高太平,閆建龍,申健昊,李 剛,李昊炎,沈宇鵬

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司第三建設(shè)有限公司,天津 300011； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

引言

近年來(lái)，各大城市都在如火如荼地建設(shè)城市軌道交通系統(tǒng)，地鐵由于其運(yùn)量大、對(duì)環(huán)境污染小、速度快等優(yōu)點(diǎn)而成為城市軌道交通的先驅(qū)[1]。隨著地鐵線網(wǎng)越來(lái)越密集，新建線路和既有線路的交叉穿越已成為必然。地鐵穿越工程由于其施工復(fù)雜且引起的既有線沉降變形較大，而在《北京市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系》中被列為唯一的“特級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程”[2]。在區(qū)間隧道下穿既有車站工程中，為達(dá)到“零距離”密貼下穿的目的，區(qū)間隧道多采用平頂直墻形式[3]。然而，由于其不利于形成土拱，初支拆除、二襯施作過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換相對(duì)復(fù)雜，施工具有較大難度和風(fēng)險(xiǎn)，易引起既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沉降變形。選擇合理的隧道施工參數(shù)控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形是十分必要的[4～7]。

近年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)隧道施工參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。許金華等[8]依托工程實(shí)例，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，以開挖后隧道變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同開挖進(jìn)尺工況進(jìn)行對(duì)比分析，確定了合理的開挖進(jìn)尺。許有俊等[9]以北京某地鐵上穿工程為背景，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的方法，研究了不同導(dǎo)洞開挖順序?qū)扔薪Y(jié)構(gòu)的影響，確定了最合理的導(dǎo)洞開挖方案。李濤等[10]以北京某洞樁法車站施工為工程背景，分析不同掌子面錯(cuò)距對(duì)地表沉降的影響，最終確定了最優(yōu)掌子面錯(cuò)距為4 m。王渭明等[11]以青島某車站施工為背景，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合，以支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同支撐拆除長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比分析，得到了安全最大拆除距離為6 m。孟令志[12]對(duì)某大斷面平頂直墻密貼下穿既有線工程進(jìn)行深入研究，形成了一整套大斷面平頂直墻下穿既有線風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，為類似工程提供一定參考。

目前，對(duì)于隧道施工參數(shù)優(yōu)化的研究已經(jīng)取得極大進(jìn)展。然而，研究對(duì)象大多僅僅是地鐵車站以及區(qū)間隧道工程，對(duì)地鐵下穿工程中隧道施工參數(shù)優(yōu)化研究較少，而且依托工程實(shí)例大多是洞樁法車站以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道，對(duì)于大斷面平頂直墻隧道研究尚不充分。

本文依托北京地鐵19號(hào)線四線隧道密貼下穿既有4號(hào)線新宮站工程，采用Midas/GTS有限元軟件對(duì)下穿全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，提出不同隧道開挖方案下既有結(jié)構(gòu)的沉降變形特征。同時(shí)，對(duì)比分析了不同隧道施工參數(shù)的沉降差異，在控制既有結(jié)構(gòu)沉降變形的前提下，結(jié)合施工速度等要求，確定最優(yōu)的隧道施工參數(shù)。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線新發(fā)地站至新宮站四線隧道密貼下穿既有4號(hào)線新宮站項(xiàng)目，區(qū)間正線在中間，共有3種斷面形式，A斷面位于東側(cè)，采用拱頂直墻大斷面施工；下穿段(即B斷面)為大斷面平頂直墻法施工，下穿長(zhǎng)達(dá)47 m，斷面高約8.36 m，寬約13.5 m；C斷面位于西側(cè)，為兩個(gè)拱頂直墻斷面。出入段左右線位于區(qū)間正線兩側(cè)，斷面為馬蹄形，高約7.07 m，寬約7.08 m，下穿既有線段采用上下導(dǎo)洞法施工。其中，區(qū)間正線及既有站底板之間凈距僅為0.22 m，可視為“零距離”密貼下穿。下穿段區(qū)間正線及出入線斷面如圖1及圖2所示。

圖1 下穿段區(qū)間正線斷面(單位：mm)

圖2 下穿段出入線斷面(單位：mm)

既有地鐵新宮站為地下雙層明挖六跨五柱框架結(jié)構(gòu)，建設(shè)年代為2010年。車站總長(zhǎng)度360.15 m，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，頂板厚0.7 m，底板厚0.8 m，邊墻厚0.7 m。新宮站東、西兩側(cè)布設(shè)φ1 m間距1.6 m的圍護(hù)樁，圍護(hù)樁長(zhǎng)23 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，新建隧道開挖之前對(duì)部分圍護(hù)樁進(jìn)行破除，破除長(zhǎng)度為6 m。

穿越工程平面及橫斷面如圖3、圖4所示。

圖3 穿越工程平面

圖4 穿越工程橫斷面

本工程所處區(qū)域?yàn)楸本┑貐^(qū)典型的上軟下硬地層，從上至下依次分布著雜填土、砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、卵石圓礫等地層。新建隧道圍巖主要是卵石圓礫，在下穿段隧道開挖之前對(duì)隧道輪廓線之外一定范圍內(nèi)進(jìn)行全斷面深孔注漿加固地層。根據(jù)相關(guān)的勘察資料，本工程不考慮地下水位的影響。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

新建隧道拱頂與既有站底板之間凈距較小，故隧道施工過(guò)程中極易對(duì)既有站周圍土體造成擾動(dòng)，進(jìn)而引起既有軌道結(jié)構(gòu)不平順、既有車站產(chǎn)生較大沉降變形。輕則降低乘客舒適性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響既有線的正常運(yùn)營(yíng)[13]。為控制施工過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)的沉降變形，相關(guān)地鐵運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)出臺(tái)了一系列規(guī)范。根據(jù)《北京軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系》中的相關(guān)規(guī)定，將各項(xiàng)變形限值整理如表1所示。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)及軌道變形控制指標(biāo) mm

根據(jù)表1的規(guī)定，在不超出限值的前提下，選取既有站底板的沉降變形作為各項(xiàng)施工參數(shù)如導(dǎo)洞開挖順序、開挖進(jìn)尺、掌子面錯(cuò)距的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 隧道施工參數(shù)分析

3.1 模型建立

根據(jù)圣維南原理，地下工程數(shù)值計(jì)算模型范圍一般取隧道開挖跨徑的3～5倍[14]，考慮到本工程隧道開挖對(duì)既有站周圍土體的擾動(dòng)，確定整體模型X方向(即隧道開挖方向)長(zhǎng)度為47 m，Y方向(垂直于隧道開挖方向)長(zhǎng)度為120 m，高度為40 m。整體模型如圖5所示，既有站與新建隧道相對(duì)位置關(guān)系如圖6所示。

圖5 整體模型(單位：m)

圖6 既有站與新建隧道相對(duì)關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，土層可分為8層，均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。既有站頂板、側(cè)墻、中樓板、底板以及隧道初支、二襯、仰拱等均采用二維板單元模擬，既有站柱、圍護(hù)樁采用一維線單元模擬，對(duì)圍護(hù)樁底部施加約束限制其RZ方向的旋轉(zhuǎn)，所有支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)。模型涉及的土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。模型頂部為自由邊界，對(duì)于側(cè)面及底面均施加法向約束限制其移動(dòng)。

表2 地層及模型材料力學(xué)參數(shù)

3.2 施工步序

本工程隧道截面可進(jìn)行如圖7所示的劃分。

圖7 隧道截面劃分示意

按照相關(guān)設(shè)計(jì)資料，本模型共設(shè)置60個(gè)施工步驟，大體上可進(jìn)行如下劃分。

階段一(步驟1)：設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)并位移清零。

階段二(步驟2～步驟12)：破除下穿段區(qū)間正線東、西側(cè)圍護(hù)樁，開挖下穿段1、2導(dǎo)洞土體并及時(shí)施作初支。

階段三(步驟13～步驟21)：下穿段區(qū)間左線二襯施作。

階段四(步驟22～步驟31)：開挖下穿段3、4導(dǎo)洞土體并及時(shí)施作初支。

階段五(步驟32～步驟40)：下穿段區(qū)間右線二襯施作。

階段六(步驟41～步驟51)：破除下穿段出入段左右線東、西側(cè)圍護(hù)樁，開挖下穿段5，6，7，8，9，10導(dǎo)洞土體并及時(shí)施作初支。

階段七(步驟52～步驟60)：下穿段區(qū)間中線及出入段左、右線二襯施作。下穿施工完成如圖8所示。

圖8 下穿施工完成

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，選取下穿施工完成后區(qū)間正線隧道拱頂沉降以及圍護(hù)樁水平位移為兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析(圖9、圖10)。

圖9 隧道拱頂沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖10 圍護(hù)樁水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖9、圖10可得，隧道拱頂沉降與圍護(hù)樁水平位移模型模擬值稍大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，兩者數(shù)值雖不完全吻合，但誤差在可接受范圍內(nèi)且具有相同的變化趨勢(shì)，由此驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，為進(jìn)行隧道施工參數(shù)優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。

3.4 結(jié)果分析

圖11 典型截面位置

為了便于分析既有站結(jié)構(gòu)的沉降變化特征，在既有站底板上分別沿隧道開挖方向及垂直于隧道開挖方向選取典型截面。其具體位置如圖11所示。其中，截面1為區(qū)間隧道中線在既有站底板上對(duì)應(yīng)位置，截面2為既有站底板長(zhǎng)度方向中位線，O點(diǎn)為兩截面在既有站底板上的交點(diǎn)。

3.4.1 導(dǎo)洞開挖順序

本工程下穿段為四線隧道，導(dǎo)洞數(shù)量較多，在開挖時(shí)容易產(chǎn)生“群洞效應(yīng)”[15]而使得既有站產(chǎn)生較大沉降。為研究不同導(dǎo)洞開挖順序下既有結(jié)構(gòu)的沉降變化特征以及確定最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖順序，設(shè)置如表3所示的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

表3 導(dǎo)洞開挖順序工況

圖12是隧道下穿過(guò)程中，上述6種工況下既有站底板O點(diǎn)沉降變化曲線。分析曲線可得，先上后下開挖導(dǎo)洞引起O點(diǎn)發(fā)生隆起變形，且3種工況沉降變化曲線具有相同的變化趨勢(shì)；先下后上開挖導(dǎo)洞引起O點(diǎn)發(fā)生沉降變形，且3種工況沉降變化曲線具有相同的變化趨勢(shì)。然而，先下后上開挖導(dǎo)洞施工過(guò)程中既有站沉降超過(guò)3 mm的限值。

圖12 不同導(dǎo)洞開挖順序既有站底板變形曲線

圖13 不同導(dǎo)洞開挖順序截面1沉降槽

圖13及14分別是不同工況下穿施工完成既有站底板截面1及截面2沉降槽。分析兩曲線可得，先上后下開挖的3種工況和先下后上開挖的3種工況分別有相同的變化趨勢(shì)。先下后上開挖導(dǎo)洞引起的既有站沉降超過(guò)了3 mm的限值，且工況1(先上后下，先邊后中)開挖導(dǎo)洞引起的既有結(jié)構(gòu)的沉降最小。由此可確定工況1(先上后下，先邊后中)可以有效抑制群洞效應(yīng)，先上后下，先邊后中是最合理的導(dǎo)洞開挖順序。

圖14 不同導(dǎo)洞開挖順序截面2沉降槽

3.4.2 開挖進(jìn)尺

參考Terzaghi松散介質(zhì)平衡理論[16-17]對(duì)開挖進(jìn)尺的合理范圍進(jìn)行計(jì)算,以確定開挖進(jìn)尺的模擬工況。其計(jì)算公式為

式中，b為隧道開挖進(jìn)尺；c為土體黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；γ為土體重度；q0為地面超載；l1為隧道截面寬度；h為隧道埋深。

經(jīng)計(jì)算，得到合理開挖進(jìn)尺b=1.86 m?？紤]到本工程區(qū)間隧道采用CRD法開挖且進(jìn)行深孔注漿預(yù)加固，上式計(jì)算結(jié)果偏于安全，故設(shè)置如表4所示的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

表4 隧道開挖進(jìn)尺工況

圖15及圖16分別是不同工況下穿施工完成后既有站底板截面1及截面2沉降槽。分析曲線可得，不同開挖進(jìn)尺下既有結(jié)構(gòu)沉降變化曲線具有大致相同的變化趨勢(shì)。隨著開挖進(jìn)尺的增大，既有結(jié)構(gòu)的沉降變形逐漸增大。分析原因是開挖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，初支封閉時(shí)間越長(zhǎng)，造成圍巖暴露使得隧道變形增大，故隧道開挖應(yīng)遵循“短進(jìn)尺”的原則。工況7(開挖進(jìn)尺為1.5 m)引起的既有結(jié)構(gòu)的沉降變形最小，然而，其結(jié)果與2 m的開挖進(jìn)尺引起的既有結(jié)構(gòu)沉降差別不大，考慮盡可能加快施工速度，施工進(jìn)尺選取2 m為宜。

圖15 不同開挖進(jìn)尺截面1沉降槽

圖16 不同開挖進(jìn)尺截面2沉降槽

3.4.3 掌子面錯(cuò)距

在已確定開挖進(jìn)尺為2 m的基礎(chǔ)上，為研究不同掌子面錯(cuò)距下既有結(jié)構(gòu)的沉降變化特征，選取掌子面錯(cuò)距為2 m的整數(shù)倍，考慮施工進(jìn)度的安排其值不宜過(guò)大。設(shè)置如表5所示的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

表5 掌子面錯(cuò)距工況

圖17是隧道下穿過(guò)程中，上述4種工況下既有站底板O點(diǎn)沉降變化曲線。分析曲線可得，4種工況沉降變化曲線具有相同的變化趨勢(shì)，既有結(jié)構(gòu)沉降集中發(fā)生在區(qū)間中線二襯施作過(guò)程中。

圖17 不同掌子面錯(cuò)距既有站底板變形曲線

圖18 不同掌子面錯(cuò)距截面1沉降槽

圖18及19分別是不同掌子面錯(cuò)距下穿施工完成后既有站底板截面1及截面2沉降槽。分析曲線可得，不同工況的沉降槽變化趨勢(shì)一致。隨著掌子面錯(cuò)距的增大，既有結(jié)構(gòu)沉降逐漸減小。分析原因是掌子面錯(cuò)距越小，上下導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的疊加效應(yīng)越大，增大掌子面錯(cuò)距，待先開挖導(dǎo)洞穩(wěn)定后再進(jìn)行下導(dǎo)洞開挖，可以有效削弱開挖產(chǎn)生的疊加效應(yīng)。然而，掌子面錯(cuò)距越大，施工周期越大。綜合考慮施工安全與施工速度，掌子面錯(cuò)距取6 m為宜。

圖19 不同掌子面錯(cuò)距截面2沉降槽

3.4.4 臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度

為研究不同臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度下既有結(jié)構(gòu)的沉降變化特征以及確定最合理的臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度，在對(duì)相關(guān)工程實(shí)例[18-20]深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合本工程設(shè)計(jì)資料，設(shè)置如表6所示的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表6 臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度工況

圖20是隧道下穿過(guò)程中，上述4種工況下既有站底板O點(diǎn)沉降變化曲線。分析曲線可得，隨著臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度的增加，施工步驟逐漸減少。4種工況沉降變化曲線具有相同的變化趨勢(shì)，既有結(jié)構(gòu)沉降變形集中發(fā)生在最后幾步，即區(qū)間中線二襯施作過(guò)程中。

圖20 不同臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度既有站底板變形曲線

圖21 不同臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度截面1沉降槽

圖21及圖22分別是不同工況下穿施工完成后既有站底板截面1及截面2沉降槽。分析曲線可得，不同臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度下既有結(jié)構(gòu)沉降變化曲線具有大致相同的變化趨勢(shì)。隨著臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度的增大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形逐漸增大，分析原因是臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度越大，對(duì)新建隧道周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)越大，從而使得新建隧道拱頂及洞身產(chǎn)生了較大的收斂。欲控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形，應(yīng)盡可能減小臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度。然而，單次拆除3 m及6 m引起的既有結(jié)構(gòu)沉降相差不大，且考慮到單次拆除3 m會(huì)增大施工周期，故確定臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度取6 m為宜。

圖22 不同臨時(shí)支護(hù)拆除長(zhǎng)度截面2沉降槽

3.4.5 有無(wú)圍護(hù)樁

為研究既有站東西兩側(cè)圍護(hù)樁對(duì)控制施工過(guò)程中既有站沉降變形起到的作用，控制施工參數(shù)(開挖進(jìn)尺、掌子面錯(cuò)距、臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度、導(dǎo)洞開挖順序)不變，分別對(duì)有無(wú)圍護(hù)樁兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

圖23是隧道下穿過(guò)程中，有無(wú)圍護(hù)樁兩種工況既有站底板O點(diǎn)沉降變化曲線。分析曲線可得，兩種工況沉降變化曲線具一致的變化趨勢(shì)。且可很明顯看出，有圍護(hù)樁工況下既有結(jié)構(gòu)沉降變形更小。

圖23 有無(wú)圍護(hù)樁既有站底板變形曲線

圖24及圖25分別是上述兩種工況下穿施工完成后既有站底板截面1及截面2沉降槽。分析曲線可得，有無(wú)圍護(hù)樁兩種工況既有結(jié)構(gòu)沉降變化曲線具有大致相同的變化趨勢(shì)。若不設(shè)置圍護(hù)樁，則既有結(jié)構(gòu)沉降超過(guò)3 mm的限值，而若設(shè)置圍護(hù)樁，既有結(jié)構(gòu)沉降減少了16%，可見既有站東西兩側(cè)圍護(hù)樁對(duì)于控制下穿過(guò)程中既有站沉降發(fā)揮了很大作用。

圖24 有無(wú)圍護(hù)樁截面1沉降槽

圖25 有無(wú)圍護(hù)樁2沉降槽

4 結(jié)論

(1)“先上后下”的導(dǎo)洞開挖順序引起的既有結(jié)構(gòu)沉降變形小于“先下后上”的開挖順序。其中，“先上后下、先邊后中”引起的既有結(jié)構(gòu)沉降變形最小，可確定為最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖順序。

(2)開挖進(jìn)尺越大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形越大，故在隧道開挖過(guò)程中應(yīng)遵循“短進(jìn)尺”的原則，本項(xiàng)目隧道開挖進(jìn)尺取2 m為宜。

(3)掌子面錯(cuò)距越大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形越小。綜合考慮施工安全與施工速度，本項(xiàng)目掌子面錯(cuò)距取6 m為宜。

(4)臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度越大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形越大。臨時(shí)支護(hù)單次拆除3 m與6 m引起的沉降相差不大，綜合考慮施工安全及施工速度，本項(xiàng)目臨時(shí)支護(hù)單次拆除長(zhǎng)度取6 m為宜。

(5)既有站東西兩側(cè)設(shè)置圍護(hù)樁可以有效控制下穿過(guò)程中既有站的沉降變形。