劉啟明， 柳卓， 劉學(xué)武， 傅鶴林

(1.長沙市工務(wù)局， 湖南 長沙 410013；2.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

富水砂卵石地層在中國分布廣泛，是具有地層巖體松散、無膠結(jié)、自穩(wěn)能力差、單個(gè)石塊強(qiáng)度高、顆粒間空隙大、黏聚力小、滲透系數(shù)大等特點(diǎn)的典型力學(xué)不穩(wěn)定地層。采用盾構(gòu)法在富水砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)推力、扭矩大且變化異常等原因，刀盤、刀具及螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，盾構(gòu)掘進(jìn)效率低下且時(shí)常發(fā)生開挖面失穩(wěn)、地表塌陷等事故。該文結(jié)合湖南省長沙市萬家麗路220 kV電力隧道盾構(gòu)下穿長沙地鐵3號(hào)線工程，采用MIDAS GTS三維數(shù)值模擬軟件對(duì)盾構(gòu)下穿地鐵線進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化注漿加固方案。

1 工程概況

萬家麗路220 kV電力隧道全長6 609.007 m。其中：馬欄山220 kV變電站出口—特立西路口采用明開挖施工，長度為644.489 m，規(guī)劃出線4回220 kV電纜和14回110 kV電纜，隧道外側(cè)截面寬6.3 m、高3.4 m，與規(guī)劃道路合建；特立西路口—火炬路口長5 964.518 m，規(guī)劃出線4回220 kV電纜和8回110 kV電纜，隧道內(nèi)徑3.6 m、外徑4.1 m，采用盾構(gòu)法施工。

該隧道在洪山路口與長沙地鐵3號(hào)線空間相交(見圖1)，電力隧道下穿，電力隧道下穿時(shí)地鐵3號(hào)線已具備軌通條件。地鐵隧道外徑為6.0 m，底板距離電纜隧道頂板4.36 m；電力隧道外徑為4.1 m，內(nèi)徑為3.6 m，頂板距離地面21.86 m。

該下穿段電力隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，隧道在富水砂卵石層中穿越。土層分布如下：素填土，穿越段層厚6.2 m；粉質(zhì)黏土，穿越段層厚3.3 m；富水砂卵石層，穿越段層厚28.4～36.6 m，透水性極好；全風(fēng)化礫巖層，穿越段層厚13.9～22.1 m，透水性好。

圖1 萬家麗路220 kV電力隧道路徑平面圖

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

采用MIDAS GTS三維數(shù)值模擬軟件對(duì)電力隧道盾構(gòu)下穿地鐵3號(hào)線的擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行分析。根據(jù)隧道地質(zhì)條件及分析目標(biāo)計(jì)算精度要求，建立電力隧道盾構(gòu)下穿既有地鐵3號(hào)線數(shù)值分析模型，圍巖模型采用四面體單元，服從Mohr-Coulomb彈塑性模型屈服準(zhǔn)則；地鐵隧道管片、電力隧道管片、等代層采用彈性模型，通過三維實(shí)體單元析取板單元獲得(見圖2、見3)。

圖2 隧道盾構(gòu)下穿地鐵線數(shù)值分析模型

圖3 地鐵、電力隧道位置及管片示意圖

模型X向取120 m，Z向取60 m，考慮到穿越段地鐵3號(hào)線左右線間距為17 m，3號(hào)線方向(Y向)左右兩邊各取約3倍寬度，即120 m，模型尺寸為X×Y×Z=長×寬×高=120 m×120 m×60 m。模型共劃分為68 142個(gè)單元、98 146個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型計(jì)算時(shí)，選取如下邊界條件：平面X=-60 m和X=60 m限制其X方向位移；平面Y=-60 m和Y=60 m限制其Y方向位移；平面Z=-60 m限制其Z方向位移；頂部為自由面。荷載選用自重荷載、水壓力荷載及施工荷載，其中水壓力根據(jù)實(shí)際水位(選用常年正常水位25.26 m)確定，施工過程中襯砌同步注漿壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)壓力及管片頂推力按照實(shí)際施工情況模擬。數(shù)值模擬地層參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 未注漿加固對(duì)地鐵3號(hào)線的擾動(dòng)

對(duì)電力隧道掘進(jìn)時(shí)未注漿加固下長沙地鐵3號(hào)線左右線管片位移進(jìn)行分析，圖4、圖5為電力隧道掘進(jìn)60、120 m時(shí)地鐵管片的豎向位移云圖，圖6、圖7為電力隧道掘進(jìn)20、40、60、80、100、120 m時(shí)地鐵隧道管片的豎向位移曲線。

圖4 電力隧道掘進(jìn)60 m時(shí)地鐵管片豎向變形云圖(未注漿加固，單位：mm)

圖5 電力隧道掘進(jìn)120 m時(shí)地鐵管片豎向變形云圖(未注漿加固，單位：mm)

由圖4、圖5可知：電力隧道施工過程中，既有地鐵3號(hào)線豎向位移出現(xiàn)在隧道掘進(jìn)方向的正上方，掘進(jìn)正上方位置對(duì)應(yīng)管片豎向位移最大，遠(yuǎn)離電力隧道兩側(cè)管片豎向位移逐漸減小。

圖6 電力隧道掘進(jìn)時(shí)地鐵3號(hào)線左線豎向位移(未注漿加固)

圖7 電力隧道掘進(jìn)時(shí)地鐵3號(hào)線右線豎向位移(未注漿加固)

由圖6、圖7可知：隨著電力隧道盾構(gòu)掘進(jìn)，長沙地鐵3號(hào)線左右線最大豎向位移都出現(xiàn)在電力隧道掘進(jìn)方向正上方，掘進(jìn)完成后左線最大豎向位移為28.86 mm，右線最大豎向位移為28.64 mm。遠(yuǎn)離電力隧道中心線左右兩側(cè)，地鐵3號(hào)線豎向位移減小顯著。電力隧道掘進(jìn)40～60 m時(shí)正好在地鐵左線下方，此時(shí)左線管片豎向位移增大明顯；電力隧道掘進(jìn)60～80 m時(shí)正好在地鐵右線下方，此時(shí)右線管片豎向位移增大明顯；隨著電力隧道繼續(xù)掘進(jìn)100～120 m，左右線豎向位移趨于穩(wěn)定。

根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，參考其他城市對(duì)軌道交通規(guī)劃、運(yùn)營等方面的規(guī)定，下穿既有地鐵區(qū)間隧道的地下工程建設(shè)應(yīng)保證既有已鋪軌的隧道變形曲線的曲率半徑>15 000 m、隧道變形相對(duì)曲率<1/2 500、隧道結(jié)構(gòu)豎向位移累計(jì)值為-5～5 mm、隧道結(jié)構(gòu)水平位移為-4～4 mm、隧道結(jié)構(gòu)變形縫差異位移累計(jì)值為2～4 mm、豎向和水平位移變化速率不大于1 mm/d。該工程電力隧道直接下穿既有地鐵3號(hào)線，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為28.86 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范中不超過5 mm的控制要求，會(huì)破壞既有地鐵3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)，必須采取加固措施。

4 優(yōu)化注漿加固方案

在電力隧道盾構(gòu)下穿地鐵3號(hào)線時(shí)，對(duì)穿越段富水砂卵石地層進(jìn)行注漿加固。根據(jù)CJJ/T 202 -2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，對(duì)地鐵隧道地層進(jìn)行加固時(shí)，隧道加固區(qū)范圍兩側(cè)向外延伸加固隧道直徑寬度，加固區(qū)底端注漿到電力隧道底板下3 m。該工程加固區(qū)范圍為長×寬=16 m×35 m，豎直注漿加固范圍從富水砂卵石地層頂部到電力隧道底板下3 m處。分別采取袖閥管豎向注漿加固、袖閥管豎向+斜向注漿加固、袖閥管豎向+斜向注漿加固+四周帷幕注漿加固3種方案，對(duì)地鐵3號(hào)線微擾動(dòng)控制效應(yīng)進(jìn)行分析，確定最有效、合理的加固控制措施。

在電力隧道盾構(gòu)掘進(jìn)之前采取袖閥管豎向注漿加固。袖閥管注漿加固采用彈性模型，通過線單元析取獲得。袖閥管注漿加固參數(shù)如下：橫截面積取0.78 m2，泊松比取0.3，彈性模量取0.8 GPa，重度取23 kN/m3。不加固和3種加固方式下電力隧道掘進(jìn)60、120 m時(shí)地鐵隧道管片豎向位移見圖8、圖9。

圖8 不同加固方式下電力隧道掘進(jìn)60 時(shí)地鐵管片豎向位移

圖9 不同加固方式下電力隧道掘進(jìn)120 時(shí)地鐵管片豎向位移

由圖8、圖9可知：4種情況下，電力隧道盾構(gòu)施工過程中既有地鐵3號(hào)線豎向位移都出現(xiàn)在隧道掘進(jìn)方向的正上方，掘進(jìn)正上方位置對(duì)應(yīng)管片豎向位移最大，遠(yuǎn)離電力隧道兩側(cè)管片豎向位移逐漸減小。采取加固措施時(shí)加固區(qū)管片豎向位移比未加固下穿時(shí)減小顯著，未加固時(shí)地鐵管片最大豎向位移為28.86 mm，袖閥管豎向注漿加固時(shí)地鐵管片最大豎向位移為12.13 mm，袖閥管豎向+斜向注漿加固時(shí)地鐵管片最大豎向位移為8.06 mm，袖閥管豎向、斜向注漿+四周帷幕注漿組合加固時(shí)地鐵管片最大豎向位移為4.37 mm。穿越區(qū)富水砂卵石地層采取袖閥管豎向注漿加固或袖閥管豎向+斜向注漿加固的效果不錯(cuò)，可推廣運(yùn)用到下穿其他敏感建(構(gòu))筑物、基坑開挖等工程項(xiàng)目。但對(duì)于該工程，電力隧道頂板距離地鐵隧道底板只有4.36 m且都在富水砂卵石地層中，隧道結(jié)構(gòu)最終豎向位移累計(jì)值超過5 mm的控制要求，采取這兩種加固方式會(huì)破壞地鐵3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)。采取袖閥管豎向、斜向注漿+四周帷幕注漿加固后，電力隧道盾構(gòu)下穿對(duì)地鐵3號(hào)線的擾動(dòng)效應(yīng)更小，最終穩(wěn)定后豎向位移為4.37 mm，達(dá)到規(guī)范要求的微擾動(dòng)控制指標(biāo)要求。

綜上，該工程電力隧道下穿長沙地鐵3號(hào)線合理的加固措施為穿越區(qū)地鐵左右線兩側(cè)和中間富水砂卵石地層加固區(qū)采取袖閥管豎向注漿加固方式，正對(duì)地鐵3號(hào)線左右線正下方富水砂卵石地層采取斜向袖閥管注漿加固，穿越段加固區(qū)四周采用帷幕注漿加固。

5 結(jié)論

(1) 電力隧道直接下穿長沙地鐵3號(hào)線時(shí)，地鐵豎向位移主要出現(xiàn)在電力隧道掘進(jìn)方向的正上方，掘進(jìn)正上方位置對(duì)應(yīng)管片豎向位移最大，遠(yuǎn)離電力隧道兩側(cè)管片豎向位移逐漸減小。地鐵3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為28.86 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范中不超過5 mm的控制要求，會(huì)破壞地鐵3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)，電力隧道不能直接下穿地鐵3號(hào)線，對(duì)穿越段富水砂卵石地層必須采取加固措施。

(2) 隧道盾構(gòu)下穿敏感建(構(gòu))筑物時(shí)，穿越段富水砂卵石地層可采取袖閥管注漿加固或袖閥管注漿加固和帷幕注漿加固相結(jié)合的措施。對(duì)于富水砂卵石地層，這兩種加固措施都會(huì)減小隧道盾構(gòu)對(duì)地表的擾動(dòng)效應(yīng)，可推廣運(yùn)用到其他敏感建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)等加固。

(3) 該工程電力隧道盾構(gòu)下穿長沙地鐵3號(hào)線合理的加固控制措施為穿越區(qū)地鐵左右線兩側(cè)和中間富水砂卵石地層加固區(qū)采取袖閥管豎向注漿方式，正對(duì)地鐵3號(hào)線左右線正下方富水砂卵石地層采取斜向袖閥管注漿加固，穿越段加固區(qū)四周采用帷幕注漿加固。