趙強

中鐵一局集團城軌公司 江蘇無錫 214000；惠州市軌道交通有限公司 廣東惠州 516000

隨著我國城市軌道交通的飛速發(fā)展，越來越多的城市開始修建地鐵，而隨著地鐵線路的不斷完善，勢必會遇到新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的工況。而近年來大量的工程實例證明盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道的施工中具有較大的風險。因此有必要針對此方面進行研究。本文依南寧新建地鐵3 號線工程施工總承包02 標土建8 工區(qū)金- 埌區(qū)間下穿既有1 號線隧道段工程，分析探討盾構(gòu)施工過程中既有1 號線的沉降，并總結(jié)其沉降規(guī)律為類似工程提供參考。

1 工程概況

本工程為南寧市地鐵3 號線金湖廣場站至埌西站區(qū)間（以下簡稱M3）盾構(gòu)隧道下穿經(jīng)過既有地鐵1 號線（以下簡稱M1）工程。M3 金- 埌區(qū)間線路出金湖廣場站18．0m 后從民族大道下穿過，沿金湖路南到達終點埌西站。區(qū)間設(shè)計里程為DK17+318．093-DK17+892．801。左線長度為585．607m（長鏈10．90m），右線長度為574．708m，區(qū)間總長度為1160．315m。區(qū)間線路由一段直線和兩段曲線構(gòu)成，曲線半徑分別為R300m、R450m，線路最大坡度為28‰，線間距11．0m-18．0m，隧道埋深11．3m-22．6m（下穿段22m）。下穿段平面圖如圖1 所示。

圖1 M1 下穿M3 平面圖

M3 金- 埌區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越的地層為：粉土層③1、粉砂層④1-1、圓礫層⑤1-1、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-2、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3，其中下穿M1 段穿越的土層為主要圓礫層⑤1-1、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-2、泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3。

圓礫層⑤1-1 滲透性大，滲透系數(shù)高達8．1＊10-4m/s，且存在粒徑較大的礫石和卵石。根據(jù)盾構(gòu)機選型經(jīng)驗，滲透系數(shù)小于10-4m/s，可以選用土壓平衡盾構(gòu)，滲透系數(shù)大于10-7m/s，宜選用泥水盾構(gòu)，同時泥水盾構(gòu)機還適用于在粒徑較大的卵石、礫石地層中掘進。經(jīng)專家論證決定采用海瑞克S455 泥水平衡盾構(gòu)機[1]。

2 數(shù)值模擬分析

由于本工程為南寧地區(qū)富水圓礫地層中首次盾構(gòu)下穿既有運營地鐵隧道，施工難度較大，依靠施工經(jīng)驗難以準確預(yù)測既有隧道的變形，無法確保其安全。而隨著近年來科技的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了預(yù)測施工引起一系列影響的重要手段，本文基于本工程概況，通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)下穿施工對既有隧道的影響。

2.1 模型的建立

考慮到隧道開挖的影響，建立的模型寬度90m，為下穿范圍長度的4 倍；長度100m，包含了30m 的車站結(jié)構(gòu)和70m 的M1區(qū)間隧道；高度38m，模型底部距M3 底部2D（D 為隧道洞徑），如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

計算時考慮如下因素：

（1）初始條件為M3 區(qū)間未開挖，且地層處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）土體視為彈塑性體，采用修正摩爾·庫倫本構(gòu)模型（Modified Mohr-Coulomb Model），既有隧道、地下通道和車站采用各向同性彈性本構(gòu)模型（Elastic Isotropic Model）。

（3）考慮到邊界影響及路面車輛荷載等影響，模型上邊界取至地面，設(shè)置為自由面，并施加20kPa 的面荷載模擬地面堆載，底部及四周施加法向約束。

（4）土層按勘察報告簡化為6 層，計算參數(shù)如表1 所示?？紤]到地下水影響，地下水位（-8m）土體和構(gòu)件取其浮重度。

（5）考慮到M1 隧道建成已建設(shè)完成，在初始平衡以及M1隧道和金湖東地道開挖后，將土體位移場進行清零后再進行M3 開挖；M3 按先左后右的順序進行開挖，開挖步距設(shè)置為1m，直至開挖結(jié)束。

表1 土層計算參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

M3 左線通過后變形云圖如圖3 所示，開挖區(qū)間正上方處M1結(jié)構(gòu)沉降明顯；M1 右線最大沉降為2．41mm，左線為2．12mm，變形曲線呈正態(tài)曲線分布，縱向影響長度兩側(cè)各約為2D。

M3 右線通過后變形云圖如圖4 所示。與M3 左線通過后類似，M1 最大沉降亦發(fā)生于開挖區(qū)間正上方，縱向影響長度兩側(cè)各約為2D；M1 右線沉降值為2．35mm，左線為2．73mm。此外，M3 左右線之間距離為11．7m（約為2D），M3 區(qū)間右線通過后對M3 左線上方M1 管片影響不明顯，沉降值由2．41mm 增長至2．73mm，增長幅度約為13%。

圖3 M3 左線通過后變形云圖

圖4 M3 右線通過后變形云圖

由圖3、圖4 可知，在從正常施工條件下，新建M3 盾構(gòu)施工會導致M1 隧道產(chǎn)生一定的沉降變形，最大沉降量為2．73mm，屬于規(guī)范允許范圍。建議施工中采取控制同步注漿壓力，二次補漿等措施，M1 隧道沉降可控[2]。

3 既有線監(jiān)測沉降分析

依照數(shù)值模擬結(jié)果，于沉降較大處（M1 范圍Z/Y458-Z/Y480環(huán)）劃為危險區(qū)、危險區(qū)兩側(cè)各10m 為風險區(qū)，風險區(qū)外20m 為過渡區(qū)。為了能夠監(jiān)測穿越過程中既有線的沉降規(guī)律，控制和預(yù)判潛在的風險，于既有線M1 區(qū)間布置共23 個監(jiān)測面，如圖5 所示。危險區(qū)監(jiān)測面間隔4-5m，風險區(qū)監(jiān)測面間隔10m，過渡區(qū)監(jiān)測面間隔20m；基準點在施工影響范圍外區(qū)間兩端各布置3 個，均為自動化進行監(jiān)測。穿越期間各斷面監(jiān)測頻率為1 小時/ 次，人工復(fù)核頻率為6 小時/ 次。

圖5 自動化監(jiān)測面分布圖

3.1 既有線M1 沉降結(jié)果

M3左線穿越施工結(jié)束后，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制 M1沉降槽曲線。如圖6 所示。由圖6 可以看出，M3 左線下穿施工過程中，M1 右線沉降值在盾尾離開M1 右線時達到最大值-2．92mm，穩(wěn)定之后為-1．91mm；M1 左線沉降規(guī)律與M1 右線類似，最大沉降值為盾尾離開M1 左線時的-1．67mm，穩(wěn)定之后為-1．5mm。M3右線穿越施工結(jié)束后，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制 M1沉降槽曲線。如圖7 所示。由圖7 可見，M3 右線下穿施工過程中，M1 右線最大沉降值為盾尾離開時的-3．03mm， 穩(wěn)定后為-2．85mm。 而M1 左線最大沉降值并非為盾尾離開時的-1．99mm，而是之后發(fā)展到了-4．14mm，這是由于而M3 右線穿越M1 左線時，由于施工方操作失誤，盾尾同步注漿量與同步注漿壓力不足所造成。在經(jīng)過緊急注漿等補救措施后最終也趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為-3．23mm。

圖6 M3 左線穿越時既有線M1 沉降槽曲線

圖7 M3 右線穿越時既有線M1 沉降槽曲線

3.2 既有線M1 沉降分析

總結(jié)圖6、圖7，除圖7（b）之外，盾構(gòu)機刀盤即將到達M1時已經(jīng)開始對M1 產(chǎn)生有一定影響，當盾尾離開M1 范圍時M1 沉降值達到最大值，當同步注漿、二次注漿等施工措施實行之后沉降值有一定回升，并最終趨于穩(wěn)定?？梢姰斒┕ふ５那闆r下，既有隧道的沉降是由盾構(gòu)開挖造成的地層損失引起的。

此外，各時段的M1 沉降槽曲線與高斯曲線較為符合，縱向影響長度兩側(cè)各約為10-15m（2-2．5D）。由于M3 線路具有一段小轉(zhuǎn)彎半徑的曲線段，沉降槽曲線呈現(xiàn)一定的非對稱性。

對比4 道沉降槽曲線與數(shù)值模擬結(jié)果，M3 左線通過后M1 沉降槽曲線與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近；M3 右線通過后M1 沉降槽曲線最大沉降值及對稱軸與數(shù)值模擬結(jié)果有所出入，但均呈現(xiàn) “向下凹陷” 的形態(tài)，縱向影響范圍也較為一致?？梢姅?shù)值模擬能夠較好地預(yù)先確定沉降規(guī)律，能對項目工程的沉降控制方面提供一定的參考[3]。

4 結(jié)語

本文依托南寧地鐵3 號線下穿既有1 號線工程實例，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對既有1 號線的沉降規(guī)律進行了分析與探討，成功為實際施工提供了參考，表明施工前利用數(shù)值模擬的方法模擬下穿施工的方法是可行的，數(shù)值模擬結(jié)果與實際實施得到了有效驗證，為類似工程施工積累了經(jīng)驗。