曲 強(qiáng)，睢忠強(qiáng)，王 婷，王 楊，彭 斌，魏 盼，劉建友

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

目前我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)展，相應(yīng)的隧道數(shù)量不斷累積，高速鐵路隧道和其他建(構(gòu))筑物互相穿越的情況也越來(lái)越多，在工程的建設(shè)過(guò)程中，面臨著一系列的技術(shù)問(wèn)題，如高速鐵路變形隧道控制標(biāo)準(zhǔn).鄰近高速鐵路工程的風(fēng)險(xiǎn)管理.鄰近高速鐵路隧道變形預(yù)測(cè).變形監(jiān)測(cè)方法.鄰近高速鐵路隧道變形控制技術(shù)等難題。

已有不少學(xué)者[1-7]聚焦盾構(gòu)隧道近接其他鐵路或公路等工程的變形研究。而在城區(qū)的高速鐵路，為了減少對(duì)地面空間的占用，高速鐵路多以隧道的形式進(jìn)入市區(qū)，如莞蕙城際鐵路東莞市區(qū)的松山湖隧道主要位于城區(qū)內(nèi)，全長(zhǎng)38 km；運(yùn)營(yíng)開(kāi)通的京張高鐵北京五環(huán)路段內(nèi)也采用隧道方式進(jìn)城，而城區(qū)城市軌道交通路網(wǎng)密集，近接施工不可避免。城軌工程鄰近高速鐵路大直徑盾構(gòu)隧道沉降變形規(guī)律是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，現(xiàn)在鮮有報(bào)道的工程案例[8-10]，對(duì)近接工程影響高速鐵路大直徑盾構(gòu)隧道的規(guī)律缺乏足夠認(rèn)識(shí)。因此，研究城軌近接施工對(duì)高速鐵路大直徑盾構(gòu)隧道的影響，保障高速鐵路隧道的安全，意義重大。

常規(guī)對(duì)于盾構(gòu)隧道的模擬多視為均質(zhì)圓筒，忽略實(shí)際中管片存在的各種接縫，使得實(shí)際得到的結(jié)果偏于保守[11]，帶來(lái)了潛在的安全隱患或過(guò)度設(shè)計(jì)；軌道精細(xì)化建模已發(fā)展到一定程度[12-16]，而盾構(gòu)隧道內(nèi)軌道的精細(xì)化建模鮮有研究[17-18]，尤其是涉及到三維近接盾構(gòu)隧道施工的非線性靜力分析。建立城軌區(qū)間穿越盾構(gòu)隧道時(shí)既有軌道的三維精細(xì)化模型，研究在超前大管棚和深孔注漿加固措施下的高鐵盾構(gòu)隧道管片.軌下預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)及無(wú)砟軌道的變形響應(yīng)。

1 工程概況

1.1 工程背景

北京地鐵12號(hào)線下穿清華園盾構(gòu)隧道段采用礦山法施工。地鐵結(jié)構(gòu)拱頂距盾構(gòu)管片最近約1.6 m，既有盾構(gòu)隧道尚在沉降期范圍內(nèi)，地鐵穿越施工風(fēng)險(xiǎn)極大，穿越工程相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 北京地鐵12號(hào)線與京張高鐵盾構(gòu)隧道位置關(guān)系(單位：m)

大鐘寺站站—薊門(mén)橋站區(qū)間與清華園盾構(gòu)隧道夾角84°，線路為東西走向，區(qū)間埋深25.4～32.6 m?？紤]地鐵結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道距離較近，在既有盾構(gòu)隧道前.后10 m范圍內(nèi)施作管棚加固，新建區(qū)間結(jié)構(gòu)拱頂90°范圍采用φ180 mm大管棚(厚度Δt=12 mm)，管棚外插角α=1°～3°，環(huán)向間距300 mm，管棚總長(zhǎng)L=32.5 m[19]。采用雙液漿對(duì)隧道輪廓線外2.5 m范圍內(nèi)全斷面進(jìn)行深孔注漿加固，加固范圍為京張高鐵隧道前后17 m。

1.2 地質(zhì)概況

穿越段地層從上到下依次為①1雜填土.④1黏土.④3粉細(xì)砂.⑥2粉土.⑦卵石-圓礫，礦山法區(qū)間隧道洞身位于⑦卵石-圓礫等粗顆粒地層，地層情況描述見(jiàn)表1。

表1 地層情況描述

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型參數(shù)

計(jì)算采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件，建立三維實(shí)體模型，模擬地鐵礦山法隧道下穿施工對(duì)既有京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響。數(shù)值模型如圖2.圖3所示。

圖2 數(shù)值分析模型(單位：m)

圖3 礦山法區(qū)間與清華園隧道相對(duì)位置關(guān)系

模型的尺寸為沿新建隧道方向長(zhǎng)90 m，垂直隧道方向?qū)?4 m，高60 m，離散單元數(shù)238 370個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)367 372。采用實(shí)體單元(C3D8R)模擬各土層.12號(hào)線注漿加固層.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及清華園盾構(gòu)管片，管棚采用桁架單元(Truss)。各土層.結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表2.表3。

表2 土層材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 接觸設(shè)置

忽略螺栓，軌道與預(yù)制仰拱現(xiàn)澆，兩者不發(fā)生相對(duì)位移，預(yù)制仰拱和盾構(gòu)管片螺栓連接，相對(duì)位置視為穩(wěn)定。管片與圍巖之間設(shè)為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.4；管片之間及預(yù)制仰拱之間為硬接觸，切向摩擦系數(shù)為0.1[20]，軌道與預(yù)制仰拱及軌道部分之間設(shè)為綁定約束。

2.3 計(jì)算工況

考慮地鐵開(kāi)挖一次進(jìn)尺2 m，施工工況共28步，主要工序?yàn)椋汗r10.工況13.工況22和工況28，各工況模擬情況見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算工況

3 結(jié)果分析

3.1 初始狀態(tài)模擬

模型中第1階段為隧道施工的初始階段，計(jì)算出土體及結(jié)構(gòu)在自重作用下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，運(yùn)算結(jié)束后，反復(fù)多次提交計(jì)算，減小開(kāi)挖卸載后的上浮，并形成初始應(yīng)力場(chǎng)[21]，如圖4所示。

圖4 模型初始狀態(tài)云圖

3.2 地鐵區(qū)間施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道豎向位移影響

3.2.1 盾構(gòu)隧道豎向變形

從圖5(云圖采用特征線顯示，下同)可以看出，工況10，地鐵開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響尚未波及，具有較好的整體性，未發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，由于軌道及其自重作用下，整體豎向位移增大，拱頂處管片出現(xiàn)了一定的沉降，中部最大值為0.248 mm；工況13，管片底沉降最大達(dá)1.456 mm；緊接著工況22，沉降范圍較上階段增大，有向地鐵雙線隧道中部移動(dòng)的趨勢(shì)，沉降值增至2.011 mm，幅度變化了38.1%；工況28，地鐵左線上方的盾構(gòu)管片底沉降1.901 mm，同時(shí)右線上方對(duì)應(yīng)位置沉降值減小到了1.884 mm。

圖5 盾構(gòu)隧道典型階段豎向位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段盾構(gòu)隧道底部節(jié)點(diǎn)豎向位移隨隧道中心距離繪制點(diǎn)線圖，如圖6所示，其中從數(shù)值看具有以下規(guī)律：工況10(-0.185 mm)<工況13(-1.032 mm)<工況28(-1.896 mm)<工況22(-1.998 mm)。

圖6 盾構(gòu)隧道典型階段豎向位移曲線

從峰值出現(xiàn)的位置看：工況10盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的豎向位移與其他階段相比數(shù)值較小，近似為一條水平線。工況13，峰值位于右線隧道上方，呈現(xiàn)單峰；工況22，峰值位置保持不變數(shù)值增大為1.998 mm，在左線正上方位置出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值：高鐵-1.498 mm。工況28在左右隧道的相應(yīng)位置正上方盾構(gòu)隧道拱底處出現(xiàn)了2個(gè)峰值，其中最大值位于左線一側(cè)，為1.896 mm。

3.2.2 預(yù)制仰拱豎向變形

如圖7所示，工況10，由于軌道及預(yù)制仰拱自重作用下，整體豎向沉降增大，中部預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的沉降，最大值為0.629 mm；工況13，對(duì)應(yīng)位置附近的右側(cè)預(yù)制仰拱沉降數(shù)值達(dá)到1.544 mm；工況22，沉降范圍擴(kuò)展到地鐵左線上方的預(yù)制仰拱，沉降值也增到了2.429 mm，幅度變化了57.3%；工況28，地鐵左線上方的預(yù)制中仰拱的上部也對(duì)稱出現(xiàn)了2.297 mm的沉降，同時(shí)右線上方對(duì)應(yīng)位置的豎向變形減小到-2.284 mm，減幅為6.0%。

圖7 預(yù)制仰拱典型階段豎向位移云圖(單位：m)

3.2.3 軌道豎向變形

如圖8所示，工況10，由于軌道自重作用下，整體豎向位移增大，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)了一定的沉降，最大值為0.418 mm；工況13，右線軌道開(kāi)挖位置附近的無(wú)砟軌道沉降達(dá)到1.642 mm，此時(shí)左線還未受到影響；工況22，沉降范圍較上階段增大，沉降值也增至2.188 mm，幅度變化了33.3%，左線鋼軌部分位置出現(xiàn)明顯沉降；工況28，地鐵左線上方軌道也對(duì)稱出現(xiàn)了2.086 mm的沉降，同時(shí)右線上方對(duì)應(yīng)位置的豎向變形減小到2.058 mm，減幅為5.9%。

圖8 軌道典型階段豎向位移云圖(單位：m)

如圖9所示，從最值出現(xiàn)的位置看：工況10，最大值位于無(wú)砟軌道中部位置，這時(shí)軌道整體承受豎直向下的均布力，產(chǎn)生了類似梁的撓曲變形；工況13，最值位于右線隧道上方對(duì)應(yīng)的無(wú)砟軌道處，呈現(xiàn)單峰，且右線軌道沉降大于左線；工況22，原有最值出現(xiàn)位置保持不變同時(shí)數(shù)值增大，在左線正上方位置出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值：-1.553 mm。工況28最值位于地鐵左右線中心處。施工完成后在左右隧道的相應(yīng)位置出現(xiàn)了2個(gè)峰值，即“W”形，最大沉降值為2.142 mm，較前一階段有小幅回落，這是由于兩條沉降曲線疊加的結(jié)果。

3.3 地鐵施工對(duì)既有線水平位移影響

3.3.1 盾構(gòu)隧道水平變形

如圖10所示，工況10，管片水平變形較??；工況13，對(duì)應(yīng)位置的管片向掌子面移動(dòng)了0.284 mm，而上方管片發(fā)生向內(nèi)收斂位移，數(shù)值為0.328 mm；工況22，對(duì)應(yīng)位置的管片向掌子面移動(dòng)了0.388 mm，上方管片發(fā)生向內(nèi)收斂位移，而地鐵右線處管片向內(nèi)收斂值為0.335 mm，增幅為0.21%；工況28，地鐵左右線中心軸線上方高鐵盾構(gòu)管片均發(fā)生了收斂變形，最大值為0.266 mm。

圖10 盾構(gòu)隧道典型階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段高鐵盾構(gòu)隧道中部節(jié)點(diǎn)水平位移隨盾構(gòu)隧道中心距離繪制如圖11所示的曲線，工況10，盾構(gòu)隧道的整體變形較小，僅在兩個(gè)端部發(fā)生了向開(kāi)挖面方向的位移。工況13，隧道拱頂正上方的盾構(gòu)管片產(chǎn)生向外變形，高鐵盾構(gòu)隧道其他部位則發(fā)生遠(yuǎn)離開(kāi)挖方向的位移，呈現(xiàn)弓字形；類似的，工況22和工況28，在地鐵左右線拱頂處的盾構(gòu)隧道發(fā)生了向掌子面方向的位移，其他部分則相反。其中從數(shù)值看具有以下規(guī)律：工況10(-0.048 mm)<工況28(-0.258 mm)<工況13(-0.303 mm)<工況22(-0.317 mm)。

圖11 盾構(gòu)隧道典型施工階段水平位移曲線

3.3.2 預(yù)制仰拱水平變形

如圖12所示，工況10，預(yù)制仰拱整體發(fā)生遠(yuǎn)離開(kāi)挖方向的水平位移。工況13，對(duì)應(yīng)位置的預(yù)制仰拱向掌子面移動(dòng)了0.338 mm。工況22，對(duì)應(yīng)位置的預(yù)制仰拱向掌子面移動(dòng)了0.368 mm。工況28，地鐵左右線中心軸線上方預(yù)制仰拱均發(fā)生了向掌子面方向的移動(dòng)，最大值為0.473 mm。

圖12 預(yù)制仰拱典型階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段預(yù)制仰拱中部節(jié)點(diǎn)位移隨隧道中心距離繪制點(diǎn)線圖，如圖13所示，工況10，地鐵隧道尚未開(kāi)挖至盾構(gòu)隧道明顯影響區(qū)域，預(yù)制仰拱整體向背離開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，工況13，預(yù)制仰拱向開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，且達(dá)到峰值0.282 mm；工況22，預(yù)制仰拱向開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，且達(dá)到峰值0.317 mm；工況28，預(yù)制仰拱向背離開(kāi)挖方向移動(dòng)，且仰拱中心處的位移達(dá)到最大值0.098 mm。

圖13 典型施工階段仰拱水平位移曲線

3.3.3 軌道水平變形

如圖14所示，工況10，高鐵軌道整體發(fā)生了遠(yuǎn)離開(kāi)挖方向的水平位移。工況13，對(duì)應(yīng)位置的軌道左右線均向掌子面移動(dòng)，且左線移動(dòng)幅度較右線大，移動(dòng)了0.368 mm。工況22，變形趨勢(shì)同工況13，軌道水平移動(dòng)了0.400 mm。工況28，此時(shí)，地鐵左右線中心軸線上方高鐵軌道均發(fā)生了向掌子面方向的移動(dòng)，且左線較明顯，數(shù)值最大值為0.210 mm。

圖14 軌道各階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段各股鋼軌水平位移隨盾構(gòu)隧道中心距離繪制如圖15所示的曲線，工況10，高鐵左右線鋼軌發(fā)生了相反方向的運(yùn)動(dòng)：左線向開(kāi)挖方向移動(dòng)，右線向背離開(kāi)挖方向移動(dòng)，且左線移動(dòng)幅度較大，但數(shù)值均小于0.1 mm。工況13，高鐵雙線鋼軌均向開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，且左線右股鋼軌達(dá)到峰值0.347 mm。工況22，其上方的高鐵軌道向開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，且左線右股的水平位移達(dá)到峰值0.399 mm。工況28，高鐵雙線鋼軌整體向背離開(kāi)挖面移動(dòng)，具體表現(xiàn)不同：高鐵左線鋼軌在距盾構(gòu)隧道中心左右各10 m附近，水平位移分別達(dá)到局部區(qū)域的極值，而中部位移相對(duì)上一階段保持不變0.142 mm，呈現(xiàn)雙峰形狀；高鐵右線鋼軌在距盾構(gòu)隧道中心左右各20 m附近及盾構(gòu)隧道中心處，水平位移分別達(dá)到局部區(qū)域的極值，且中部水平位移最大為0.143 mm，呈現(xiàn)三峰形狀。

圖15 典型施工階段鋼軌水平位移圖

3.4 模型驗(yàn)證

3.4.1 清華園盾構(gòu)隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)布置

采用靜力水準(zhǔn)傳感器對(duì)京張高鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行自動(dòng)化第三方監(jiān)測(cè)復(fù)核，分別選取5個(gè)斷面。如圖16(a)所示，所在管節(jié)編號(hào)分別為：環(huán)770.環(huán)776.環(huán)780.環(huán)785.環(huán)790。基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在環(huán)755。

每個(gè)隧道斷面左右兩側(cè)拱腰處分別布設(shè)1個(gè)靜力水準(zhǔn)傳感器，測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖16(b)(以環(huán)770為例)，電信號(hào)采用串聯(lián)形式連接。由于洞內(nèi)無(wú)網(wǎng)絡(luò)，因此從監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)引信號(hào)線至2號(hào)豎井。因監(jiān)測(cè)區(qū)域至洞口處距離為1.5 km，需從基準(zhǔn)點(diǎn)引著隧道管節(jié)編號(hào)環(huán)450，布置1個(gè)中繼器增強(qiáng)信號(hào)，從環(huán)450至洞口處，布置1個(gè)采集箱，對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

圖16 監(jiān)測(cè)斷面及自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)示意

3.4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

提取京張高鐵清華園盾構(gòu)管片左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖17.圖18所示，盾構(gòu)管片左測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)沉降最大值為2.25 mm，施工階段數(shù)值模擬最大沉降為2.011 mm，誤差為8.9%，模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值較為接近，此外，初始階段都表現(xiàn)出上浮現(xiàn)象，之后階段整體表現(xiàn)出沉降趨勢(shì)，證明通過(guò)有限元軟件模擬預(yù)測(cè)管片變形發(fā)展規(guī)律是可靠的。

圖17 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管片變形曲線

圖18 數(shù)值模擬管片變形曲線

4 結(jié)論

以北京地鐵12號(hào)線大鐘寺站—薊門(mén)橋站礦山法隧道區(qū)間下穿京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道為背景，利用ABAQUS有限元軟件模擬區(qū)間施工過(guò)程對(duì)既有隧道影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析在超前大管棚和深孔注漿加固下的高鐵盾構(gòu)隧道.預(yù)制仰拱及無(wú)砟軌道的變形響應(yīng)，得到以下結(jié)論。

(1)從豎向位移看，工況10，盾構(gòu)隧道.預(yù)制仰拱及軌道結(jié)構(gòu)整體承受豎直向下的均布力，產(chǎn)生了類似梁的撓曲變形。工況13，最值位于右線隧道上方對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)隧道處，呈現(xiàn)單峰，且右線軌道沉降大于左線；工況22，原有最值出現(xiàn)位置保持不變同時(shí)數(shù)值增大，在左線正上方位置出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值。工況28，最值位于地鐵左右線中心處。施工完成后在左右隧道的相應(yīng)位置出現(xiàn)了2個(gè)峰值，即“W”形，較前一階段有小幅回落，這是由于兩條沉降曲線疊加的結(jié)果。

(2)從水平位移看，預(yù)制仰拱中心處的水平位移在工況10.工況13形狀為“幾”字形；而盾構(gòu)隧道水平直徑處的水平位移形狀表現(xiàn)出類似豎向位移的特點(diǎn)；高鐵右線鋼軌在距盾構(gòu)隧道中心左右各20 m附近及盾構(gòu)隧道中心處，水平位移分別達(dá)到局部區(qū)域的極值，整體呈現(xiàn)三峰形狀。

(3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比誤差為8.9%，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性，可為同類工程提供參考。