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        城軌礦山法近接對高鐵盾構(gòu)隧道變形影響研究

        2021-07-02 07:18:44睢忠強(qiáng)劉建友
        關(guān)鍵詞:仰拱右線管片

        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)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055;2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(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越多,在工程的建設(shè)過程中,面臨著一系列的技術(shù)問題,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)險管理.鄰近高速鐵路隧道變形預(yù)測.變形監(jiān)測方法.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38 km;運(yùn)營開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)問題之一,現(xiàn)在鮮有報道的工程案例[8-10],對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。因此,研究城軌近接施工對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],帶來了潛在的安全隱患或過度設(shè)計;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)險極大,穿越工程相對位置關(guān)系如圖1所示。

        圖1 北京地鐵12號線與京張高鐵盾構(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L=32.5 m[19]。采用雙液漿對隧道輪廓線外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,地層情況描述見表1。

        表1 地層情況描述

        2 數(shù)值計算模型

        2.1 模型參數(shù)

        計算采用ABAQUS有限元計算軟件,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位置關(guān)系

        模型的尺寸為沿新建隧道方向長90 m,垂直隧道方向?qū)?4 m,高60 m,離散單元數(shù)238 370個,節(jié)點(diǎn)數(shù)367 372。采用實(shí)體單元(C3D8R)模擬各土層.12號線注漿加固層.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)生相對位移,預(yù)制仰拱和盾構(gòu)管片螺栓連接,相對位置視為穩(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 計算工況

        考慮地鐵開挖一次進(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,各工況模擬情況見表4。

        表4 計算工況

        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,計算出土體及結(jié)構(gòu)在自重作用下的位移場和應(yīng)力場,運(yùn)算結(jié)束后,反復(fù)多次提交計算,減小開挖卸載后的上浮,并形成初始應(yīng)力場[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,地鐵開挖對盾構(gòu)隧道的影響尚未波及,具有較好的整體性,未發(fā)生錯臺,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的趨勢,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,同時右線上方對應(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稱出現(xiàn)了2.297 mm的沉降,同時右線上方對應(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,右線軌道開挖位置附近的無砟軌道沉降達(dá)到1.642 mm,此時左線還未受到影響;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稱出現(xiàn)了2.086 mm的沉降,同時右線上方對應(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,最大值位于無砟軌道中部位置,這時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應(yīng)的無砟軌道處,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)位置保持不變同時數(shù)值增大,在左線正上方位置出現(xiàn)了一個小的峰值:-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,對應(yīng)位置的管片向掌子面移動了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,對應(yīng)位置的管片向掌子面移動了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,僅在兩個端部發(fā)生了向開挖面方向的位移。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)離開挖方向的水平位移。工況13,對應(yīng)位置的預(yù)制仰拱向掌子面移動了0.338 mm。工況22,對應(yīng)位置的預(yù)制仰拱向掌子面移動了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,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挖區(qū)域移動,工況13,預(yù)制仰拱向開挖區(qū)域移動,且達(dá)到峰值0.282 mm;工況22,預(yù)制仰拱向開挖區(qū)域移動,且達(dá)到峰值0.317 mm;工況28,預(yù)制仰拱向背離開挖方向移動,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)離開挖方向的水平位移。工況13,對應(yīng)位置的軌道左右線均向掌子面移動,且左線移動幅度較右線大,移動了0.368 mm。工況22,變形趨勢同工況13,軌道水平移動了0.400 mm。工況28,此時,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,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:左線向開挖方向移動,右線向背離開挖方向移動,且左線移動幅度較大,但數(shù)值均小于0.1 mm。工況13,高鐵雙線鋼軌均向開挖區(qū)域移動,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挖區(qū)域移動,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挖面移動,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)隧道自動化監(jiān)測布置

        采用靜力水準(zhǔn)傳感器對京張高鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行自動化第三方監(jiān)測復(fù)核,分別選取5個斷面。如圖16(a)所示,所在管節(jié)編號分別為:環(huán)770.環(huán)776.環(huán)780.環(huán)785.環(huán)790?;鶞?zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在環(huán)755。

        每個隧道斷面左右兩側(cè)拱腰處分別布設(shè)1個靜力水準(zhǔn)傳感器,測點(diǎn)編號如圖16(b)(以環(huán)770為例),電信號采用串聯(lián)形式連接。由于洞內(nèi)無網(wǎng)絡(luò),因此從監(jiān)測區(qū)域內(nèi)引信號線至2號豎井。因監(jiān)測區(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)編號環(huán)450,布置1個中繼器增強(qiáng)信號,從環(huán)450至洞口處,布置1個采集箱,對隧道進(jìn)行實(shí)時自動化監(jiān)測。

        圖16 監(jiān)測斷面及自動化測點(diǎn)示意

        3.4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算結(jié)果對比

        提取京張高鐵清華園盾構(gòu)管片左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,如圖17.圖18所示,盾構(gòu)管片左測點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)累計沉降最大值為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%,模擬計算結(jié)果與監(jiān)測值較為接近,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,證明通過有限元軟件模擬預(yù)測管片變形發(fā)展規(guī)律是可靠的。

        圖17 現(xiàn)場監(jiān)測管片變形曲線

        圖18 數(shù)值模擬管片變形曲線

        4 結(jié)論

        以北京地鐵12號線大鐘寺站—薊門橋站礦山法隧道區(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)間施工過程對既有隧道影響,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(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)位置保持不變同時數(shù)值增大,在左線正上方位置出現(xiàn)了一個小的峰值。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)值模擬計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相比誤差為8.9%,驗(yàn)證了計算結(jié)果的相對準(zhǔn)確性,可為同類工程提供參考。

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