彭萬平,甘鵬路

（1.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安710054；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

近年來，在地下工程施工中經(jīng)常遇到新建通道上穿既有隧道的情況，上部開挖會(huì)對(duì)土層造成擾動(dòng)，進(jìn)而引起下部既有隧道的位移變化，對(duì)公共安全造成較大影響[1-3]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行了相關(guān)研究，賀美德、張成平等[4-5]以北京市地下人行通道近距離上穿地鐵10號(hào)線盾構(gòu)隧道工程為背景，分析了大斷面通道上穿盾構(gòu)隧道的變形情況。汪洋等[6]以廣州地鐵3號(hào)線大塘—瀝滘區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為背景，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和三維有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，得出了盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道的變形及內(nèi)力影響規(guī)律。溫鎖林[7]以上海東西通道跨越地鐵二號(hào)線工程為背景，研究了地鐵上方基坑明挖的施工控制技術(shù)。劉樹佳等[8]基于上海地鐵11號(hào)線與既有地鐵4號(hào)線多線疊交的復(fù)雜工況，采用數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)為多線疊交盾構(gòu)施工微擾動(dòng)的控制技術(shù)提供了一定理論基礎(chǔ)。

本文以杭州市第二水源輸水通道（九溪線）上穿既有紫之隧道為背景，其中九溪線在該區(qū)段與紫之隧道斜交，考慮到工程特殊性，施工方法采取放坡開挖。利用三維有限差分軟件，對(duì)九溪線基坑開挖過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了既有隧道及箱涵位移變化規(guī)律，為該類地下工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

1.1 近接隧道相互位置關(guān)系

杭州市第二水源輸水通道（九溪線）主要選址之浦路、之江路沿線，新建輸水管道長(zhǎng)約1355m。本次分析選取九溪線DG02-DG03段，該區(qū)段位于西湖區(qū)之江路與梅靈南路交叉口北側(cè)，輸水管2次上跨紫之隧道。擬建輸水管道為DN3200鋼管，壁厚32mm，受既有紫之隧道限制，輸水管道采用明挖法施工。管道管底最小標(biāo)高為2.3m，該斷面內(nèi)東、西線隧道拱頂標(biāo)高分別為-8.1m和-8.5m，隧道頂距離開挖基坑底面為10.1m。九溪線與紫之隧道交叉角度約35°。既有引水箱涵位于九溪線南側(cè)，結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與管道中心距離為8.85m。既有箱涵頂板標(biāo)高5.3m。平面相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件及施工方案

九溪線輸水管道與既有紫之隧道交叉處，地層從上往下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、碎石土和全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。九溪線DG02-DG03與紫之隧道交叉段施工方法為兩臺(tái)階1∶1.5放坡開挖。工程場(chǎng)地周邊地面絕對(duì)高程約8.70m（以下均以絕對(duì)高程表示），第一次開挖后標(biāo)高5.3m，輸水管道管底標(biāo)高2.30m?；訉?shí)際開挖深度6.7～7.0m。開挖完成后安裝管線，之后以回填土分步回填，如圖2所示。

圖1 九溪線DG02-DG03與紫之隧道平面位置關(guān)系圖

圖2 放坡開挖示意圖

2 數(shù)值計(jì)算

采用FLAC3D軟件對(duì)本工程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模型假定巖土體為均質(zhì)、各向同性材料，并符合Mohr-Cou?lomb屈服準(zhǔn)則。模型邊界范圍考慮5倍洞徑，沿九溪線縱向（Y方向）取180m，與九溪線垂直方向（X方向）取60m，土層厚度（Z方向）取60m。紫之隧道模型與九溪線豎向投影斜交，交叉角度35°。數(shù)值模型如圖3所示。模型的邊界條件：前后左右面受水平約束，下邊界受豎向約束，上邊界（地表）為自由邊界。整體模型加自重應(yīng)力場(chǎng)g=9.8m/s2。根據(jù)九溪線施工步序，模型施工計(jì)算步驟根據(jù)各建設(shè)內(nèi)容的先后順序進(jìn)行，具體詳見表1。依據(jù)地質(zhì)資料和工程設(shè)計(jì)施工圖，地層物理力學(xué)參數(shù)以及上部九溪線和下部既有紫之隧道的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值見表2和表3。

圖3 上下交叉三維模型

表1 施工計(jì)算步序

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 紫之隧道位移分析

紫之隧道二次襯砌豎向位移云圖如圖4所示，圖中左側(cè)為西線，右側(cè)為東線。通過分析九溪線基坑開挖、回填等各個(gè)施工步序中紫之隧道二次襯砌的拱頂與仰拱豎向位移情況可知：

（1）在基坑開挖過程中，沿紫之隧道縱向的二次襯砌豎向位移由交叉處向兩端逐漸減小，呈拋物線分布；

（2）在基坑回填過程中，沿紫之隧道縱向的二次襯砌豎向位移回落。從開挖到回填整個(gè)過程中二襯的位移變化較小；

（3）在各施工步序中，最大位移出現(xiàn)在基坑開挖完畢階段，位置為九溪線與紫之隧道交叉處的斷面，東線隧道二次襯砌拱頂最大上浮量為3.02mm，仰拱最大上浮量為2.56mm。西線隧道二次襯砌拱頂最大上浮量為2.98mm，仰拱最大上浮量為2.54mm。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 紫之隧道應(yīng)力分析

依據(jù)紫之隧道最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從開挖到回填完畢整個(gè)過程中紫之隧道最大主應(yīng)力變化規(guī)律如下：

（1）在基坑開挖及回填的整個(gè)過程中，最大主應(yīng)力量值較小，且集中在墻腳與拱腰；

（2）基坑開挖完畢后，最大拉力出現(xiàn)在東線墻腳，量值為1.59MPa，最大壓力在西線拱腰，量值為0.68MPa；

（3）基坑回填完畢后，最大拉力出現(xiàn)在東線墻腳，量值為0.96MPa，最大壓力在西線拱腰，量值為0.73MPa。

圖4 紫之隧道二次襯砌豎向位移云圖

3.3 紫之隧道安全性分析

通過研究分析，九溪線與紫之隧道交叉處隧道斷面為最不利截面。由于篇幅原因，本文只分析了在上部基坑開挖完畢時(shí)，最不利截面的受力特征。既有隧道截面的控制點(diǎn)布置如下圖5所示。

基坑開挖完成后，紫之隧道西、東線二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力見表4。由表4分析可知：

（1）基坑開挖完成后，二次襯砌結(jié)構(gòu)受力特征為受壓。

表4 基坑開挖完成紫之隧道二襯內(nèi)力表

圖5 既有隧道截面控制點(diǎn)

（2）西線最不利位置為左邊墻，東線最不利位置為右邊墻。

（3）紫之隧道西線最大軸力位于左邊墻處為-1428kN，最大彎矩位于拱頂處，量值為40.63kN·m，最小安全系數(shù)為10.2，位于左邊墻處。東線最大軸力位于右邊墻處，量值為-123kN，最大彎矩位于右邊墻處，量值為-49.41kN·m，最小安全系數(shù)為11.4，位于右邊墻處。

3.4 引水箱涵位移分析

側(cè)邊基坑開挖引起了既有引水箱涵的位移變化，分析引水箱涵結(jié)構(gòu)的豎向位移變化情況可知：

（1）隨著開挖進(jìn)行，引水箱涵上浮位移增大；隨著回填進(jìn)行，上浮位移減小，總體豎向位移有減小趨勢(shì)，回填完成后，箱涵靠開挖側(cè)變?yōu)橄鲁粒?/p>

（2）基坑開挖完畢時(shí)，頂板上浮位移最大，量值為5.1mm，靠基坑開挖側(cè)側(cè)墻上浮值為4.7mm；

（3）回填完畢時(shí)，靠近開挖側(cè)的側(cè)墻出現(xiàn)下沉，下沉最大值為2.17mm,遠(yuǎn)離開挖處的側(cè)墻仍是上浮,上浮值為1.05mm。

分析引水箱涵結(jié)構(gòu)的水平位移變化情況可知：

（1）隨著開挖進(jìn)行，引水箱涵水平位移增大，向著基坑開挖側(cè)出現(xiàn)傾覆趨勢(shì)；隨著回填進(jìn)行，水平位移有所減小；

（2）頂板水平位移最大，側(cè)墻水平位移沿豎向向下逐漸減?。?/p>

（3）在開挖完畢時(shí)，頂板水平位移最大，量值為5.35mm，靠基坑開挖側(cè)側(cè)墻位移為4.29mm。

4 結(jié)論

針對(duì)九溪線斜交上穿既有隧道的工程狀況，通過研究分析得出如下結(jié)論：

（1）上部輸水管線基坑開挖施工時(shí)，下部既有紫之隧道位移均表現(xiàn)為上?。?/p>

（2）在基坑開挖及回填的整個(gè)過程中，最大主應(yīng)力量值較小，且集中在拱腳與拱腰處；

（3）基坑開挖完畢后，二次襯砌變形控制標(biāo)準(zhǔn)為受壓控制，且安全系數(shù)較高，西線最不利位置為左邊墻，東線最不利位置為右邊墻；

（4）隨著開挖進(jìn)行，引水箱涵上浮及水平位移逐漸增大，頂板水平位移大于側(cè)墻水平位移，側(cè)墻水平位移沿豎向向下逐漸減小，出現(xiàn)傾覆趨勢(shì)；隨著回填進(jìn)行，上浮及水平位移逐漸減小，總體位移有減小趨勢(shì)，回填完成后，箱涵靠開挖側(cè)變?yōu)橄鲁粒?/p>

（5）基坑開挖完畢后，紫之隧道東線交叉處二次襯砌拱頂最大上浮位移為3.02mm，紫之隧道西線交叉處二次襯砌拱頂最大上浮2.98mm；

（6）基坑開挖完畢后，引水箱涵頂板最大上浮位移為5.1mm，最大水平位移為5.35mm；靠九溪線側(cè)墻最大上浮位移為4.7mm，最大水平位移為4.29mm。

雖然既有隧道上浮位移值小于《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）[9]提供的預(yù)警值。但實(shí)際基坑開挖造成的影響受多方面因素控制。因此，在基坑開挖過程中應(yīng)該加強(qiáng)交叉處隧道斷面的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工方案，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。