楊艷玲，韓現(xiàn)民，李文江

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201；2.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043；3.河北省金屬礦山安全高效開采技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043)

引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，新建隧道近接下穿既有地下結(jié)構(gòu)施工控制已逐漸成為地鐵建設(shè)過程中日益突出的熱點工程問題之一。研究揭示地鐵隧道下穿施工引起的既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，科學(xué)制定下穿施工過程位移控制標(biāo)準(zhǔn)，對合理制定施工方案、實現(xiàn)下穿施工安全管理具有重要意義。目前，在既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律預(yù)測和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)方面，部分成果是建立在經(jīng)驗公式(如Peck沉降曲線公式或區(qū)域性相關(guān)工程測試數(shù)據(jù)回歸公式)基礎(chǔ)之上的，比如郭亮[1]通過Peck公式得到了地表最大沉降量和地鐵軌道傾斜率的關(guān)系，從而得到了滿足行車安全下的地表最大允許沉降；朱衍峰[2]通過Peck公式建立了地表最大沉降量和建筑物傾斜率的關(guān)系，從而得到了滿足建筑物結(jié)構(gòu)安全條件下的地表允許沉降。其他學(xué)者研究成果亦和前者類似[3-5]，其相應(yīng)成果的針對性、可靠性、精準(zhǔn)性均有待發(fā)展和提高。雖然也有建立在數(shù)值仿真技術(shù)基礎(chǔ)之上的研究成果，如毛新穎等[6]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)施工對地表沉降槽變化的影響；趙強(qiáng)政[7]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道施工對地層隆沉、道路傾斜率等的影響；黃世政[8]通過數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)下穿既有隧道過程中，既有隧道的變形規(guī)律及受力規(guī)律。但其研究過程中工作量大且其成果方法的系統(tǒng)性、完整性仍有待完善。目前，在盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物施工擾動影響研究方面，常見的研究對象有地鐵隧道[9-15]、地鐵車站[16]、地下管線[17]、樁基[18]和地表建筑物[19-20]，而大斷面頂管隧道受管節(jié)接頭特性影響，對下穿施工擾動具有高敏感性和低適應(yīng)性，相對于其他既有地下結(jié)構(gòu)，其沉降控制要求更為嚴(yán)格，但相關(guān)研究成果較少。

以鄭州地鐵4號線會展中心站—商鼎路站區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離斜穿既有交通頂管隧道群區(qū)段為工程背景，開展下穿既有頂管隧道施工力學(xué)響應(yīng)及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究，提出下穿施工過程既有頂管隧道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定方法，制定相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)和管理基準(zhǔn)，為依托工程提供技術(shù)支持，為類似工程提供借鑒經(jīng)驗。

1 依托工程概況

鄭州市軌道交通4號線會展中心站—商鼎路站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，右線DK20+750.655～DK20+799.989、左線DK20+741.626～DK20+825.483區(qū)段以平面交角37°近距離下穿福元路—商鼎路交通頂管隧道群，新建隧道埋深17.5 m，隧道結(jié)構(gòu)拱頂距頂管隧道底部邊緣最小間距為2.94 m，下穿段平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 既有頂管隧道與盾構(gòu)區(qū)間位置關(guān)系

盾構(gòu)區(qū)間管片內(nèi)徑為550 cm，外徑為620 cm，厚度為35 cm，兩隧道中心線間距為16 m。福元路—商鼎路隧道為市政道路矩形頂管隧道，由4條頂管隧道構(gòu)成，包括2條非機(jī)動車頂管隧道和2條機(jī)動車行車頂管隧道。機(jī)動車道隧道管節(jié)尺寸為：1.5 m(長)×10.4 m(寬)×7.5 m(高)，壁厚700 mm。非機(jī)動車道隧道管節(jié)尺寸為：1.5 m(長)×6.9 m(寬)×4.2 m(高)，壁厚450 mm。頂管隧道管節(jié)均采用承插式接頭，接頭形式如圖2所示。

圖2 既有頂管接頭形式

盾構(gòu)區(qū)間下穿福元路—商鼎路隧道處地層種類較多，有雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂，區(qū)間所穿越地層為粉質(zhì)黏土、粉砂層。經(jīng)勘察，在46 m深度范圍內(nèi)共觀測到2層地下水，分別為：潛水，其穩(wěn)定水位埋深9.2～11.7 m；微承壓水，穩(wěn)定水位埋深14.1～16.7 m，承壓水頭為4.0～6.5 m。

2 下穿施工數(shù)值模擬

2.1 計算模型

為預(yù)測下穿施工過程中既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和量值，尋找和發(fā)現(xiàn)施工變形的關(guān)鍵控制工況，并為下穿施工過程既有頂管隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論基礎(chǔ)，研究中采用有限差分程序建立三維地質(zhì)力學(xué)模型，對下穿施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)工程實際情況，模型尺寸：長度取140 m，寬度取99 m，高度為55.5 m。計算模型中隧道結(jié)構(gòu)、注漿體、土體均采用實體單元模擬，盾構(gòu)機(jī)頭采用殼單元模擬。單元數(shù)量為194 120個。具體模型如圖3所示。除地表設(shè)置為自由面外，其他各面均采用法向位移約束邊界。地層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，隧道管片采用彈性本構(gòu)模型。盾構(gòu)掘進(jìn)過程參閱文獻(xiàn)[21]進(jìn)行模擬計算，關(guān)鍵點為單元“生死”、土艙壓力與注漿壓力模擬。

圖3 數(shù)值計算模型

模擬中，在既有頂管底板不同位置共設(shè)置7個監(jiān)測點(如圖4(a)中M1～M7)及8條測線(如圖4(b)中Ⅰ～Ⅷ)，以便于監(jiān)測分析不同工況下既有隧道變形與受力特點，以及其演化規(guī)律，具體測點及測線的布設(shè)情況如圖4所示。根據(jù)施工組織安排，本工程執(zhí)行新建隧道右線先行的原則，即當(dāng)右線隧道完成下穿段施工后再進(jìn)行左線隧道掘進(jìn)。

圖4 計算模型中測點及測線布設(shè)示意

2.2 計算參數(shù)選取

數(shù)值分析中的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 既有隧道底板測點沉降計算結(jié)果

掘進(jìn)過程中既有頂管隧道底板測點沉降變形監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)過程中監(jiān)測點豎向位移變化曲線

圖5中施工步序的含義為：步序1是指新建右線隧道掌子面掘進(jìn)至監(jiān)測點M1下方，步序2為右線隧道掘進(jìn)至監(jiān)測點M2下方，步序3為右線隧道掘進(jìn)至監(jiān)測點M3下方，步序4為左線隧道掘進(jìn)至監(jiān)測點M4下方，步序5為左線隧道掘進(jìn)到監(jiān)測點M5下方，步序6為左線隧道掘進(jìn)到監(jiān)測點M6下方，步序7為左線隧道掘進(jìn)到監(jiān)測點M7下方。

由計算結(jié)果可以看出，各測點沉降變形基本上均隨新建隧道的掘進(jìn)而不斷增加；當(dāng)新建隧道掌子面通過測點時的沉降會有明顯加大；下穿施工結(jié)束時，既有隧道C和D受開挖擾動較為明顯，監(jiān)測點M4沉降最大，沉降達(dá)到6.6 mm。

3.2 既有隧道底板測線沉降計算結(jié)果

不同施工階段既有隧道豎向位移云圖如圖6、圖7所示，底板沉降如圖8、圖9所示，橫軸坐標(biāo)原點即為圖1中沈莊工作井位置處。根據(jù)計算結(jié)果可以看出：①當(dāng)右線掘進(jìn)完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降位置位于右線盾構(gòu)隧道上部的頂管隧道D處，最大沉降值為4.3 mm；②當(dāng)下穿施工完成后，其最大沉降位置向左線盾構(gòu)隧道方向有所偏移，最大值為7.6 mm；③由于測線與掘進(jìn)方向斜交、受雙洞依次掘進(jìn)以及下穿空間位置的差異等影響，各側(cè)線沉降槽曲線均呈明顯的非對稱性，且有不同程度的偏轉(zhuǎn)和平移；④相對于頂管隧道A、B，頂管隧道C、D受盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)擾動較明顯，累計沉降相對較大；⑤對比既有隧道底部兩條測線沉降曲線可以看出，下穿施工過程中，既有隧道底板有橫向不均沉降現(xiàn)象發(fā)生，但橫向沉降差較小，均在2 mm以內(nèi)，不會對通行造成影響。

圖6 右線掘進(jìn)完成既有隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖7 施工完成既有隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖8 右線掘進(jìn)完成時各監(jiān)測線沉降曲線形態(tài)

圖9 施工完成時各監(jiān)測線沉降曲線形態(tài)

4 既有隧道結(jié)構(gòu)沉降控制基準(zhǔn)

4.1 基本原理

(1)頂管隧道在使用過程中，接縫的張開量和管線曲率是影響隧道正常使用的重要指標(biāo)，而在新建隧道下穿既有頂管隧道的施工過程中，必然會對既有頂管隧道接縫的張開量和曲率產(chǎn)生影響。既有頂管隧道接縫張開程度主要取決于地層沉降規(guī)律，并與頂管結(jié)構(gòu)管節(jié)長度密切相關(guān)。在實際工程中，外部工程施工(4號線盾構(gòu)隧道下穿施工)擾動下既有結(jié)構(gòu)的變形情況可通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取，但外部工程擾動前既有結(jié)構(gòu)的變形情況比較復(fù)雜，一般難以通過實測手段獲得。因此，研究中既有隧道的變形規(guī)律和數(shù)值主要取自前述三維數(shù)值模擬的結(jié)果。

(2)研究中，依據(jù)實際工程建立既有頂管隧道的有限元實體模型，模型長99 m，頂管結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，管節(jié)長度按實際工程情況考慮，相鄰管節(jié)接頭節(jié)點采用非耦合方式建立，僅對沿頂管頂板中線單元節(jié)點中坐標(biāo)重合的兩節(jié)點進(jìn)行位移(x、y、z方向)自由度耦合，模型兩端施加水平位移約束，如圖10所示。

圖10 既有頂管隧道結(jié)構(gòu)模型

(3)下穿施工過程中，既有隧道底板響應(yīng)最為敏感，并將這種擾動效應(yīng)上傳至頂板和側(cè)墻。分析中，將前述三維數(shù)值模型計算得到的既有隧道地基土頂面位移結(jié)果，以位移荷載的形式施加到新建模型相應(yīng)位置節(jié)點上。同時，假定既有結(jié)構(gòu)底板變形規(guī)律不變，并按比例調(diào)整既有結(jié)構(gòu)底板的附加豎向位移量，以此搜索既有隧道結(jié)構(gòu)接頭達(dá)到最大允許張開量或極限曲率時所對應(yīng)的豎向允許位移值。

(4)關(guān)于既有頂管隧道結(jié)構(gòu)接頭允許張開量問題，目前尚無城市道路頂管隧道領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)規(guī)程和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。CJJT202—2013《城市軌道交通設(shè)施結(jié)構(gòu)安全技術(shù)保護(hù)規(guī)程》中規(guī)定：在外部施工作業(yè)情況下，既有頂管隧道在外部施工影響下管片張開量控制值可按表3取值。另外，也有相關(guān)研究建議柔性管道接頭允許張開量應(yīng)控制在3.75 mm以內(nèi)[5]。

表3 盾構(gòu)法或頂管法地下結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)本工程特點，外部施工影響下的既有頂管隧道接縫允許張開量可取2 mm；既有頂管隧道附加變形引起的曲率半徑允許值應(yīng)大于15 000 m。

4.2 計算結(jié)果

(1)基于既有頂管接頭允許張開量的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，下穿施工過程中，既有頂管隧道C、D變形響應(yīng)相對明顯，因此，研究中分別取既有頂管隧道C、D變形結(jié)果以位移荷載的形式施加到結(jié)構(gòu)模型相應(yīng)的節(jié)點上。頂管隧道變形形態(tài)如圖11所示。

圖11 既有隧道結(jié)構(gòu)變形示意

采用上述位移荷載-結(jié)構(gòu)模型計算分析得出，當(dāng)管節(jié)接縫張開量達(dá)到2 mm時，機(jī)動車頂管隧道底板結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的沉降值為57.5 mm，非機(jī)動車頂管隧道底板沉降值為81.6 mm。

(2)基于既有隧道結(jié)構(gòu)允許附加曲率的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

以既有頂管隧道C、D為分析對象，比較施工完成后C、D頂管隧道4條監(jiān)測線與底板中線位置處豎向位移，如圖12所示。

圖12 既有隧道底板不同測線沉降曲線

由圖12可以得出，各測線沉降曲線均呈明顯的非對稱性，且其最大曲率均位于最大沉降值位置。其中，Ⅵ、Ⅷ號監(jiān)測線的最大沉降值、局部斜率和曲率與其他測線相比均相對較大，為精準(zhǔn)確定曲線最小曲率半徑，簡化回歸方程表達(dá)形式，研究中僅?、?、Ⅷ號監(jiān)測線豎向位移的部分曲線作回歸分析(所取曲線為最大沉降點附近一定范圍的數(shù)據(jù)及圖中線型相對簡單的一側(cè)數(shù)據(jù))，并將坐標(biāo)原點平移至最大沉降點位置，如圖13所示。

圖13 既有隧道最大曲率點兩側(cè)沉降曲線

設(shè)定所得沉降回歸方程符合Peck公式，機(jī)動車頂管隧道底板沉降曲線擬合如下

(1)

非機(jī)動車頂管隧道底板降曲線擬合如下

(2)

曲率半徑可表示為

(3)

式中，x為距既有隧道中心水平距離，m；y為既有隧道沉降量，mm；R為曲率半徑，m。

假定沉降曲線規(guī)律不變，調(diào)整最大沉降量，當(dāng)最小曲率半徑達(dá)到15 000 m，對應(yīng)的允許最大沉降限值為：機(jī)動車頂管隧道30.9 mm，非機(jī)動車頂管隧道27.8 mm。

(3)下穿施工過程既有隧道沉降管理基準(zhǔn)

綜合上述分析結(jié)果，既有非機(jī)動車頂管隧道對沉降變形的適應(yīng)性相對較差，下穿施工過程中應(yīng)予以重視；相對于接縫張開量控制標(biāo)準(zhǔn)，基于既有隧道結(jié)構(gòu)允許附加曲率的沉降控制要求相對較為嚴(yán)格。從確保施工安全角度出發(fā)，同時也為簡化施工管理指標(biāo)，施工中既有行車隧道和非機(jī)動車隧道均采用統(tǒng)一的最大沉降控制限值，即允許最大沉降不應(yīng)大于25 mm，預(yù)警值均按允許最大沉降的50%設(shè)置，即12.5 mm。

5 監(jiān)測結(jié)果

為保證施工安全，在下穿段影響范圍內(nèi)既有頂管隧道底板布設(shè)了監(jiān)測點，測點具體布置如圖14所示。

圖14 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

施工結(jié)束后既有頂管隧道C、D結(jié)構(gòu)底板測線沉降的實測與數(shù)值計算結(jié)果分別如圖15、圖16所示，從圖中可得：①數(shù)值模擬結(jié)果略小于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，但兩者規(guī)律性吻合較好，證明基于數(shù)值計算結(jié)果建立的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)是切實可行的；②施工過程沉降控制效果較好，累計沉降遠(yuǎn)小于所制定的預(yù)警值。

圖15 C頂管隧道沉降曲線

圖16 D頂管隧道沉降曲線

6 結(jié)論

以鄭州地鐵4號線會展中心站—商鼎路站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有頂管隧道群為工程背景，開展了地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿既有頂管隧道施工力學(xué)效應(yīng)及變形控制基準(zhǔn)研究，主要結(jié)論如下。

(1)三維數(shù)值動態(tài)模擬計算揭示了下穿施工過程中既有頂管隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和形態(tài)特征：受隧道空間位置關(guān)系及盾構(gòu)雙洞依次掘進(jìn)影響，頂管隧道軸向沉降曲線均呈明顯的非對稱性，且在施工過程中發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)和平移；相對于頂管隧道A、B，頂管隧道C、D受盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)擾動較明顯，累計沉降相對也較大；對比同一頂管隧道底部兩側(cè)測線沉降曲線可以看出，下穿施工過程中，隧道底板有橫向(垂直于通行方向)不均沉降現(xiàn)象發(fā)生，但沉降差較小，均在2 mm以內(nèi)，不會對通行造成影響。

(2)提出了以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)、以隧道管節(jié)接縫允許張開量和結(jié)構(gòu)線形允許最小附加曲率半徑為控制目標(biāo)的頂管隧道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定方法；從確保施工安全角度出發(fā)，施工中既有行車隧道和非機(jī)動車隧道均采用統(tǒng)一的沉降控制限值，即允許最大沉降不應(yīng)大于27 mm，預(yù)警值均按允許最大沉降的50%設(shè)置，即13.5 mm。

(3)現(xiàn)場監(jiān)控量測證實了基于數(shù)值結(jié)果建立的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，且施工沉降控制效果較好，累計沉降遠(yuǎn)小于所制定的預(yù)警值。

提出的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及其確定方法主要是基于實際工況制定的，后續(xù)可對正交下穿、上跨等不同穿越情況下頂管隧道的變形特點進(jìn)行研究，拓寬沉降控制標(biāo)準(zhǔn)制定方法的應(yīng)用范圍。