高太平 申健昊 閆建龍 李 剛 李昊炎 沈宇鵬

(1.中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司 天津 300011；2.北京交通大學(xué) 北京 100044)

1 引言

隨著各大城市地鐵線網(wǎng)越來(lái)越密集，新舊線路交叉穿越現(xiàn)象已越來(lái)越常見(jiàn)[1]。新建區(qū)間隧道、車站施工過(guò)程中，必然會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起圍巖應(yīng)力重分布[2]。其中，長(zhǎng)距離密貼下穿工程新建隧道-地層-既有結(jié)構(gòu)之間動(dòng)態(tài)相互關(guān)系較為復(fù)雜[3]，施工難度大、復(fù)雜程度高，有必要對(duì)此類工程實(shí)例進(jìn)行深入研究。

目前，對(duì)于區(qū)間隧道下穿既有結(jié)構(gòu)工程的研究已取得極大進(jìn)展。馮英會(huì)、杜文等[4-5]依托密貼下穿工程，將數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)下穿工程中既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行分析。祁文睿、李士中[6-7]以實(shí)際下穿工程為背景，通過(guò)仿真計(jì)算研究注漿技術(shù)的加固效果。鄧啟華、王建功等[8-9]結(jié)合實(shí)際下穿工程，對(duì)施工過(guò)程中采用的管棚注漿、扣軌加固等技術(shù)的效果進(jìn)行分析。

然而，上述研究以盾構(gòu)隧道穿越既有結(jié)構(gòu)居多，對(duì)于淺埋暗挖隧道長(zhǎng)距離大面積穿越既有結(jié)構(gòu)工程的研究相對(duì)較少。本文以北京地鐵19號(hào)線區(qū)間隧道密貼下穿既有4號(hào)線新宮站工程為背景，采用Midas/GTS有限元軟件對(duì)下穿施工全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，利用第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而分析既有結(jié)構(gòu)的沉降變形特征。

2 工程概況

北京地鐵19號(hào)線四線區(qū)間隧道下穿既有4號(hào)線新宮站項(xiàng)目，正線隧道在中間，兩條出入線隧道分布兩側(cè)。區(qū)間隧道從既有站西側(cè)盾構(gòu)井始發(fā)，自西向東下穿既有車站后到達(dá)新建19號(hào)線新宮站。下穿工程平面示意圖如圖1所示。

圖1 下穿工程平面示意

區(qū)間隧道共有三種斷面形式，下穿段西側(cè)C型為兩小凈距并行拱頂直墻隧道，寬6.5 m，高9.06 m；為達(dá)到“零距離”下穿的目的，下穿段B型為大斷面平頂直墻隧道，寬13.5 m，高8.46 m；下穿段東側(cè)A型為大斷面拱頂直墻隧道，寬13.8 m，高10.85 m。出入線為左、右兩馬蹄形隧道，寬7.07 m，高7.08 m，下穿工程剖面圖如圖2所示。

既有4號(hào)線新宮站為地下雙層明挖六跨五柱框架結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)度360.15 m(僅取下穿影響范圍內(nèi)既有車站進(jìn)行研究)，寬度為40.9 m，底板埋深約16.58 m，頂板平均覆土厚度約3.2 m。既有站東、西兩側(cè)分別設(shè)1號(hào)、2號(hào)緊急疏散口，斷面尺寸均為4.3 m×5 m。新宮站東、西兩側(cè)布設(shè)直徑1 m間距1.6 m的圍護(hù)樁，樁長(zhǎng)23 m；兩緊急疏散口周圍布設(shè)直徑0.8 m間距1.6 m的圍護(hù)樁，樁長(zhǎng)13 m。隧道施工過(guò)程中對(duì)開(kāi)挖范圍內(nèi)的既有站圍護(hù)樁進(jìn)行破除，破除范圍為6 m。

圖2 下穿工程剖面圖

本工程下穿長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)47 m，下穿段新建隧道拱頂與既有站底板凈距僅為0.22 m，為典型的長(zhǎng)距離大面積密貼下穿工程。新建隧道洞身圍巖主要為卵石圓礫地層，然而，卵石圓礫地層具有膠結(jié)性弱、靈敏度高、受擾動(dòng)后自穩(wěn)性差等特點(diǎn)，施工過(guò)程中極易引起既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沉降變形[10]。為控制既有結(jié)構(gòu)沉降，隧道開(kāi)挖過(guò)程中使用全斷面后退式深孔注漿技術(shù)對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在查閱地鐵運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)出臺(tái)的規(guī)范及相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，對(duì)下穿施工中既有結(jié)構(gòu)變形限值整體匯總?cè)绫?所示。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)及軌道變形控制指標(biāo)

根據(jù)表1規(guī)定，在不超出限值的前提下，選取既有車站結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降作為評(píng)判既有結(jié)構(gòu)安全性的標(biāo)準(zhǔn)。

4 下穿過(guò)程既有車站的模型建立

4.1 模型建立

模型寬度為區(qū)間A、B、C型隧道的總長(zhǎng)100 m；新建隧道外邊緣至模型邊界距離為開(kāi)挖洞徑的3～5倍；模型上表面取至地表，新建隧道下邊緣至模型底部距離為開(kāi)挖洞徑的2倍，最終確定模型總尺寸為120 m×100 m×40 m。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料可將場(chǎng)地土層分為8層，均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)。既有車站頂板、中樓板、底板，新建隧道初支、二襯、臨時(shí)仰拱等結(jié)構(gòu)均通過(guò)“析取”命令采用二維板單元模擬。既有站柱、既有站及緊急疏散口圍護(hù)樁采用一維線單元模擬，且對(duì)圍護(hù)樁施加底部約束限制其RZ方向的旋轉(zhuǎn)，所有支護(hù)結(jié)構(gòu)及既有結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)。

通過(guò)“改變屬性”命令賦予地層注漿加固后土體屬性實(shí)現(xiàn)注漿加固的模擬。加固后土體相關(guān)參數(shù)通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[12-13]的研究確定。模型頂部為自由面，對(duì)底部及側(cè)面施加位移約束限制其位移。地層及材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地層及材料力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬工序

下穿段隧道截面可進(jìn)行如圖4所示的劃分。

圖4 B型隧道截面劃分

根據(jù)實(shí)際施工階段確定模擬工序如表3所示。

表3 施工模擬工序

4.3 模型驗(yàn)證

施工過(guò)程中，第三方對(duì)既有站道床沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖5所示。為便于模型驗(yàn)證及后續(xù)沉降分析，在模型上選取典型測(cè)點(diǎn)及截面。其中，截面B為既有站長(zhǎng)度方向中位線，截面A為B型隧道中線在既有站底板對(duì)應(yīng)位置，O點(diǎn)為上述兩截面在既有站底板上的交點(diǎn)，典型截面位置如圖6所示。

圖5 既有站道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

圖6 既有站底板典型截面

通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)DJC308及截面C各測(cè)點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證模型的可靠性，對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 沉降值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

分析圖7可得，模擬值與實(shí)測(cè)值并不完全一致，除個(gè)別點(diǎn)數(shù)值差距較大外，其余點(diǎn)誤差較小，在可接受范圍之內(nèi)，且兩者具有相同的變化趨勢(shì)?？紤]到實(shí)際施工較為復(fù)雜，影響變形的因素較多，可認(rèn)為用Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬是可靠的。

4.4 結(jié)果分析

4.4.1 既有車站結(jié)構(gòu)沉降變形

各施工階段沉降占累計(jì)沉降量條形圖如圖8所示，施工全過(guò)程中既有站底板O點(diǎn)沉降變化曲線如圖9所示。

由圖易得，既有站東、西兩側(cè)A型、C型隧道土體開(kāi)挖及初期支護(hù)對(duì)既有站的影響較小，既有站底板在此兩階段的沉降變化曲線近似為一條直線。

圖8 各階段沉降占比條形圖

圖9 施工全過(guò)程O(píng)點(diǎn)沉降變化曲線

既有站沉降變形集中發(fā)生在下穿段B型及兩側(cè)出入線隧道施工過(guò)程中，且土體開(kāi)挖及初期支護(hù)造成既有站底板沉降回升甚至略微隆起，分析原因是開(kāi)挖過(guò)程中施作的初期支護(hù)與圍巖形成了剛度較大的地下體系所致，同時(shí)，開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地層進(jìn)行全斷面深孔注漿也會(huì)導(dǎo)致既有站底板出現(xiàn)一定程度隆升。而在下穿段隧道二襯結(jié)構(gòu)施作過(guò)程中，臨時(shí)仰拱、臨時(shí)中隔壁等支護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除使得之前形成的支承體系剛度迅速下降，從而導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)沉降變形逐漸增大。

為進(jìn)一步對(duì)下穿段B型及兩側(cè)出入線隧道施工過(guò)程中既有站結(jié)構(gòu)的沉降變形特征進(jìn)行分析，繪制既有站底板沉降槽曲線如圖10所示。

圖10 施工過(guò)程中既有站底板沉降槽

分析圖10可知:區(qū)間及兩側(cè)出入線隧道下穿既有站過(guò)程中，區(qū)間左、右線、中線、出入線二襯施工引起的既有站沉降變形最大，5、6導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的既有站沉降變形次之，1、2、3、4導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的既有站沉降變形最小。其中，導(dǎo)洞土體開(kāi)挖后A、B截面沉降槽變形趨勢(shì)一致，而左右線、中線二襯施作完成后A、B截面沉降槽具有大致相同的變形趨勢(shì)。下穿過(guò)程中既有站結(jié)構(gòu)最大沉降并未超過(guò)3 mm的限值，可認(rèn)為采用此種施工方案可以確保既有結(jié)構(gòu)在下穿施工過(guò)程中的安全。

4.4.2 緊急疏散口沉降變形

施工全過(guò)程中既有站東、西兩側(cè)緊急疏散口最大沉降變化曲線如圖11所示。

圖11 施工全過(guò)程緊急疏散口沉降變化圖

由圖11可得:由于緊急疏散口位于既有站東西兩側(cè)位置，下穿段B型及兩側(cè)出入線隧道施工對(duì)其影響不大，兩疏散口在下穿施工過(guò)程中沉降變化曲線近似為一條直線。然而，西側(cè)2號(hào)緊急疏散口沉降變形集中發(fā)生在既有站西側(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，東側(cè)1號(hào)緊急疏散口沉降變形集中發(fā)生在既有站東側(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中。實(shí)際施工過(guò)程中，對(duì)既有站東、西兩側(cè)隧道開(kāi)挖時(shí)需采取相關(guān)措施控制疏散口沉降。從圖中可以看出，兩疏散口最大沉降變形均未超過(guò)3 mm的限值，再一次驗(yàn)證了實(shí)際施工方案可以確保既有結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)采用平頂直墻隧道密貼下穿既有車站方案可行。施工過(guò)程中采用全斷面注漿技術(shù)加固地層可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形。

(2)既有站沉降變形集中發(fā)生在下穿段隧道施工過(guò)程中，下穿段隧道二襯施作引起的既有站沉降最大，施工過(guò)程中既有站沉降變形并未超過(guò)3 mm的限值。

(3)既有站西側(cè)疏散口沉降變形集中發(fā)生在西側(cè)隧道施工過(guò)程中，東側(cè)疏散口沉降變形集中發(fā)生在東側(cè)隧道施工過(guò)程中，兩者沉降變形均未超過(guò)3 mm的限值。