崔光耀,宋博涵,何繼華,田宇航

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144; 2.中鐵二十三局集團第六工程有限公司,重慶 400012)

1 研究背景

截至2021年6月,全國共計47座城市已開通軌道交通線路245條,總里程數(shù)達到7 957 km。城市地鐵的建設(shè)已然成為城市軌道交通發(fā)展的重中之重。受地下復(fù)雜環(huán)境的影響,地鐵隧道不斷出現(xiàn)上跨、下穿、平行側(cè)穿等多條隧道交疊等情況。因此,保證既有隧道的安全運營,降低新建隧道自身的施工風險是目前關(guān)注的重點。

降低施工擾動影響或主動控制既有隧道的變形,是解決近接隧道施工問題的核心。從施工擾動影響而言,卸載造成圍巖應(yīng)力重分布是近接施工擾動影響的本質(zhì)原因,繼而對隧道產(chǎn)生新的荷載作用。而對于上跨、下穿、平行等不同近接形式的穿越既有隧道,受力特征也會發(fā)生改變[1-3]。新建隧道上跨既有隧道近接施工,根據(jù)工法的不同會導(dǎo)致既有隧道發(fā)生不同程度的上浮[4-5];下穿既有隧道施工,由于土體損失及固結(jié)沉降,既有隧道的結(jié)構(gòu)變形主要以沉降為主[5-6];平行側(cè)穿既有隧道施工,由于土體的附加應(yīng)力作用,既有隧道邊墻會向新建隧道方向擴張,拱頂發(fā)生沉降[7-8]。

明確隧道近接施工的受力特征,以此著手考慮加固措施的施作,可有效地控制擾動影響。例如,通過數(shù)值模型,對隧道開挖前后主應(yīng)力加載面的變化建立影響分區(qū),以初始地應(yīng)力場的應(yīng)力計算得到的加載面函數(shù)Fα與新建隧道開挖完成后應(yīng)力狀態(tài)計算得到的加載面函數(shù)F的大小關(guān)系為判別準則,當加載面函數(shù)F≥0時,表示圍巖發(fā)生屈服,為強影響區(qū),并于強影響區(qū)內(nèi)進行措施加固,保證工程的順利進行[4];當0>F>Fα?xí)r,為弱影響區(qū);當Fα≥F時,為無影響區(qū)。通過影響分區(qū)理論[1],提出基于工程的近接影響判別表達式,由近接影響度劃分影響區(qū)域,并結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測等方法對提出的分區(qū)對策進行驗證[9];通過Mindlin彈性力學(xué)經(jīng)典解先估算施工開挖對既有隧道造成的荷載作用,在此基礎(chǔ)上進行有限差分計算,得到既有隧道縱向預(yù)測變形值,結(jié)合實際工程驗證該計算方法的適用性[10]。

綜上所述,部分專家學(xué)者對隧道近接施工的受力特征、影響分區(qū)、結(jié)構(gòu)變形等通過數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法進行了大量的研究。對于隧道超近接施工,加固措施關(guān)系著施工的順利安全進行,然而既有隧道的哪些空間范圍內(nèi)需要控制措施,還需要進一步研究。因此,確定新建隧道施工的擾動影響分區(qū)尤為關(guān)鍵。本文依托北京地鐵新機場線上跨既有地鐵10號線暗挖工程,對新建隧道超近接上跨既有隧道的擾動影響分區(qū)進行了研究。

2 工程概況

2.1 工程位置

北京地鐵新機場線暗挖區(qū)間段上跨既有地鐵10號線,間距0.97 m,呈68°斜交,屬超近接上跨施工,為特級風險源;下穿鎮(zhèn)國寺北街,埋深4 m,屬超前埋深,為一級風險源。具體地理位置如圖1所示。

圖1 新機場線暗挖區(qū)間Fig.1 Concealed excavation section of new airport line

2.2 地質(zhì)條件

地層分布較均勻,由上至下依次為粉土素填土①層、粉土②層、粉細砂②3層、圓礫、礫砂②5層、粉細砂④3層、卵石圓礫⑤層、卵石圓礫⑦層、卵石圓礫⑨層,巖性屬軟弱Ⅴ級圍巖。

根據(jù)地質(zhì)詳勘,30 m深度范圍內(nèi)揭露2層地下水,分別為上層滯水和潛水(微承壓),分別賦存于第②5層圓礫、礫砂層和第⑨層卵石層中,地下水位標高約18.55 m,工程位于水位線以上。在施工過程中密切關(guān)注地下水水位的動態(tài)變化,加強地下水位監(jiān)測,并根據(jù)實際情況及時進行地下水處理,施工過程中若發(fā)現(xiàn)上層滯水,可采取明排措施,同時應(yīng)切斷其補給源,妥善處置,以保證施工的安全進行。

2.3 隧道暗挖區(qū)間施工概況

新建隧道暗挖區(qū)間長約62.7 m,橫向洞樁間距12 m,洞內(nèi)高6.4 m。由于復(fù)含2個特殊風險源,為最大程度上降低施工風險,優(yōu)選洞樁法進行施工。洞樁法的特點為在施工過程中首先開挖多個小導(dǎo)洞,率先形成多個臨時的小支護體系,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后完成后續(xù)施工內(nèi)容[11-13]。

本文洞樁法施工斷面及施工流程如圖2所示。在導(dǎo)洞開挖前采取超前打設(shè)管棚及小導(dǎo)管注漿等主動控制措施以保證地表變形在安全范圍內(nèi)。上層小導(dǎo)洞、下層土體均采用對向臺階法施工,單位進尺為3 m,下臺階開挖滯后上臺階3 m進行。

圖2 洞樁法施工斷面及流程Fig.2 Construction section and process of Pile-Beam-Arch method

3 近接施工影響分區(qū)

3.1 拱頂隆起值控制標準

依據(jù)現(xiàn)場 “微擾動”施工要求,基于既有隧道拱頂隆起值,制定相應(yīng)的控制標準,見表1?，F(xiàn)場要求既有隧道拱頂隆起不得超過2 mm,報警值一般取變形控制值的70%,故不得超過1.4 mm。基于拱頂隆起值控制標準,可確定影響分區(qū)的閾值范圍。

表1 拱頂位移控制標準Table 1 Vault displacement control standard

3.2 計算工況

為確定隧道施工對既有隧道的橫向擾動影響分區(qū),首先建立不同凈距、不同埋深條件下的既有隧道模型,計算工況如表2所示。采用FLAC3D有限差分計算軟件對30種工況進行施工仿真計算,提取30個位置下的拱頂變形,后通過拱頂隆起控制標準的橢圓線對各點進行擬合,確定影響分區(qū)。

表2 計算工況Table 2 Calculation conditions

表2中,D為新建隧道洞徑,跨度為12 m;H為既有隧道拱頂至新建隧道底板埋深距離,S為新建隧道中心線至既有隧道拱頂凈距。計算工況示意圖如圖3所示。

圖3 計算工況示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation condition

3.3 計算模型

建立二維彈塑性本構(gòu)模型,摩爾-庫倫準則為塑性破壞準則。各材料均以實體單元構(gòu)建,模型縱深6 m,高60 m,寬90 m,盾構(gòu)管片直徑6 m,以埋深為0.5D,凈距為0D的計算工況為例,如圖4所示。約束模型四周邊界,地表為自由面。地層取Ⅴ級圍巖參數(shù),具體計算參數(shù)見表3。

表3 地層及各材料參數(shù)Table 3 Parameters of strata and materials

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

3.4 計算結(jié)果分析

施工模擬工序同2.3節(jié)。模擬循環(huán)進尺6 m開挖對既有隧道的擾動影響。將30組計算結(jié)果匯于表4進行分析。

表4 既有隧道拱頂隆起值Table 4 Crown uplifts of the existing tunnel

根據(jù)計算結(jié)果,可繪制不同凈距、不同埋深下的擬合曲線,如圖5所示。隨后可通過擬合關(guān)系函數(shù)計算得到拱頂隆起變形2 mm及1.4 mm的位置,可通過埋深與凈距來表示,見表5。由計算結(jié)果,以凈距為橫坐標、埋深為縱坐標,根據(jù)不同控制標準,對該標準下存在的位置點進行擬合,得到不同控制標準下的擾動影響分區(qū),如圖6所示。

表5 不同控制標準既有隧道埋深與凈距Table 5 Buried depth and clear distance of existing tunnel with different control standards

圖5 拱頂隆起值隨埋深與凈距變化的擬合曲線Fig.5 Fitting curves of arch crown uplift value with buried depth and clear distance

圖6 施工影響分區(qū)Fig.6 Zoning of construction impact

由圖6可知,施工對既有隧道的擾動影響大致呈橢圓形,可以通過橢圓線對2種控制標準下的位置點進行擬合[14],擬合曲線由式(1)表示。相應(yīng)地,控制值曲線與報警值曲線也將擾動影響范圍劃分為3個區(qū)域,A為強影響區(qū),若既有隧道在此范圍內(nèi),既有隧道拱頂隆起值>2 mm,不滿足現(xiàn)場施工標準,需要在合理的范圍內(nèi)提出加固措施,降低施工對既有隧道的影響;B為弱影響區(qū),若既有隧道在此范圍內(nèi),既有隧道拱頂隆起值介于1.4 mm與2 mm之間,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況對特定區(qū)域采取加固措施;C為無影響區(qū),若既有隧道在該區(qū)域內(nèi),新建隧道對其擾動影響較弱,僅對特殊位置保持普通監(jiān)測即可。

其中S/D≥0,H/D≥0.1。

4 加固措施及其控制效果分析

4.1 加固措施的確定

擾動影響分區(qū)的確定,可為加固措施的選擇提供參考。本文工程既有隧道距新建隧道底板僅0.97 mm,在控制范圍內(nèi),應(yīng)采取必要的加固措施保證施工安全性。

一般大跨度地鐵隧道、車站施工常見的加固措施為超前管幕加固措施[15]。為控制既有隧道隆起,提出2種措施:新建隧道底板下方打設(shè)超前管幕,施作于下方土體開挖前;當開挖Ⅱ、Ⅲ層土體時,隨掌子面推進通過預(yù)留孔對底板下方3 m范圍內(nèi)進行超前低壓注漿,計算工況如圖7所示。

圖7 加固措施計算工況Fig.7 Reinforcement conditions

建立三維模型,通過FLAC3D有限差分軟件,對上述工況進行數(shù)值模擬分析。為了方便計算,三維模型取寬90 m,縱深60 m,高60 m,如圖8所示。模型條件與材料參數(shù)同3.3節(jié)。補充管幕措施與夾土注漿參數(shù),見表6。

表6 材料參數(shù)Table 6 Material parameters

圖8 三維模型Fig.8 Three-dimensional computation model

4.2 加固措施效果分析

施工模擬工序與2.3節(jié)中工序相同,模擬施工為對向施工,直至施工完成。提取施工完成后新建隧道與既有隧道交叉處南線隧道拱頂隆起值的變化進行分析,如表7所示。

表7 不同工況下的隧道拱頂隆起位移變化Table 7 Variation of crown uplifts of tunnel under different working conditions

由表7可知,暗挖區(qū)間采用工況2與工況3加固措施均能降低隧道開挖對既有隧道的擾動影響,且控制效果較好,相較于工況1,工況2和工況3的拱頂位移分別減小64.05%、70.23%。從控制效果分析,采取工況3加固措施優(yōu)于工況2加固措施;從施工安全角度考慮,采取工況2加固措施最終施工完成后既有隧道拱頂隆起>2 mm,未滿足現(xiàn)場施工控制標準,采取工況3加固措施最終施工完成后既有隧道拱頂隆起值滿足現(xiàn)場控制標準。

綜上,采取超前管幕措施+夾土注漿加固措施能夠保證新機場線暗挖區(qū)間的施工安全性及地鐵10號線的運營安全。

5 結(jié) 論

(1)基于既有隧道拱頂位移控制標準,建立了北京地鐵新機場線超近接上跨既有隧道施工影響分區(qū),分別為強影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響區(qū)。

(2)根據(jù)施工影響分區(qū)及工程特點,提出了超前管幕和超前管幕+夾土注漿2種加固措施。

(3)經(jīng)數(shù)值計算對比分析了2種加固措施的控制效果,結(jié)果表明:2種加固措施均能降低隧道開挖對既有隧道的擾動影響,拱頂隆起值分別減小64.05%(超前管幕)和70.23%(超前管幕+夾土注漿)。建議采用超前管幕+夾土注漿措施進行近接施工加固。