張劍濤， 馬 靜

(1. 北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司， 北京 100082； 2. 北京市市政專業(yè)設(shè)計院股份公司， 北京 100037)

0 引言

為解決城市交通擁堵問題，大量的地鐵投入運營，眾多交叉、平行的地鐵線路密布于城市地下空間內(nèi)部。在既有地鐵運營區(qū)間鄰近區(qū)域內(nèi)進(jìn)行新建地鐵車站及隧道施工越來越多的涌現(xiàn)。新建地鐵車站及隧道施工形成了一系列復(fù)雜的卸荷、加載過程，對處于運營狀態(tài)的區(qū)間隧道產(chǎn)生了重要影響。

不少學(xué)者對該問題進(jìn)行了研究，為既有運營隧道的保護(hù)提供大量的有益經(jīng)驗。李立云等[1]、陳方[2]、田帥[3]、馬靜[4]等對基坑開挖卸荷施工過程中，運營盾構(gòu)區(qū)間的變形特性、應(yīng)力分布規(guī)律等進(jìn)行了研究； 鄭世杰等[5]、鞏立青[6]、張興麗等[7]、鄧碧等[8]針對平行隧道施工過程中，涉及上軟下硬復(fù)合地層、粉砂地層、軟土地層等多種工程地質(zhì)條件進(jìn)行了研究； 白雪峰等[9]對基于兩階段分析方法研究預(yù)測平行雙洞隧道開挖引起上方已建隧道的縱向變形的簡化解析方法； 矯永剛[10]以濱海軟土地層中盾構(gòu)隧道平行上穿既有隧道為背景，研究了盾構(gòu)隧道施工頂推力對周邊地層及其內(nèi)部既有隧道受力變形的影響； 周巧玲等[11]利用有限差分程序，模擬在近場強(qiáng)震作用下雙孔并行地鐵隧道的地震響應(yīng)，分析其相對位移差峰值、水平向加速度峰值、水平向應(yīng)力峰值隨埋深及隧道間距徑比變化而變化的特性； 趙鵬[12]、姜葉翔[13]等研究了新建隧道施工過程中，既有隧道的變形控制技術(shù)，研究成果涉及注漿預(yù)加固、砂袋反壓回填、二襯跳槽施作以及短段施工等多種技術(shù)。

圖 1 地鐵暗挖通道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置平面圖(m)Fig.1 The plane map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(m)

綜上所述，現(xiàn)有成果集中于研究基坑、隧道施工過程中鄰近盾構(gòu)區(qū)間的變形響應(yīng)規(guī)律、應(yīng)力分布特征、地震響應(yīng)、變形控制技術(shù)等內(nèi)容，較少涉及地鐵運營區(qū)間軌道幾何形位的變化特性。對于在地鐵運營區(qū)間側(cè)方近距離進(jìn)行暗挖隧道施工所引起的隧道結(jié)構(gòu)變形、運營區(qū)間軌道幾何形位變化的研究就更少了，缺乏可供推廣的研究成果。

基于此，本文以太原某典型地鐵暗挖隧道近距離平行穿越盾構(gòu)區(qū)間為例，應(yīng)用數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了地鐵暗挖隧道施工過程中，鄰近運營區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形特性。

1 工程概況

太原某新建地鐵車站位于城市核心區(qū)，其附屬結(jié)構(gòu)包含1條主通道(分為明挖段和暗挖段2部分)和3個出入口(4B出入口、4C出入口和4D出入口)，為保證4D出入口的正常運營，在4C和4D出入口之間設(shè)置一連接通道，即4號出入口主通道暗挖段。該暗挖隧道采用“CD”法施工，結(jié)構(gòu)為單跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈高5.62～6.46m，凈寬8.3m，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度0.30m，臨時中隔壁厚度0.25m，拱頂覆土厚度約4.18m。地鐵暗挖隧道主要位于黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土及中砂層。地鐵暗挖隧道西側(cè)存在一盾構(gòu)區(qū)間主線，該盾構(gòu)區(qū)間已于2020年12月底投入運營，盾構(gòu)區(qū)間拱頂埋深在10.1～17.8m，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)主要經(jīng)過粉土、粉細(xì)砂，隧道圍巖分級為Ⅵ級。盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑6.2m左右，采用板形鋼筋混凝土管片，管片襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C50、抗?jié)B等級為P10。地鐵暗挖隧道與盾構(gòu)區(qū)間水平距離約為2.83m，地鐵暗挖隧道結(jié)構(gòu)底板距離盾構(gòu)區(qū)間頂部距離約為2.02m。地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置平面如圖 1所示，地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置剖面如圖 2所示。

圖 2 地鐵暗挖隧道與地鐵盾構(gòu)區(qū)間相對位置剖面圖(mm)Fig.2 The profile map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(mm)

圖 3 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Finite element model mesh generation

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計算分析，著重分析暗挖通道施工過程中，既有運營盾構(gòu)隧道及其內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)的變形特性。為充分考慮暗挖隧道左右兩側(cè)出入口及施工進(jìn)尺對計算結(jié)果的影響，須建立三維有限元模型進(jìn)行計算分析。綜合考慮暗挖隧道及盾構(gòu)區(qū)間埋深、幾何尺寸、地基土性質(zhì)等的影響，數(shù)值計算模型土體部分尺寸為300m×180m×60m(長×寬×高)，滿足忽略邊界效應(yīng)的要求。整體模型網(wǎng)格劃分如圖 3a所示，暗挖隧道、盾構(gòu)區(qū)間及出入口部分網(wǎng)格劃分如圖 3b 所示。

2.2 模型材料參數(shù)設(shè)定

數(shù)值計算模型中，地基土體選用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型，以最大限度弱化因隧道開挖應(yīng)力釋放所導(dǎo)致的回彈效應(yīng)影響。土體參數(shù)依據(jù)對應(yīng)的工程勘察報告選取。既有運營盾構(gòu)隧道管片、暗挖通道初期支護(hù)及臨時中隔壁采用板單元模擬，彈性本構(gòu)模型； 暗挖通道二次襯砌、地鐵車站出入口采用實體單元模擬，彈性本構(gòu)模型； 盾構(gòu)隧道鋼軌采用梁單元模擬，彈性本構(gòu)模型。計算模型物理力學(xué)計算參數(shù)詳見表 1。

表 1 計算模型物理力學(xué)計算參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of calculation model

2.3 施工工況模擬

數(shù)值計算中，施工步序設(shè)置應(yīng)如實反映施工現(xiàn)場情況。參考施工圖及施工組織設(shè)計，地鐵暗挖通道施工步序如下：

圖 4 計算點布置圖(mm)Fig.4 Layout of observation points(mm)

(3)常年排煙溫度在220 ℃左右，未能進(jìn)行有效的熱回收，而從醫(yī)院了解的情況看，蒸汽冷凝水的回收率亦未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60%的要求；

(2)激活“盾構(gòu)區(qū)間、地鐵暗挖通道、4C及4D號出入口”結(jié)構(gòu)模型，并再次將位移場清零，保留應(yīng)力場；

(3)地鐵暗挖通道管棚施工；

(4)定義地鐵暗挖通道“CD”法動態(tài)施工步序，每個施工進(jìn)尺定義為4m；

(5)依次循環(huán)第(4)步，直至開挖完成；

(6)地鐵暗挖通道二襯結(jié)構(gòu)施工；

(7)計算分析及后處理。

3 計算點布置與變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 計算點布置

圖 5 暗挖通道周圍土體位移云圖(mm)Fig.5 Displacement cloud map of soil around the underground bored tunnel(mm)

3.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

注：徑向坐標(biāo)表示位移，單位：mm； 環(huán)向坐標(biāo)表示監(jiān)測點編號。圖 6 盾構(gòu)區(qū)間位移分布雷達(dá)圖Fig.6 Radar diagram of the displacement distribution of the shield section

4 計算結(jié)果與分析

4.1 地鐵暗挖隧道周圍土體變形分析

暗挖通道貫通后，周圍土體位移云圖如圖 5所示。分析圖 5可知，暗挖通道上方地表沉降呈非對稱“U型”分布，影響范圍約為1倍埋深，影響角約45°，沉降最大點為暗挖通道正上方； 盾構(gòu)隧道右線位于通道底部土體回彈隆起范圍內(nèi)，產(chǎn)生朝向暗挖通道所在位置的豎向位移和水平位移。暗挖通道正上方全跨范圍內(nèi)土體沉降量較大，未出現(xiàn)“土拱現(xiàn)象”，分析原因可知，暗挖通道拱頂覆土厚度約為8.27m、跨度約為8.30m，覆跨比接近1︰1，不存在起拱條件。

4.2 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)變形分析

提取盾構(gòu)區(qū)間中部斷面監(jiān)測點F1～F9位移分布雷達(dá)圖如圖 6所示。分析圖 6可知，隨著暗挖隧道施工的進(jìn)行，盾構(gòu)區(qū)間豎向逐步累積，且呈上浮趨勢，盾構(gòu)區(qū)間頂部、靠近暗挖隧道一側(cè)(計算點F1、F10、F9所在位置)豎向位移較大，最大豎向位移位于計算點F1所在位置，約為3.0mm； 水平位移朝向暗挖隧道所在位置，靠近暗挖隧道一側(cè)(計算點F10、F9、F8所在位置)水平位移較大，最大水平位移出現(xiàn)在計算點F9所在位置，約為4.8mm。綜合盾構(gòu)區(qū)間豎向位移及水平位移的變化特點可知，隨著暗挖隧道施工的進(jìn)行，盾構(gòu)區(qū)間發(fā)生朝向暗挖隧道所在位置的扭轉(zhuǎn)。地鐵暗挖通道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移均小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)[14]所規(guī)定的變形控制值。

提取地鐵暗挖隧道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間A1～K1計算點豎向位移如圖 7所示； 盾構(gòu)區(qū)間A9～K9、A3～A9計算點水平位移如圖 8所示。隨著地鐵暗挖隧道施工的推進(jìn)，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移逐步累加，最終呈“弓”型對稱分布，最大豎向位移及水平位移均出現(xiàn)在盾構(gòu)區(qū)間中部位置。

圖 7 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移Fig.7 Vertical displacement of the shield section structure

圖 8 盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移Fig.8 Horizontal displacement of the shield section structure

圖 9 盾構(gòu)區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)豎向位移Fig.9 Vertical displacement of the track structure in shield section

圖 10 盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測斷面布置圖(m)Fig.10 Layout of the monitoring section of shield section(m)

圖 11 盾構(gòu)區(qū)間豎向位移監(jiān)測結(jié)果Fig.11 Vertical displacement monitoring results of shield section

圖 12 盾構(gòu)區(qū)間水平位移監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Horizontal displacement monitoring results of shield section

4.3 軌道結(jié)構(gòu)幾何形位分析

地鐵暗挖隧道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間道床位置A-G1～K-G1、A-G2～K-G2計算點豎向位移如圖 9a、9b所示； 軌道兩側(cè)橫向高差如圖 9c所示。分析圖 9可知，地鐵暗挖隧道施工過程中，區(qū)間隧道軌道結(jié)構(gòu)豎向位移呈“弓”型對稱分布，靠近暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)(計算點A-G1～K-G1所在位置)上浮量較大，最大上浮量約為3.2mm； 遠(yuǎn)離暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)(計算點A-G2～K-G2所在位置)上浮量較小，最大上浮量約為2.4mm。盾構(gòu)區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)橫向高差最大值約為0.80mm，滿足《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)[15]表B.0.2關(guān)于城市軌道交通結(jié)構(gòu)軌道橫向高差的相關(guān)規(guī)定(<2mm)。

5 軌道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 監(jiān)測點布置圖

地鐵暗挖隧道施工過程中(2020年9月14日—2021年6月30日)，采用TM50全站儀及其配套的硬軟件設(shè)施對盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測斷面布置如圖 10所示，每個監(jiān)測斷面布置3個監(jiān)測點，中部監(jiān)測點位于管片左右兩側(cè)位置，底部監(jiān)測點位于道床位置。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

數(shù)值計算所得盾構(gòu)區(qū)間及軌道結(jié)構(gòu)最大變形量略大于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，二者變化規(guī)律高度相似，在對數(shù)值計算結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證的同時，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)場監(jiān)測點不夠密集的缺陷，進(jìn)一步揭示其變形特征。

2020年11月1日至12月15日，采用注漿方式對暗挖隧道施工范圍內(nèi)的土體進(jìn)行了加固，在此過程中，各監(jiān)測點變形值發(fā)生明顯波動，最大豎向位移接近4.0mm，最大水平位移接近8mm； 隨著注漿壓力的消散，盾構(gòu)區(qū)間變形逐步恢復(fù)； 漿液固化完成，土體強(qiáng)度增加，盾構(gòu)區(qū)間后期變形相對穩(wěn)定，變形控制值及變化速率均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB￣￣50911-2013)[14]的相關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)論與討論

本文以太原某地鐵暗挖隧道鄰近既有運營盾構(gòu)區(qū)間施工為例，應(yīng)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了地鐵暗挖隧道施工過程中，既有運營盾構(gòu)區(qū)間的變形特性。主要結(jié)論包括以下4點：

(1)地鐵暗挖通道上方地表沉降呈非對稱“U型”分布，影響范圍約為1倍埋深，影響角約45°，沉降量較大位置集中于暗挖通道正上方。

(2)隨著地鐵暗挖隧道施工的推進(jìn)，盾構(gòu)區(qū)間及軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移及水平位移逐步累加，最終呈“弓”型對稱分布，最大豎向位移及水平位移均出現(xiàn)在盾構(gòu)區(qū)間中部位置； 靠近暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)上浮量較大，遠(yuǎn)離暗挖隧道一側(cè)軌道結(jié)構(gòu)上浮量較小，此時，應(yīng)重點關(guān)注軌道結(jié)構(gòu)橫向高差的變化。本工程中地鐵暗挖通道施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移、水平位移、差異沉降及軌道變形均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)及《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)的相關(guān)要求。

(3)暗挖隧道位于盾構(gòu)區(qū)間的側(cè)方，且二者在豎向范圍內(nèi)有所重合時，盾構(gòu)區(qū)間除發(fā)生常規(guī)豎向位移及水平位移外，還會產(chǎn)生一定量的扭轉(zhuǎn)變形。

(4)注漿加固作業(yè)施工過程中，盾構(gòu)區(qū)間的豎向位移及水平位移均會發(fā)生較大的波動，隨著注漿壓力的消散，盾構(gòu)區(qū)間的位移量會逐步恢復(fù)，此過程中，在加密監(jiān)測的同時，要密切管片接縫位置的漏漿情況及道床表面的開裂情況。