杜明芳，張 燕，陳家豪，張 鵬

(河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，交通線路由單一線路變?yōu)閺?fù)雜線網(wǎng)，新建線路鄰近既有隧道的高危工況常有出現(xiàn)[1]。地鐵作為城市主要的軌道交通，其客流量大、人員較為密集。新建下穿通道工程頂管上跨鄰近既有地鐵隧道時(shí)，會(huì)使周?chē)馏w出現(xiàn)不同程度的變形。當(dāng)周?chē)馏w產(chǎn)生的變形過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)相鄰的既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響既有地鐵的安全與正常運(yùn)營(yíng)[2-3]。因此，展開(kāi)下穿通道施工全過(guò)程對(duì)鄰近既有地鐵隧道影響的研究是非常必要的。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在新建工程施工對(duì)鄰近既有隧道穩(wěn)定性分析方面開(kāi)展了大量研究，如：XU等[4]、AVGERINOS[5]對(duì)深基于有限元模擬，從不同角度對(duì)基坑開(kāi)挖引起鄰近隧道變形進(jìn)行研究。有限元模擬分析，研究了不同隧道相對(duì)開(kāi)挖的相對(duì)位置、隧道直徑、開(kāi)挖尺寸和隧道保護(hù)措施對(duì)既有隧道的影響；AVGERINOS[5]研究了新建基坑開(kāi)挖引起的環(huán)向力、彎矩和襯砌變形的變化，進(jìn)行了土壓平衡機(jī)面壓和既有隧道的縱向剛度兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)既有隧道的影響研究；劉迪迪[6]以蘇州某基坑工程為例，對(duì)穿越地鐵隧道的方式、措施及難點(diǎn)進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的措施；劉波等[7]基于數(shù)值模擬對(duì)施工可能引起的隧道及地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了隧道及地表變形規(guī)律，提出了頂管施工期間隧道及地表變形的3個(gè)不同發(fā)展階段；姜之陽(yáng)等[8]以北京某工程為依托，利用有限元軟件分析了矩形頂管上跨施工對(duì)地鐵隧道上浮的影響和不同的抗浮配重對(duì)隧道變形的影響；石雷等[9]以某上跨運(yùn)營(yíng)隧道工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)頂管機(jī)正面土壓力值、管節(jié)壓重、減摩泥漿壓注量進(jìn)行分析。然而，當(dāng)前研究多集中于新建工程施工中某一過(guò)程對(duì)既有隧道的影響，而關(guān)于新建工程施工全過(guò)程對(duì)鄰近既有地鐵隧道的影響研究較少。

本文以鄭州市金水路(西三環(huán)至東四環(huán))項(xiàng)目東明路行人非機(jī)動(dòng)車(chē)下穿通道工程為背景，采用有限元軟件Midas GTS模擬分析下穿通道施工全過(guò)程對(duì)既有地鐵隧道的影響，總結(jié)大斷面矩形頂管上跨施工及基坑施工對(duì)鄰近既有地鐵隧道的水平位移和沉降的變化特征，以期為相似工程的安全施工提供一定的借鑒和參考。

1 工程概述

1.1 下穿通道及出入口概況

鄭州市金水路(西三環(huán)至東四環(huán))項(xiàng)目東明路行人非機(jī)動(dòng)車(chē)下穿通道工程位于金水路—東明路交叉口西側(cè)，主通道沿南北向下穿金水路后在金水路人行道外側(cè)設(shè)置一對(duì)出入口。下穿通道主通道設(shè)計(jì)埋深為6.95 m，結(jié)構(gòu)埋深為7 m，通道內(nèi)布置2.5 m寬人行道與5 m寬非機(jī)動(dòng)車(chē)道，通行凈高均不小于2.5 m，工程位置如圖1所示。新建下穿通道工程一部分采用明挖法施工，一部分采用頂管法施工。

圖1 工程場(chǎng)地位置

1.2 地鐵隧道概況

鄭州市軌道交通地鐵1號(hào)線已運(yùn)營(yíng)，其中紫荊山站—燕莊站區(qū)間線路左線全長(zhǎng)為1 875.588 m，右線全長(zhǎng)為1 878.401 m，紫荊山站—燕莊站區(qū)間線路最大坡度為7.45‰，最小坡度為2.0‰。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，管片混凝土為C50。地鐵1號(hào)線紫荊山站—燕莊站區(qū)間與東明路下穿通道相交處附近，地鐵隧道左線結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為78.57 m，右線結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為78.56 m，區(qū)間縱坡為3.1‰，地鐵上方覆土厚度為13～14 m，地鐵盾構(gòu)隧道主要穿越地層為粉質(zhì)黏土層和粉砂層?；涌v剖面如圖2所示。

圖2 基坑縱剖面

1.3 下穿通道與地鐵線路相互關(guān)系

東明路下穿金水路人非通道兩端梯(坡)道、頂管工作井基坑臨近地鐵1號(hào)線，東明路下穿通道頂推段位于地鐵1號(hào)線紫荊山站～燕莊站區(qū)間隧道上方，與地鐵1號(hào)線成斜交上跨關(guān)系，斜交角度為75°。在相交位置，地鐵隧道上方覆土厚度為14.73 m，地鐵隧道與下穿通道間的最小結(jié)構(gòu)凈距約為6.9 m。

1.4 施工保護(hù)措施

為增強(qiáng)地鐵隧道周邊土體的抗變形能力，對(duì)隧道周邊采用MJS工法進(jìn)行加固。MJS規(guī)格為D2 000@1 800 mm，搭接寬度為 200 mm。采用門(mén)式加固方法，從地鐵隧道保護(hù)區(qū)域加固至拱頂以上2 m。始發(fā)井、接收井、基坑坑底均采用高壓旋噴樁滿堂加固，加固深度為坑底以下3 m。始發(fā)井、接收井進(jìn)出洞口采用MJS加固，加固寬度為 6 m，加固深度為坑底以下4 m。始發(fā)井后靠墻采用三軸水泥土攪拌樁加固，加固寬度為4 m，加固深度為坑底以下4 m。

2 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

2.1 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型。模型尺寸為165 m×160 m×60 m，模型X方向?yàn)轫樀罔F方向，Y方向?yàn)轫橅敼芊较?，Z方向?yàn)樨Q直方向。模型采用位移邊界條件，頂面為自由面，無(wú)約束；底面每個(gè)方向均約束；4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束，有限元數(shù)值計(jì)算分析模型如圖3所示。

(a)整體；(b)位置關(guān)系

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

模型中土體以實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫(kù)倫彈塑性模型，土體材料參數(shù)如表1所示。模型中盾構(gòu)、頂管管片、支護(hù)樁以板單元模擬，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 土層材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

由于工程施工步序較為復(fù)雜，選取其中具有代表性的工況：1)工況1：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；2)工況2：開(kāi)挖工作井基坑；3)工況3：矩形頂管通道施工；4)工況4：開(kāi)挖出入口基坑。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 豎向位移分析

各工況施工誘發(fā)緊鄰地鐵1號(hào)線既有結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖4所示。由圖4可知：預(yù)測(cè)最大豎向位移為2.21 mm，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中地鐵隧道最大豎向位移為-1.03 mm；工作井基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道最大豎向位移為-0.43 mm；頂管頂進(jìn)過(guò)程中地鐵隧道最大豎向位移為1.62 mm；出入口基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道最大豎向位移為2.21 mm。

3.2 水平位移分析

各工況施工誘發(fā)緊鄰地鐵1號(hào)線既有結(jié)構(gòu)的水平(Y方向)位移云圖如圖5所示。由圖5可知：預(yù)測(cè)最大水平Y(jié)向位移為0.52 mm，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程地鐵隧道最大水平Y(jié)向位移為 0.2 8mm；工作井基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道最大水平Y(jié)向位移為 0.32 mm；頂管頂進(jìn)過(guò)程中地鐵隧道最大水平Y(jié)向位移為 0.52 mm；出入口基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵隧道最大水平Y(jié)向位移為0.47 mm。綜上，東明路行非機(jī)動(dòng)車(chē)下穿通道工程施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移影響較小，頂管施工后隧道結(jié)構(gòu)位移在允許范圍內(nèi)，既有隧道結(jié)構(gòu)受力安全。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3；(d)工況4

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及控制指標(biāo)

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為檢測(cè)下穿通道工程施工全過(guò)程對(duì)地表及既有地鐵隧道的影響，選取各施工步序中的最大豎向(Y方向)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比如圖6所示。由圖6可知：監(jiān)測(cè)斷面最大降值為2.6 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果中，該區(qū)域最大沉降值為2.1 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)值與模擬數(shù)值結(jié)果趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明模型準(zhǔn)確性較好。

1—模擬值；2—監(jiān)測(cè)值。

4.2 控制指標(biāo)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)[10]要求，結(jié)合數(shù)值分析和工程實(shí)際特點(diǎn)，綜合變形預(yù)測(cè)結(jié)果和運(yùn)營(yíng)安全的要求，確定下穿通道施工期間既有1號(hào)線隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 變形控制標(biāo)準(zhǔn) mm

5 結(jié) 論

本文以鄭州市金水路(西三環(huán)至東四環(huán))項(xiàng)目東明路行人非機(jī)動(dòng)車(chē)下穿通道工程為背景，利用有限元軟件Midas GTS模擬頂管及基坑施工過(guò)程對(duì)既有地鐵隧道的變形影響，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)論如下。

(1)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，下穿通道工程施工全過(guò)程中誘發(fā)地鐵1號(hào)線隧道的最大水平位移為0.52 mm，最大豎向位移為 2.12 mm，既有地鐵隧道的水平位移及豎向位移最大值均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)結(jié)合地鐵現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，施工過(guò)程中出現(xiàn)最大位移的位置集中在頂管通道與地鐵1號(hào)線相交位置的隧道斷面。

(3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，對(duì)巖土工程問(wèn)題而言，如果數(shù)值建模的邊界條件和參數(shù)取值接近實(shí)際情況，數(shù)值模擬是解決巖土工程問(wèn)題有效方法。

(4)周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下，對(duì)周邊建筑物、地鐵等的位移及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要的，監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果是否合理，且可以動(dòng)態(tài)保證周?chē)ㄖ锏陌踩?/p>