高剛剛

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地鐵數(shù)量及規(guī)模得到空前發(fā)展。由于受到城市地下空間資源有限、地下建(構(gòu))筑物數(shù)量增多、地質(zhì)條件與工程環(huán)境條件日益復(fù)雜等因素的影響，新建城市地鐵隧道近接既有建(構(gòu))筑物的現(xiàn)象日益增多。

文獻(xiàn)[1-6]對盾構(gòu)下穿既有隧道這一問題已經(jīng)有了一定的研究，然而，目前已有研究中存在以下問題：(1)對于盾構(gòu)隧道下穿公路框架隧道的研究較少；(2)研究多集中于隧道正交下穿對于上部隧道的影響，而實(shí)際中隧道正交下穿的情況較少；(3)對于下穿施工不同階段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技術(shù)參數(shù)影響的研究相對較少。本文以杭州地鐵五號線浙三區(qū)間斜交下穿紫金港路隧道工程為依托，研究了既有市政隧道受雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿時的變形規(guī)律，以及注漿壓力和地層加固措施的影響規(guī)律。

1 工程概況

杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港隧道，新建隧道與既有隧道之間的空間相對關(guān)系如圖1、圖2所示，隧道頂與紫金港隧道底部凈距約4 m，紫金港隧道為市政公路隧道，結(jié)構(gòu)為矩形框架混凝土結(jié)構(gòu)，明挖法施工，盾構(gòu)通過范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，內(nèi)部型鋼已全部拔除，已預(yù)留盾構(gòu)通過條件。為了減小地鐵盾構(gòu)隧道的施工對紫金港路隧道的影響，在紫金港路隧道施工期間，已經(jīng)對隧道底部地層進(jìn)行了三軸水泥土攪拌樁加固，樁長6 m。

圖1 盾構(gòu)下穿紫金港隧道總平面

圖2 盾構(gòu)下穿紫金港隧道剖面(單位：m)

2 計算說明

2.1 計算模型

本章采用Flac3d軟件進(jìn)行三維建模計算，模型長108 m，寬91 m，高52.8 m，地鐵區(qū)間隧道拱頂埋深為19.1 m，紫金港路隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深為3.3 m，底板埋深為15.3 m，地鐵區(qū)間隧道拱頂與紫金港路隧道結(jié)構(gòu)底板之間的距離約為3.8～4.0 m，地鐵區(qū)間隧道中心線與紫金港路隧道中心線交角約為51 °，三維計算模型如圖3所示。

圖3 三維計算模型(單位：m)

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)勘察報告中給出的地層物理力學(xué)參數(shù)建議值和部分規(guī)范、文獻(xiàn)中給出的地層參考建議值，確定基于Mohr-Coulomb模型的各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，根據(jù)前人的研究成果，計算中彈性模量一般取壓縮模量的2～5倍，本模型取3.5倍。有關(guān)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)按規(guī)范取值如表2所示，本模型管片的整體剛度折減系數(shù)為0.8。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

盾構(gòu)開挖時，注漿壓力和土倉壓力用等效荷載代替。由于本章研究中隧道埋深不變，所以土倉壓力(即掌子面等效平衡荷載)保持不變，為0.2 MPa。每次開挖1環(huán)(即1.2 m)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬示意如圖4所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道下穿既有市政隧道的施工影響規(guī)律

3.1.1 沿新建盾構(gòu)隧道走向的沉降規(guī)律

J6-1～J6-6監(jiān)測點(diǎn)為既有隧道結(jié)構(gòu)上沿左線中心線布置的(圖1、圖2)。注漿壓力為0.15MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J6-1～J6-6監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖5所示。由圖5可以看出，左線開挖時，監(jiān)測點(diǎn)的沉降值隨著掌子面的推進(jìn)在逐漸增大，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后，監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榧扔惺姓淼赖拇嬖冢沟孟麓┒蔚乃翂毫p小，相當(dāng)于覆土厚度減小。由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點(diǎn)的變形并不大，J6-1～J6-2監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形較J6-3～J6-6監(jiān)測點(diǎn)的大，說明紫金港路主隧道的抵抗變形能力比匝道的大。右線開挖時，監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

圖5 左右線開挖時，J6-1～J6-6監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

3.1.2 沿既有市政隧道走向的沉降規(guī)律

J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)為匝道結(jié)構(gòu)上沿走向布置的，注漿壓力為0.15 MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖6所示。由圖6可以看出，左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與左線中心線的水平距離增大而減小，監(jiān)測點(diǎn)位移值的拐點(diǎn)可以反映出監(jiān)測點(diǎn)的變形趨勢并非相同的，而是根據(jù)與掌子面的走向距離越近的越早出現(xiàn)。當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后，監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定，由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點(diǎn)的變形并不大。右線開挖時，監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似，且最終變形較小。

圖6 左右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

由圖7可以看出，左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與左線中心線(x=-6.5m)的水平距離增大而減小。由圖8可以看出，右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與右線中心線(x=6.5m)的水平距離增大而減小。

圖7 左線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

圖8 右線開挖時，J1-1～J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

3.2 注漿壓力對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

J6-1監(jiān)測代表點(diǎn)在不同注漿壓力及地層加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，左線開挖時，在注漿壓力為0.15 MPa下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)先發(fā)生沉降，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)(26環(huán))之后，監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定，最終變形值為-0.25 mm；在注漿壓力為0.20 MPa下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)先發(fā)生沉降，但沒有0.15 MPa的明顯，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后，監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定，最終變形值為0.4 mm；在注漿壓力為0.25 MPa下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)一開始就表現(xiàn)為上浮，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后，監(jiān)測點(diǎn)上浮的趨勢更明顯，最終趨于穩(wěn)定，變形值約為0.7 mm；在注漿壓力為0.30 MPa下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)的變形規(guī)律與0.25 MPa的類似，最終變形值為0.9 mm。右線開挖時，監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

圖9 左右線開挖時，J6-1監(jiān)測點(diǎn)在不同注漿壓力下的豎向變形

3.3 地層加固對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

J6-1監(jiān)測代表點(diǎn)在注漿壓力為0.15 MPa及地層加固與不加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，左線開挖時，在地層加固條件下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為-0.7 mm，最終變形值為-0.25 mm；在地層不加固條件下，J6-1監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為-0.9 mm，最終變形值為-0.55 mm，與地層加固條件下的變形值相比，分別增大了28.5 %、120 %。右線開挖時，J6-1監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形，與地層加固條件下的變形值相比，分別增大了58.3 %、225 %。

圖10 左右線開挖時，J6-1監(jiān)測點(diǎn)在地層加固與不加固條件下的豎向變形

根據(jù)圖5可知，既有市政隧道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道開挖過程中發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。地層在加固和不加固條件下，既有市政隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形放大圖如圖11、圖12所示，對于混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形將會對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生極為不利的影響，嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂，影響其的正常使用和耐久性。由圖11、圖12可知，在地層采取三軸水泥土攪拌樁加固之后，減小了既有市政隧道結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

圖11 地層加固條件下，左線開挖時J6-1～J6-6監(jiān)測點(diǎn)斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位：mm)

圖12 地層未加固條件下，左線開挖時J6-1～J6-6監(jiān)測點(diǎn)斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位：mm)

4 結(jié)論

以杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港路隧道為工程背景，采用均布環(huán)向注漿力和等代層模擬盾尾同步注漿，研究了盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿紫金港路隧道對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，分析了注漿壓力及地層加固與否等因素對既有市政隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)既有市政隧道的豎向變形值隨著掌子面的推進(jìn)在下沉，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后，監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并最終趨于穩(wěn)定，由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，所以既有隧道結(jié)構(gòu)的變形并不大，匝道的豎向變形較紫金港路主隧道的大。既有隧道結(jié)構(gòu)的變形最大值隨著與盾構(gòu)線路中心線的水平距離增大而減小。

(2)既有市政隧道的豎向變形值會隨著注漿壓力的增大而增大，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合非下穿段的地表沉降值，建議盾構(gòu)在非下穿段采用0.3 MPa的注漿壓力，在下穿段采用0.15 MPa的注漿壓力。

(3)既有市政隧道的豎向變形值會因?yàn)榧扔惺姓淼赖撞康貙硬扇∪S水泥土攪拌樁加固措施而減小。采取地層加固措施既提高了既有市政隧道底部地基的承載力，又減小了盾構(gòu)區(qū)間隧道與既有市政隧道之間在施工及運(yùn)營期間的相互影響。