許燕峰

(沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110011)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)地鐵工程的廣泛開(kāi)展，地鐵隧道下穿和上跨既有車(chē)站、區(qū)間結(jié)構(gòu)的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮。楊志勇等針對(duì)盾構(gòu)隧道上跨施工對(duì)既有隧道的變形影響進(jìn)行研究，并分析加固措施對(duì)變形控制的作用[1-2]；徐成華等對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地面沉降機(jī)理進(jìn)行理論分析，并提出盾構(gòu)施工沉降控制的關(guān)鍵點(diǎn)和方法[3]；賈永剛等對(duì)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行有針對(duì)性的研究[4]，另有多人針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間上跨、下穿過(guò)街通道、干渠、橋梁等建(構(gòu))筑物的沉降控制和措施進(jìn)行研究分析，并對(duì)不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工沉降控制提出了可借鑒的技術(shù)和方法[5-14]，丁智等采用數(shù)值分析方法，通過(guò)計(jì)算兩隧道不同凈距與角度工況，得到軟土地層既有地鐵隧道變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律[15]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)地鐵工程下穿和上跨既有結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量的研究工作，但針對(duì)新建地鐵隧道超近距離下穿和上跨既有地鐵結(jié)構(gòu)的研究較少。隨著地鐵建設(shè)的廣度和深度的逐步加大，在新建隧道超小凈距穿越既有隧道的交疊區(qū)域，既有結(jié)構(gòu)的沉降變形控制效果研究就顯得尤為重要。

1 工況背景

1.1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線(xiàn)中醫(yī)藥大學(xué)站—松花江街站區(qū)間位于崇山東路下方，線(xiàn)路出中醫(yī)藥大學(xué)站后沿崇山東路東行，上穿既有2號(hào)線(xiàn)崇-岐暗挖區(qū)間人防段，10號(hào)線(xiàn)區(qū)間隧道為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線(xiàn)圓形斷面，盾構(gòu)法施工。10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間與既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間人防段交疊區(qū)域平、剖面位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 10號(hào)線(xiàn)與既有2號(hào)線(xiàn)位置關(guān)系平面(單位：mm)

圖2 10號(hào)線(xiàn)與既有2號(hào)線(xiàn)位置關(guān)系剖面(單位：mm；高程單位：m)

1.2 工程措施

為確保盾構(gòu)區(qū)間順利完成穿越，利用臨時(shí)施工豎井對(duì)盾構(gòu)區(qū)間左線(xiàn)與既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間人防段右線(xiàn)交疊區(qū)一定范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿預(yù)加固，具體注漿加固范圍如圖3～圖5所示。采用深孔后退式注漿，注漿孔間距0.75 m×0.75 m，注漿漿液為水泥漿。既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間人防段左線(xiàn)與10號(hào)線(xiàn)區(qū)間交疊區(qū)土體采用盾構(gòu)管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行補(bǔ)償注漿加固。

圖3 注漿加固平面(單位：mm)

圖4 注漿加固縱剖面(單位：mm；高程單位：m)

圖5 注漿加固橫剖面(單位：mm；高程單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算工況

10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間土體開(kāi)挖過(guò)程中，刀盤(pán)與既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間人防段結(jié)構(gòu)最近距離僅0.176 m，由于盾構(gòu)施工誤差以及不可預(yù)料因素，10號(hào)線(xiàn)盾殼及管片與既有結(jié)構(gòu)有點(diǎn)接觸的可能。新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)如若發(fā)生點(diǎn)接觸，由于土體與混凝土結(jié)構(gòu)存在巨大的剛度差異，接觸點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生集中荷載，將導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加。拱頂彎矩增加對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，可能造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂破壞。為研究集中荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，建立三維數(shù)值模型。為分析10號(hào)線(xiàn)盾殼與2號(hào)線(xiàn)人防段結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸對(duì)既有結(jié)構(gòu)及管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，建立以下5種工況。

①初始狀態(tài)(未開(kāi)挖狀態(tài))；

②工況1-無(wú)注漿+無(wú)點(diǎn)接觸；

③工況2-無(wú)注漿+點(diǎn)接觸；

④工況3-注漿+點(diǎn)接觸；

⑤工況4-無(wú)夾層土+點(diǎn)接觸。

其中，初始狀態(tài)和工況1的內(nèi)力作為其余工況下內(nèi)力變化的參考，工況2、3作為對(duì)地層注漿效果分析的參考，工況4作為極端工況施工安全性判斷的參考。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

考慮數(shù)值計(jì)算模型的邊界效應(yīng)和適用性，模型范圍應(yīng)大于同方向下穿影響區(qū)的長(zhǎng)度，選取計(jì)算模型尺寸為60 m×60 m×50 m(x×y×z，x方向?yàn)?0號(hào)線(xiàn)區(qū)間右線(xiàn)前進(jìn)方向、y方向垂直于x方向，z方向?yàn)樨Q向)，共計(jì)67 580個(gè)實(shí)體單元。土層及注漿層采用實(shí)體單元，既有2號(hào)線(xiàn)人防區(qū)間襯砌、10號(hào)線(xiàn)盾殼及管片采用殼單元模擬。除地表采用自由面，四周及底部均施加法向約束。計(jì)算模型如圖6、圖7所示。

圖6 三維數(shù)值模型(單位：m)

圖7 結(jié)構(gòu)交互關(guān)系三維模型剖視圖

為模擬10號(hào)線(xiàn)盾殼與既有2號(hào)線(xiàn)人防段結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸效果，在相交點(diǎn)處設(shè)置短梁以傳遞豎向荷載，如圖8(a)所示，點(diǎn)接觸下的整體三維模型如圖8(b)所示。同時(shí)考慮盾殼內(nèi)盾構(gòu)機(jī)具所受的重力，將其折算進(jìn)盾殼的重度中進(jìn)行加載。

圖8 集中荷載作用模型

土層材料采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，結(jié)構(gòu)單元采用線(xiàn)彈性本構(gòu)關(guān)系。由于2號(hào)線(xiàn)結(jié)構(gòu)的建成時(shí)間已超過(guò)10年，故對(duì)其初支剛度和二襯剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)分別為0.6和0.9?？紤]到管片接縫對(duì)強(qiáng)度的影響，故對(duì)管片的整體剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.75，巖土及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 點(diǎn)接觸對(duì)既有人防段結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

(1)既有人防段結(jié)構(gòu)環(huán)向內(nèi)力分析

圖9～圖11為既有人防段結(jié)構(gòu)受力分布。

圖9 既有人防段結(jié)構(gòu)襯砌環(huán)向內(nèi)力云圖(彎矩單位：kN·m；軸力單位：kN)

由圖9～圖11可知，當(dāng)10號(hào)線(xiàn)盾殼與既有2號(hào)線(xiàn)人防段結(jié)構(gòu)不接觸，土體開(kāi)挖后，既有2號(hào)線(xiàn)人防段拱頂彎矩減少；當(dāng)10號(hào)線(xiàn)盾殼與既有2號(hào)線(xiàn)發(fā)生接觸，由于結(jié)構(gòu)與周邊土體剛度存在巨大差異，拱頂受力集中導(dǎo)致內(nèi)力增加，彎矩由原始狀態(tài)的118 kN·m增大至316 kN·m，軸力由原始狀態(tài)的1 470 kN增大至2 157 kN。對(duì)交疊區(qū)進(jìn)行注漿加固后，盾殼與周?chē)馏w剛度差異減小，周?chē)馏w可承擔(dān)更多豎向荷載，此時(shí)，既有2號(hào)線(xiàn)拱頂受力集中現(xiàn)象明顯減少，拱頂彎矩減小至48 kN·m。取幾種不利工況進(jìn)行拱頂環(huán)向強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)算，見(jiàn)表3。

圖10 既有人防段結(jié)構(gòu)襯砌環(huán)向彎矩

圖11 既有人防段結(jié)構(gòu)襯砌環(huán)向軸力

表3 既有2號(hào)線(xiàn)人防段襯砌環(huán)向裂縫寬度驗(yàn)算

由表3可以看出，工況2條件下進(jìn)行10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工，既有2號(hào)線(xiàn)人防段結(jié)構(gòu)的計(jì)算配筋面積和裂縫寬度均明顯增大。工況4條件下交疊區(qū)域盾殼為無(wú)土接觸狀態(tài)，人防結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部豎向集中荷載(該工況為極端情況)，既有2號(hào)線(xiàn)人防段的計(jì)算配筋面積達(dá)到2 916 mm2，裂縫寬度達(dá)到0.19 mm，較工況2有大幅度增大。

(2)既有人防段結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力分析

由表4可以看出，工況4條件下既有2號(hào)線(xiàn)人防段的縱向裂縫寬度由工況2的0.06 mm增大到0.24 mm，表明既有2號(hào)線(xiàn)人防段結(jié)構(gòu)拱頂?shù)募凶饔妹黠@。

表4 既有2號(hào)線(xiàn)人防段襯砌縱向裂縫寬度驗(yàn)算

圖12 既有2號(hào)線(xiàn)人防段襯砌縱向內(nèi)力云圖(彎矩單位：kN·m；軸力單位：kN)

3.2 點(diǎn)接觸對(duì)新建盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

盾構(gòu)管片為永久結(jié)構(gòu)，在計(jì)算時(shí)可不考慮施工階段土體卸載作用，但應(yīng)考慮長(zhǎng)期水土壓力及結(jié)構(gòu)自重荷載作用。以下針對(duì)工況2(無(wú)注漿+點(diǎn)接觸)和工況3(注漿+點(diǎn)接觸)進(jìn)行模擬分析。

(1)盾構(gòu)管片環(huán)向內(nèi)力分析

圖13 10號(hào)線(xiàn)管片環(huán)向彎矩云圖(單位：kN)

圖14 10號(hào)線(xiàn)管片環(huán)向彎矩

工況2、3下，對(duì)10號(hào)線(xiàn)區(qū)間左、右線(xiàn)管片內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)算，相鄰管片彎矩傳遞系數(shù)ε取1.3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖15 10號(hào)線(xiàn)管片環(huán)向軸力

由圖13～圖15及表5可知，點(diǎn)接觸區(qū)域由于管片基底剛度突變，致使10號(hào)線(xiàn)管片接觸區(qū)域內(nèi)力較大，最大值為216 kN·m，裂縫寬度最大為0.17 mm；采取注漿加固后，10號(hào)線(xiàn)管片基底剛度均衡，管片彎矩降低較大，最大值為43 kN·m，裂縫寬度明顯減小。由此可得，通過(guò)基底加固可以有效改善管片環(huán)向受力狀態(tài)。

(2)盾構(gòu)管片縱向內(nèi)力分析

表5 10號(hào)線(xiàn)管片環(huán)向裂縫寬度驗(yàn)算

由于管片抗縱向變形能力較弱，當(dāng)其縱向變形或曲率半徑達(dá)到一定值后，可能出現(xiàn)由于管片環(huán)縫張開(kāi)量過(guò)大引起漏水或管片縱向受拉破壞的現(xiàn)象。以下是盾構(gòu)隧道縱向變形曲率的一般性分析標(biāo)準(zhǔn)：

①R≥15 000 m，環(huán)縫張開(kāi)和螺栓應(yīng)力均處于較低水平；

②5 000 m≤R<15 000 m，隧道可以工作，有一定安全隱患；

③1 000 m≤R<5 000 m，螺栓塑性，仍可工作，安全隱患更大；

④R<1 000 m，環(huán)縫張開(kāi)>6 mm，漏水漏泥。

由于既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間、10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間與既有結(jié)構(gòu)交疊區(qū)域基底剛度較其他區(qū)域大，長(zhǎng)期豎向荷載作用下，基底剛度分布不均會(huì)導(dǎo)致管片的縱向不均勻沉降，尤其當(dāng)管片與既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生點(diǎn)接觸，基底剛度突變對(duì)管片縱向受力將更加不利。上穿既有2號(hào)線(xiàn)人防段區(qū)間的10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)管片的縱向相對(duì)豎向位移如圖16所示。

圖16 10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)管片縱向相對(duì)豎向位移

圖17 10號(hào)線(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)管片曲率半徑

由分析可得，在不進(jìn)行加固的情況下，隧道縱向盾構(gòu)管片曲率半徑多小于15 000 m，個(gè)別區(qū)域小于5 000 m；基底加固后，盾構(gòu)管片曲率基本上大于15 000 m?；准庸毯蠼化B區(qū)域剛度過(guò)渡平緩，對(duì)10號(hào)線(xiàn)管片縱向受力有利，即使管片與既有線(xiàn)發(fā)生點(diǎn)接觸，其縱向曲率半徑仍滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值分析可知，盾殼與既有線(xiàn)點(diǎn)接觸會(huì)使既有2號(hào)線(xiàn)結(jié)構(gòu)拱頂出現(xiàn)集中荷載，導(dǎo)致既有2號(hào)線(xiàn)結(jié)構(gòu)拱頂彎矩和裂縫寬度增大，這是由于土體與混凝土結(jié)構(gòu)的巨大剛度差異導(dǎo)致的。

(2)對(duì)10號(hào)線(xiàn)和既有2號(hào)線(xiàn)的交疊區(qū)域進(jìn)行注漿加固后，既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)間結(jié)構(gòu)拱頂所受彎矩減小明顯。由此可知，對(duì)交疊區(qū)域進(jìn)行注漿加固可有效降低超小距離盾構(gòu)上穿施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)在盾構(gòu)施工過(guò)程與后期使用階段，交疊區(qū)域注漿加固對(duì)10號(hào)線(xiàn)管片環(huán)向、縱向受力均有改善，有利于管片的長(zhǎng)期使用。