趙 偉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，城市的空間資源越來(lái)越緊張。地鐵、市政道路隧道、管廊等城市地下大型基礎(chǔ)設(shè)施越來(lái)越多，各種地下建(構(gòu))筑物之間相互穿越的情況越來(lái)越多。本項(xiàng)目地處沈陽(yáng)市主城區(qū)，多次穿越地鐵、市政隧道等地下建(構(gòu))筑物，穿越區(qū)段主要采用盾構(gòu)法施工，其中下穿南北二干線隧道凈距較小，為本項(xiàng)目重大風(fēng)險(xiǎn)。楊成永[1]、楊志勇等[2]對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有隧道結(jié)構(gòu)沉降控制及沉降規(guī)律進(jìn)行研究，趙青[3]、方勇[4]、胡眾等[5]對(duì)盾構(gòu)隧道有限元模擬進(jìn)行了研究。主要對(duì)盾構(gòu)區(qū)間施工下穿既有南北二干線隧道的工程措施及施工影響進(jìn)行分析研究。

1 工程概況及主要工程措施

1.1 下穿工程概況

區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道下穿南北二干線隧道，兩者夾角約為67°。南北二干線采用蓋挖法施工，為兩層箱形結(jié)構(gòu)，覆土3.0m、埋深17.16m。盾構(gòu)區(qū)間下穿處管廊覆土20.41～21.41m，與隧道豎向凈距3.25～4.25m，見(jiàn)圖1。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與二干線隧道工程平面圖

盾構(gòu)隧道均采用C50混凝土，隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m，隧道襯砌厚300mm。襯砌管片分為6塊：3塊標(biāo)準(zhǔn)管片，2塊鄰接管片，1塊封頂管片，每環(huán)的寬度為1200mm，管片采用錯(cuò)縫拼裝。設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 出入口隧道設(shè)計(jì)圖

南北二干線隧道采用蓋挖法施工，為兩層箱形結(jié)構(gòu)。隧道圍護(hù)樁為Φ800@1200mm，長(zhǎng)度為23.2～23.8m，中間立柱樁直徑為Φ1200mm，樁長(zhǎng)為坑底下30m。南北二干線主體結(jié)構(gòu)下層為車行隧道，結(jié)構(gòu)高度約8.4m，結(jié)構(gòu)寬度約26.5m；南北二干線主體結(jié)構(gòu)上層為5.76m，寬度約26.4m。設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 二干線隧道斷面圖

1.2 下穿位置風(fēng)險(xiǎn)源處理措施

1.2.1南北二干線隧道為盾構(gòu)管廊下穿預(yù)留條件

(1)隧道棧橋板立柱位置為管廊預(yù)留盾構(gòu)下穿條件，盾構(gòu)下穿范圍兩側(cè)立柱樁與底板連接，起到抗隆起和抗沉降作用。

(2)盾構(gòu)下穿范圍的隧道圍護(hù)樁底部采用玻璃纖維筋，便于盾構(gòu)破除。

(3)盾構(gòu)下穿兩側(cè)圍護(hù)樁已加大樁徑及樁長(zhǎng)，樁徑采用1.2m。

(4)盾構(gòu)斜向破除圍護(hù)樁，為保證盾構(gòu)姿態(tài)，已對(duì)盾構(gòu)破樁處土體局部進(jìn)行加固。加固范圍平剖面如圖4及圖5所示。

圖4 處理措施平面圖

圖5 處理措施剖面圖

1.2.2盾構(gòu)管廊通過(guò)時(shí)，采取以下措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)

(1)盾構(gòu)區(qū)間下穿隧道主體施工之前需告知南北快速路指揮部，隧道需要根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，進(jìn)行配重防止隧道隆起。盾構(gòu)破樁過(guò)程中，此范圍冠梁上禁止行車。

(2)盾構(gòu)下穿過(guò)程中及穿過(guò)后，需對(duì)其南北快速干道影響范圍內(nèi)的基坑及棧橋板體系進(jìn)行安全監(jiān)控。

(3)在盾構(gòu)下穿過(guò)程中應(yīng)保證盾構(gòu)機(jī)注漿效果，防止后期沉降。

(4)采用盾構(gòu)自身控制措施控制變形。

2 有限元計(jì)算分析

2.1 三維有限元模型建立

盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿南北二干線隧道下穿角度約為67°，下穿段長(zhǎng)度約為35m。建立考慮新建盾構(gòu)區(qū)間隧道及南北二干線隧道現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，模型寬度為92m，模型總高度為58.5m，模型縱向長(zhǎng)度取100m。各巖土層、地層加固均采用彈塑性材料模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，三維實(shí)體單元；圍護(hù)樁采用彈性材料模型，三維實(shí)體單元；南北二干線隧道結(jié)構(gòu)板、墻及南運(yùn)河管廊盾構(gòu)區(qū)間隧道管片均采用彈性材料模型，板單元。在模型底部施加豎向約束，模型四個(gè)側(cè)面分別施加垂直側(cè)面方向的水平位移約束，模型施加重力荷載。模型見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 計(jì)算整體模型(m)

圖7 結(jié)構(gòu)模型詳圖(m)

2.2 計(jì)算模型主要參數(shù)

(1)巖土參數(shù)

根據(jù)鉆探揭露，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內(nèi)自上而下的地層為：①-1雜填土、③-4礫砂、③-5圓礫、③-5-5圓礫、⑤-5圓礫等。土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層參數(shù)表

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)

主要結(jié)構(gòu)有南北二干線公路隧道，南北二干線管廊，南運(yùn)河管廊。結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 南北二干線隧道及南運(yùn)河管廊結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)參數(shù)表

2.3 施工過(guò)程模擬

區(qū)間隧道施工前，將既有南北二干線結(jié)構(gòu)激活，模型位移清零。區(qū)間隧道施工先進(jìn)行左線盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖，左線施工完成后進(jìn)行右線盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖。盾構(gòu)隧道推進(jìn)過(guò)程模擬分為土體開(kāi)挖、盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)、襯砌環(huán)的拼裝、推進(jìn)面壓力模擬及壁后注漿模擬等。盾構(gòu)施工過(guò)程模擬每一施工步施工一環(huán)管片寬度，即1.2m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到了盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中，既有南北二干線隧道的沉降情況，通過(guò)對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降及內(nèi)力的分析，確定施工工法的可行性和既有結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 南北二干線隧道沉降結(jié)果

南北二干線隧道水平變形量較小，主要對(duì)豎向沉降量進(jìn)行分析，見(jiàn)圖8、圖9。區(qū)間左線開(kāi)挖完成后，南北二干線隧道最大沉降量為0.91mm，最大沉降位置位于左線隧道正上方南北二干線隧道底板；區(qū)間右線隧道施工完成后，南北二干線隧道最大沉降量為1.35mm，最大沉降位置位于區(qū)間左右線中心位置南北二干線隧道底板。南北二干線隧道總最大沉降量為1.35mm，未超過(guò)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的10mm變形指標(biāo)，見(jiàn)表3。

圖8 左線施工完成既有隧道沉降云圖(單位：mm)

圖9 右線施工完成既有隧道沉降云圖(單位：mm)

表3 各階段沉降量統(tǒng)計(jì)表

3.2 南北二干線隧道內(nèi)力結(jié)果

提取南運(yùn)河管廊施工前和施工結(jié)束階段南北二干線隧道主受力方向彎矩，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4，結(jié)果顯示，南運(yùn)河管廊施工前后南北二干線隧道受力模式完全相同，內(nèi)力數(shù)值略有變化，下層隧道襯砌內(nèi)力稍有增加，上層隧道襯砌內(nèi)力略有減少，隧道內(nèi)力變化在10%以內(nèi)。南運(yùn)河管廊施工對(duì)南北二干線隧道內(nèi)力影響較小，結(jié)構(gòu)受力滿足安全要求。

表4 各階段沉降量統(tǒng)計(jì)表

3.3 南北二干線隧道沉降隨施工步變化曲線

對(duì)南北二干線隧道底板上位于區(qū)間左線正上方沉降分析點(diǎn)1、分析點(diǎn)2及位于右線正上方沉降分析點(diǎn)3、分析點(diǎn)4沉降量隨施工步的變化進(jìn)行分析，如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示：

圖10 沉降分析點(diǎn)沉降隨施工步變化曲線圖

(1)管廊區(qū)間開(kāi)挖對(duì)正上方沉降分析點(diǎn)的影響最大。

(2)當(dāng)開(kāi)挖面至沉降分析點(diǎn)前方約20m位置，沉降分析點(diǎn)沉降速度明顯加快。

(3)當(dāng)開(kāi)挖面通過(guò)沉降分析點(diǎn)約20m后，開(kāi)挖對(duì)隧道沉降影響較小。

(4)管廊區(qū)間左右線范圍內(nèi)管廊底板各點(diǎn)最終沉降相差不大。

4 結(jié)論與建議

采用數(shù)值分析方法對(duì)新建管廊區(qū)間施工對(duì)既有南北二干線隧道的影響進(jìn)行分析，分析了施工對(duì)車站結(jié)構(gòu)沉降、內(nèi)力、結(jié)構(gòu)沉降隨施工步的變化情況，得出如下結(jié)論：

(1)南運(yùn)河管廊盾構(gòu)區(qū)間施工對(duì)南北二干線隧道影響較小，最大沉降量?jī)H為1.35mm，南北二干線隧道沉降及內(nèi)力均滿足規(guī)范要求，盾構(gòu)區(qū)間施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

(2)當(dāng)開(kāi)挖面至監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方約20m位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速度明顯加快。當(dāng)開(kāi)挖面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)約20m后，開(kāi)挖對(duì)隧道沉降影響較小。在此范圍內(nèi)施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)既有南北二干線結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)及施工控制。

(3)各種地下工程相互穿越在所難免，應(yīng)做好城市建設(shè)規(guī)劃，預(yù)留后期施工項(xiàng)目條件，減少后期施工風(fēng)險(xiǎn)及造價(jià)。