽河隧道范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道左、右線中心線外各30m，約80m 的范圍進行監(jiān)測，下穿京廣高鐵瀏陽河隧道段線間距約20m。

3 監(jiān)控方案

本項目采用測量機器人結(jié)合自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件的變形自動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，主要監(jiān)測無砟軌道結(jié)構(gòu)沉降和隧道整體沉降。測量機器人采用徠卡TM50 共計2 臺。在盾構(gòu)隧道施工期間24h 全自動測量隧道結(jié)構(gòu)、道床隧道軸向、橫向及垂直方向三維變形，并每隔6h 傳輸一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測區(qū)段總長度約80m，按5m 的間隔共布設(shè)17 個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面包括2 個隧道整體沉降點、2 個無砟軌道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點，共4 個監(jiān)測點。根據(jù)現(xiàn)場踏勘及設(shè)計資料，盾構(gòu)下穿段隧道在K1566+785.246、K1566+815.246 及K1566+845.246 位置處有變形縫，縫寬約10mm，在變形縫位置處加設(shè)監(jiān)測斷面，共計68 個監(jiān)測點。

4 有限元模型分析

4.1 有限元模型建立

本文使用Midas/GTS NX 軟件進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)盾構(gòu)隧道與京廣鐵路瀏陽河隧道的空間位置關(guān)系，建立三維有限元計算模型。數(shù)值計算中，模型尺寸長120m，寬120m，高度80m，土體采用實體單元，瀏陽河隧道及地鐵盾構(gòu)隧道均采用板單元模擬，其尺寸、屬性根據(jù)施工圖紙給定。計算模型中，瀏陽河隧道襯砌每隔30m 設(shè)置1 道環(huán)向變形縫，共設(shè)置3 道變形縫，采用實體填充。模型采用位移邊界，頂部上表面為自由邊界，其余各外表面法線方向的位移均受到約束。

4.2 基于空間動態(tài)下的隧道沉降變形特征分析

此次盾構(gòu)施工對高鐵隧道的影響劃分為3 個階段，即盾構(gòu)接近既有隧道、盾構(gòu)下穿既有隧道、盾構(gòu)遠離既有隧道。在模型設(shè)計初始階段取隧道整體沉降測點為對象進行研究。

如圖1 可見，本文研究了盾構(gòu)隧道下穿施工時的土體擾動情況，左線隧道施工完成后引起既有隧道發(fā)生沉降，此時，最大沉降位置位于2 條盾構(gòu)隧道正上方的變形縫處，高鐵隧道整體沉降曲面大致為“V”形，如圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)開挖完成后高鐵隧道整體沉降變化云圖

圖2 表示的是盾構(gòu)右線完成下穿后的沉降數(shù)值與盾構(gòu)左線完成下穿后的沉降數(shù)值的對比。由圖可知，由于左右線盾構(gòu)隧道的線間距約為20m，所以，當左線盾構(gòu)隧道施工完成后，高鐵隧道整體沉降的數(shù)值和范圍較右線完成下穿后都有一定程度的增加。從圖中可以看出，17#~31#段的高鐵隧道位于左線盾構(gòu)下穿的正上方，開挖前后沉降量變化比較大。隧道整體最大沉降值位置位于左右線盾構(gòu)隧道的上方，沉降最大值為1.72mm。

圖2 盾構(gòu)開挖過程中沉降變化圖

4.3 基于時間動態(tài)下的隧道沉降變形特征分析

盾構(gòu)開挖引起的隧道整體沉降本質(zhì)上是盾構(gòu)施工引起的土體損失累積造成的，為了研究盾構(gòu)施工過程中隧道整體沉降的動態(tài)過程，選取計算模型中瀏陽河隧道處9 號斷面作為目標面，繪制9 號斷面測點2（LYH9-2）處沉降與開挖面推進過程中的動態(tài)關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)開挖過程中高鐵隧道整體沉降變化圖

由圖3 可以看出，在開挖面到達目標面之前一定距離內(nèi)，目標面處地表已經(jīng)發(fā)生沉降了，隨著開挖面接近—通過—遠離目標面，在通過的過程中隧道整體沉降急劇增大。變化最劇烈的時候正是盾構(gòu)右線下穿高鐵隧道的時候，右線下穿完成后的沉降值為1.27mm，占最終沉降變形的70%。

4.4 模型計算與實測數(shù)據(jù)對比分析與討論

基于三維有限元模擬方法，對本文涉及的區(qū)間盾構(gòu)施工引起的高鐵隧道沉降進行計算，將計算結(jié)果與現(xiàn)場實測最終沉降值結(jié)果進行對比。圖4 為盾構(gòu)過程中9#斷面測點2 的沉降值的變化曲線對比圖，由圖可知：（1）盾構(gòu)施工和同步注漿及二次注漿對土體的擾動帶來了隧道結(jié)構(gòu)的變形。右線先行隧道盾構(gòu)掘進到靠近既有隧道時，既有隧道整體開始出現(xiàn)沉降，并且在下穿過程中沉降量急劇增大。先行隧道下穿完成后，模型計算沉降量最大達到1.27mm，現(xiàn)場實測為1.33mm。（2）左線盾構(gòu)隧道下穿過程中，既有隧道整體沉降量持續(xù)增大，但增長速率較右線盾構(gòu)下穿時要小很多。當左線盾構(gòu)隧道完成下穿后，模型計算隧道整體沉降量達到最大，為1.72mm，現(xiàn)場實測最大沉降量為1.91mm。

圖5 為盾構(gòu)開挖完成后隧道整體沉降變化曲線對比圖，由圖可知，模型計算曲線與現(xiàn)場實測曲線均在9#斷面即既有隧道中間變形縫附近產(chǎn)生最大沉降值。

二者擬合曲線趨勢基本吻合，2 種方法所得的高鐵隧道沉降曲線都能反映沉降變化特性。因此，計算模型提供的隧道沉降數(shù)據(jù)能夠使用于本項目。

圖4 盾構(gòu)開挖過程中沉降曲線變化圖

圖5 盾構(gòu)開挖過完成后隧道整體沉降曲線變化圖

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合實際工程，利用Midas/GTS NX 對盾構(gòu)施工近距離下穿高鐵隧道進行全過程仿真分析模擬，得出以下主要結(jié)論：

1）由盾構(gòu)施工全過程既有隧道的沉降位移圖可以看出，在先行隧道盾構(gòu)下穿既有隧道時，其位移增長速率最快；開挖完成以后，隧道的最大豎向位移達到-1.72mm?，F(xiàn)場實測盾構(gòu)開挖完成后既有隧道的最大豎向位移值為-1.91mm，均未超過-2mm，滿足高鐵運營維護要求，可保證高鐵隧道結(jié)構(gòu)及運營安全。同時，計算模型和監(jiān)控實測值相差不超過0.2mm，驗證了Midas/GTS NX 有限元模型在盾構(gòu)隧道下穿既有構(gòu)筑物施工過程中的正確性與合理性。

2）隧道整體沉降本質(zhì)上是盾構(gòu)施工引起的土體缺失累積造成的，在右線先行盾構(gòu)隧道下穿完成后，既有隧道沉降值達到最終沉降值的70%。左線盾構(gòu)隧道開挖過程中，沉降繼續(xù)發(fā)展，但沉降量在盾構(gòu)下穿后變化較小。可見，施工期間尤其是在先行隧道盾構(gòu)下穿正上方既有隧道的過程中，最容易出現(xiàn)沉降速率快，從而導致沉降超標的情況，此時，應加強對既有隧道的監(jiān)測，若出現(xiàn)沉降速率過快的情況，應盡快采取注漿等加固措施，保證隧道結(jié)構(gòu)和高鐵運營安全。