彭 坤

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308）

隨著軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，在軌道交通控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)不可避免地出現(xiàn)了大量穿越既有軌道交通的工程。穿越工程復(fù)雜程度高、風(fēng)險(xiǎn)大、控制標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，如果處置不當(dāng)將導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)及軌道變形超限，嚴(yán)重時(shí)將影響到軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)[1]。

1 工程概況

昆明地鐵1號(hào)線二期工程起自北二環(huán)路，沿北京路南行接入環(huán)城南路站，與首期已運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線貫通銜接。5號(hào)線與1號(hào)線在彌勒寺站換乘，站后區(qū)間呈十字疊交，均采用盾構(gòu)法施工。管片外徑6.2 m、厚度0.35 m、寬度1.2 m，混凝土等級(jí)C50、抗?jié)B等級(jí)P12，錯(cuò)縫拼裝。1號(hào)線在上、5號(hào)線在下，1號(hào)線區(qū)間覆土厚度約12.0 m，5號(hào)線區(qū)間覆土厚度約20.3 m；兩區(qū)間隧道最小凈距2.1～2.2 m。區(qū)間疊交處自上而下依次分布為素填土、粉質(zhì)黏土、圓礫土、黏質(zhì)粉土、粉砂層。見圖1。

圖1 區(qū)間疊交區(qū)域相對(duì)位置關(guān)系

2 疊交區(qū)域安全控制指標(biāo)

圖2 加固方案

穿越區(qū)土層自穩(wěn)性差，需要采用旋噴樁進(jìn)行地面注漿加固。旋噴樁樁長(zhǎng)均為13.6 m、直徑800 mm、間距600 mm，梅花形布置咬合；平面加固范圍為隧道外輪廓外擴(kuò)1.5 m。見圖2。運(yùn)營(yíng)線路對(duì)變形控制要求嚴(yán)格，一旦超過位移限值，可能存在開裂、滲水、管片接口張開；變形過大，甚至?xí)绊懠扔芯€的運(yùn)營(yíng)安全。通常情況下，管片結(jié)構(gòu)水平及豎向變形是導(dǎo)致上方線路不平順的主要原因，1號(hào)線控制指標(biāo)為隧道水平位移、豎向位移及隧道徑向收斂≤20 mm，軌道橫向高差和軌向高差≤4 mm，軌間距-4～6 mm，道床脫空量≤5 mm，結(jié)構(gòu)裂縫寬度≤0.2 mm[2～3]。

3 疊交隧道數(shù)值模擬

為定量分析下穿過程對(duì)既有線的影響，采用GTS-NX軟件，建立地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1 模型建立

建立地鐵盾構(gòu)區(qū)間疊交區(qū)域，根據(jù)盾構(gòu)隧道影響區(qū)適當(dāng)擴(kuò)大，滿足數(shù)值計(jì)算精度要求。模型尺寸：X軸100 m，Y軸120 m，Z軸60 m，見圖3。

圖3 分析模型

計(jì)算模型中盾構(gòu)區(qū)間管片僅考慮彈性變形，采用線彈性本構(gòu)模型，假定材料應(yīng)力-應(yīng)變符合廣義胡克定律。

土體是典型的彈塑性材料，其卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量。Mohr-Coulomb彈塑性模型將壓縮和卸載模量統(tǒng)一采用楊氏模量E來表示，由于土體開挖是卸荷的過程，因此采用模擬土體卸載特性較好的Hardening-Soil模型更為合理；而修正Mohr-Coulomb模型的屈服面是解耦雙Hardening-Soil模型，用3個(gè)剛度值來表征土體在開挖過程中的特性，其中E50為標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)中的割線剛度；Eoed為主固結(jié)儀加載中的切線剛度；Eur為卸載/重新加載剛度。Hardening-Soil模型包含剪切和壓縮兩種硬化類型且剪切破壞和壓縮破壞互不影響[4]。目前數(shù)值分析中修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，是對(duì)Mohr-Coulomb模型的改進(jìn)，適用于軟土或砂土。本工程位于粉質(zhì)黏土及圓礫土層，因此，土層采用的是修正Mohr-Coulomb模型。

計(jì)算參數(shù)的選取很大程度決定數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。本次數(shù)值計(jì)算中巖土力學(xué)參數(shù)基于工程的詳勘報(bào)告確定。見表1和表2。

表1 土層參數(shù)取值

表2 彈性材料物理參數(shù)取值

5號(hào)線區(qū)間左右線盾構(gòu)均在彌勒寺站始發(fā)，先左線后右線，保證安全距離50環(huán)以上。計(jì)算模型根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際施工進(jìn)行工況劃分，穿越范圍按每段進(jìn)尺為6 m進(jìn)行模擬計(jì)算。

工況1：工程場(chǎng)地初始地應(yīng)力場(chǎng)分析。

工況2：穿越范圍旋噴樁注漿加固。

工況3：1號(hào)線區(qū)間施工完畢，得出1號(hào)線區(qū)間內(nèi)力分布情況。

工況4：5號(hào)線左線掘進(jìn)到加固范圍前12 m（S1）。

工況5：5號(hào)線左線掘進(jìn)到加固范圍前6 m（S2）。

工況6：5號(hào)線左線掘進(jìn)到加固范圍（S3）。

……

工況13：5號(hào)線左線掘進(jìn)到加固范圍后6 m，右線準(zhǔn)備掘進(jìn)（S10）。

工況14：5號(hào)線左線掘進(jìn)到加固范圍后12 m，右線掘進(jìn)到加固范圍前12 m，保證左右線安全距離≮50環(huán)（S11）。

工況15：5號(hào)線左線掘進(jìn)到模型邊界，右線掘進(jìn)到加固范圍前6 m（S12）。

……

工況25：5號(hào)線右線掘進(jìn)到模型邊界（S22）。

3.2 影響分析

3.2.1 變形

在計(jì)算模型中提取左線6個(gè)代表點(diǎn)，分別位于拱頂和拱腰位置，見圖4。

圖4 1號(hào)線區(qū)間左線代表點(diǎn)

代表點(diǎn)在各工況下的變形見圖5。

在5號(hào)線掘進(jìn)過程中，區(qū)間左線拱頂豎直向最大變形為2.32 mm，變形速率最大的工況為S9～S14；拱腰水平向最大變形為0.69 mm，變形速率最大的工況為S9～S14。盾構(gòu)施工時(shí)，地層變形以豎向?yàn)橹鳎憩F(xiàn)為開挖隧道拱頂沉降變形，同時(shí)還包括水平向的收斂變形。由于下洞開挖擾動(dòng)經(jīng)地層擴(kuò)散，對(duì)上部1號(hào)線隧道變形也有一定影響，隨著5號(hào)線隧道掘進(jìn)，1號(hào)線區(qū)間跟隨土體協(xié)調(diào)變形，從圖5可以看出，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至區(qū)間正下方范圍時(shí)，變形速率加大，穿越疊交區(qū)域后，變形趨于穩(wěn)定。

3.2.2 內(nèi)力

5號(hào)線掘進(jìn)過程中，1號(hào)線區(qū)間管片內(nèi)力重分布，各工況下，管片最大正彎矩154.8 kN·m，最大負(fù)彎矩129.4 kN·m，最大剪力349.4 kN，最大軸力3 123.0 kN。見圖5。

圖5 1號(hào)線最大內(nèi)

從計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)管片結(jié)構(gòu)按照計(jì)算裂縫寬度0.2 mm進(jìn)行控制驗(yàn)算時(shí)，正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算比承載能力極限狀態(tài)的基本組合下和地震工況組合配筋高，正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗(yàn)算是控制工況。通過上述管片內(nèi)力計(jì)算，穿越后裂縫驗(yàn)算為0.13 mm，該項(xiàng)目實(shí)施未造成管片強(qiáng)度破壞，管片結(jié)構(gòu)配筋滿足正常使用及承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算要求。

在加固情況下進(jìn)行盾構(gòu)施工，1號(hào)線管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況及內(nèi)力數(shù)值不存在明顯變化。

4 結(jié)論及建議

采用數(shù)值模擬計(jì)算分析，較為真實(shí)的模擬了5號(hào)線區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間的施工過程，給出了整個(gè)計(jì)算區(qū)域在不同施工階段的變形及內(nèi)力情況，加固方案對(duì)于5號(hào)線下穿1號(hào)線結(jié)構(gòu)安全是可控的。

目前，數(shù)值模擬計(jì)算在方案研究及風(fēng)險(xiǎn)論證中已得到普遍應(yīng)用。數(shù)值模擬計(jì)算正確與可靠的關(guān)鍵是合理的選取本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)。