高始軍

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211899)

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),城市地下空間建設(shè)規(guī)模顯著增長,新建隧道穿越既有基礎(chǔ)設(shè)施引發(fā)的問題也越來越突出。 截止2019 年底,僅北京地區(qū)已建及在建的穿越工程案例就達(dá)20 余個(gè)[1-4]。 新建隧道下穿既有隧道,必然會(huì)導(dǎo)致既有隧道周邊地層及隧道本身的原有狀態(tài)發(fā)生變化,輕則誘發(fā)結(jié)構(gòu)裂損、滲漏水,重則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)垮塌。 由此,下穿隧道引發(fā)的各類問題受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5-8]。

目前,國內(nèi)外關(guān)于新建隧道下穿既有隧道的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:理論解析法、模型試驗(yàn)法、數(shù)值模擬分析法、現(xiàn)場實(shí)測分析法等[9-17]。 其中,在現(xiàn)場實(shí)測方面,李倩倩等通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析淺埋暗挖法下穿既有盾構(gòu)隧道的變形特征;張瓊芳等通過對施工過程進(jìn)行監(jiān)測,研究新建隧道與既有隧道不同位置關(guān)系時(shí)既有隧道的變形規(guī)律。 在數(shù)值模擬分析方面,孫鈞等針對上海軌道交通明珠線上、下行近距離交疊區(qū)間隧道施工,采用數(shù)值軟件分析不同開挖方法下地層位移以及地表沉降隨掘進(jìn)進(jìn)度的變化規(guī)律;汪洋等采用三維數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式,對盾構(gòu)隧道正交下穿既有隧道所引起的縱向變形等問題進(jìn)行深入研究,得到既有隧道的變形和附加內(nèi)力分布變化規(guī)律;張毫毫等應(yīng)用多尺度建模技術(shù),重點(diǎn)分析隧道正交施工擾動(dòng)下,既有隧道管片的受力變形規(guī)律。不難看出,下穿施工會(huì)導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生一定的變形,可能導(dǎo)致隧道在下穿過程中發(fā)生破壞。 隨著城市地鐵、城際高鐵、市政項(xiàng)目的快速建設(shè),會(huì)有越來越多的隧道下穿既有隧道,各種工法下穿隧道的施工研究相繼涌現(xiàn),但有關(guān)暗挖隧道下穿大直徑盾構(gòu)隧道的研究相對較少。

以北京地鐵12 號線下穿清華園大直徑盾構(gòu)隧道工程為背景,針對盾構(gòu)施工的特點(diǎn),引入三維精細(xì)化建模技術(shù),采用現(xiàn)場實(shí)測與有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段,對暗挖隧道施工下穿既有大直徑盾構(gòu)隧道引起的變形等問題進(jìn)行深入研究。

2 工程概況

北京地鐵12 號線大鐘寺站—薊門橋站區(qū)間線路沿北三環(huán)西路路中敷設(shè),區(qū)間里程為右(左)SSK107+972.250～右(左)SSK108+807.350。 區(qū)間隧道采用礦山法施工,斷面形式為馬蹄形(高6.62 m,寬6.48 m),里程DK14+745～DK14+770 段接近正交下穿京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道,平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 北京地鐵12 號線下穿清華園隧道平面(單位:m)

新建隧道結(jié)構(gòu)與既有隧道結(jié)構(gòu)最小凈距為1.66 m,以第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土和第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏性土、粉土、砂類土、圓礫土及卵石土地層為主(見圖2)。 為減少對京張高鐵隧道的影響,12 號線大—薊區(qū)間采用“臺階法+臨時(shí)仰拱”施工,隧道開挖前,采用“深孔注漿+DN180 大管棚”進(jìn)行支護(hù)。 清華園隧道平均覆土厚度14 m,襯砌管片為C50 預(yù)制管片,內(nèi)徑11.1 m,外徑12.2 m,環(huán)寬2 m,厚0.55 m。

圖2 北京地鐵12 號線下穿清華園隧道剖面(單位:m)

地鐵12 號線暗挖隧道近距離下穿既有大直徑盾構(gòu)隧道,工程存在較大風(fēng)險(xiǎn)。 如何避免新建暗挖隧道施工對周圍土體及既有大直徑盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大的擾動(dòng),安全完成下穿,是12 號線施工的關(guān)鍵。

3 現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場測點(diǎn)布置

施工過程中,清華園盾構(gòu)隧道邊墻各設(shè)置25 個(gè)電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測儀,既有隧道變形測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 清華園隧道豎向變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)平面

3.2 既有隧道變形規(guī)律分析

對12 號線大—薊區(qū)間下穿既有盾構(gòu)隧道豎向歷時(shí)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,既有隧道豎向變形歷時(shí)曲線見圖4。 根據(jù)12 號線下穿施工的控制措施,把既有盾構(gòu)隧道的豎向變形歷時(shí)曲線劃分為“超前沉降、注漿抬升、下穿施工、變形穩(wěn)定”4 個(gè)階段。

圖4 既有隧道豎向變形歷時(shí)曲線

第一階段:新建隧道掌子面距既有高鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在2～3 倍洞徑時(shí),既有隧道顯著沉降,該階段沉降最為明顯,占總沉降70%,但沉降量滿足控制標(biāo)準(zhǔn),證明大管棚支護(hù)方式在該處效果明顯。

第二階段:當(dāng)位于既有高鐵隧道下方開挖時(shí),因?qū)扔兴淼啦扇≈ёo(hù)措施,使得既有隧道的豎向沉降不明顯,故設(shè)置的支護(hù)措施可以有效的減少豎向沉降。

第三階段:整個(gè)斷面分步開挖,由于土體損失,造成地層產(chǎn)生較為顯著的沉降,導(dǎo)致既有隧道沉降量大、沉降速度快。

第四階段:土體后期固結(jié)穩(wěn)定階段沉降為盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面后的固結(jié)沉降,包括主固結(jié)和次固結(jié)沉降,主要由施工引起的土體擾動(dòng)和各種殘余作用導(dǎo)致。

通過以上分析,既有結(jié)構(gòu)的沉降變形主要由隧道開挖前及隧道開挖階段造成。 既有大直徑盾構(gòu)隧道最終變形值滿足控制標(biāo)準(zhǔn),充分說明穿越過程中采取的大管棚支護(hù)以及深孔注漿技術(shù)有一定效果。

既有大直徑盾構(gòu)隧道縱向變形曲線見圖5。

圖5 既有盾構(gòu)隧道沉降斷面

由圖5 可得到如下結(jié)論。

(1)新建雙線隧道的間距為1.6D(D為新建隧道跨度),隧道沉降曲線呈“V”形。 由于兩個(gè)新建隧道間距較小,盾構(gòu)隧道未能很好呈現(xiàn)柔性變形。

(2)從圖5 可以看出,新建雙線隧道下穿既有隧道最終沉降曲線最大值為4.3 mm,受新建隧道先后施工影響,既有隧道的變形曲線未能呈現(xiàn)軸對稱。 先開挖隧道由于注漿等施工措施導(dǎo)致左線隧道的地質(zhì)情況發(fā)生一定改變,使得左右開挖隧道所處土層剛度不同,進(jìn)而導(dǎo)致既有隧道變形不對稱。

(3)既有隧道在新建左線隧道上方沉降有一定隆起,可能是右線隧道注漿加固時(shí)造成左線隧道上方地層剛度變大,隨后左線隧道注漿加固前未能發(fā)現(xiàn)到此問題,導(dǎo)致左線隧道上方的既有隧道產(chǎn)生一定隆起。

4 數(shù)值模擬及計(jì)算結(jié)果分析

在實(shí)測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,借助ABAQUS 有限元數(shù)值軟件,建立管片襯砌結(jié)構(gòu)精細(xì)化數(shù)值模型,模擬大直徑盾構(gòu)隧道管片、管片螺栓以及受力鋼筋等細(xì)部構(gòu)造,對新建隧道下穿大直徑盾構(gòu)隧道變形進(jìn)行分析。

4.1 精細(xì)化模型建立

(1)新建隧道的各施工階段對既有隧道影響各不相同,在精細(xì)化模型的基礎(chǔ)上,建立新建隧道開挖全過程數(shù)值模型,分析掌子面距既有隧道不同位置處的既有隧道變形沉降規(guī)律,各施工步序?qū)?yīng)掌子面與既有隧道距離見表1。 規(guī)定開挖面距離既有隧道前方為正,反之為負(fù)。 右線先進(jìn)行開挖隨后左線進(jìn)行開挖,開挖后進(jìn)行初期支護(hù),襯砌采用殼單元進(jìn)行模擬。 開挖土體時(shí)將應(yīng)力進(jìn)行釋放30%,施作襯砌后將應(yīng)力釋放70%。

表1 施工步驟與掌子面距新建隧道距離

(2)根據(jù)12 號線下穿清華園盾構(gòu)隧道詳勘報(bào)告以及設(shè)計(jì)文件,綜合考慮地層、隧道等各自特點(diǎn),建立精細(xì)化仿真數(shù)值模型。 考慮邊界效應(yīng),整個(gè)模型計(jì)算范圍為165 m×90 m×60 m。 計(jì)算模型見圖6,各結(jié)構(gòu)位置關(guān)系見圖7。

圖6 計(jì)算模型

圖7 盾構(gòu)與新建隧道位置關(guān)系

(3)結(jié)合既有隧道及新建隧道設(shè)計(jì)資料、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)規(guī)范,模型中相關(guān)材料的主要力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表2、表3。

表2 地層參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

(4)如圖8 所示,將整條隧道盾構(gòu)管片縱向劃分為5 個(gè)部分,用直螺栓進(jìn)行連接。 為簡化計(jì)算,混凝土內(nèi)置鋼筋使用Truss 單元進(jìn)行模擬,通過將鋼筋嵌入到混凝土管片中模擬鋼筋與混凝土無黏結(jié)滑動(dòng)情況下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 盾構(gòu)管片環(huán)面上靠近內(nèi)外壁位置通常會(huì)設(shè)置一定厚度的防水墊層,管片拼裝時(shí),防水墊層受到擠壓會(huì)產(chǎn)生變形,后期遇水膨脹,其力學(xué)性能及受力狀態(tài)較為復(fù)雜;其變形對盾構(gòu)隧道接頭止水具有顯著影響,但對盾構(gòu)管片整體受力狀態(tài)影響較小且由于防水墊層與管片混凝土的剛度差異極大,根據(jù)防水墊層的實(shí)際剛度建模易導(dǎo)致計(jì)算不收斂問題。

圖8 多層級精細(xì)化數(shù)值仿真模型

相鄰管片之間的接觸關(guān)系采用在法向上設(shè)置硬接觸,管片之間可以傳遞壓力,并允許接觸后分離,切向上采用基于罰函數(shù)法的庫侖摩擦模型模擬,接觸面力學(xué)參數(shù)見表4。 因此,計(jì)算模型中將防水墊層省略。

表4 接觸面力學(xué)參數(shù)

4.2 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,將基于精細(xì)化模型得到的結(jié)構(gòu)變形與和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證,2 種方法得到的隧道沉降曲線見圖9。

從圖9 可以看出,數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測所得既有隧道沉降變形模式一致,最大沉降均位于新建2 條隧道連線中點(diǎn)正上方處,根據(jù)對比發(fā)現(xiàn),模擬值均比實(shí)測值大,可能是模擬計(jì)算中存在兩環(huán)精細(xì)化管片,使得盾構(gòu)隧道在中心位置處剛度大幅下降,造成豎向變形較實(shí)測數(shù)據(jù)偏大。 總體來說,模擬計(jì)算既有隧道的沉降數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律相同,可利用模擬計(jì)算的規(guī)律分析既有隧道變形受力情況。

圖9 實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬所得既有隧道豎向變形曲線

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 整體變形分析

新建隧道施工完成后豎向位移云圖見圖10,由圖10 可知,盾構(gòu)管片豎向位移范圍是-6.6～-4.9 mm,且拱頂豎向位移大于拱底豎向位移,管片產(chǎn)生徑向收縮。除此之外,盾構(gòu)管片的最大豎向位移均產(chǎn)生于每塊管片相接觸的位置,表明新建隧道施工時(shí)縱縫所在位置為薄弱位置,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測,避免意外發(fā)生。

圖10 管片豎向位移云圖(單位:mm)

圖11 是既有隧道拱頂在不同施工階段的沉降曲線,由圖11 可知,新建隧道下穿大直徑盾構(gòu)隧道時(shí),掌子面距離既有隧道較遠(yuǎn)時(shí),開挖導(dǎo)致的地層擾動(dòng)對既有隧道影響較小,此階段既有隧道沉降量占總沉降量的9%左右;當(dāng)新建隧道開挖至既有大直徑盾構(gòu)隧道下方時(shí),既有大直徑盾構(gòu)隧道沉降量明顯增加,此階段沉降量占總沉降量的86%左右;當(dāng)新建隧道開挖至既有大直徑盾構(gòu)隧道后方時(shí),此時(shí)沉降增加量大幅度減少,但由于地層依舊未達(dá)到平衡狀態(tài),故導(dǎo)致既有隧道沉降依舊有所增加。

圖11 不同施工階段大直徑盾構(gòu)隧道沉降曲線

綜上,新建隧道下穿既有大直徑盾構(gòu)隧道時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對接頭部位的監(jiān)控量測。 除此之外,新建隧道在既有隧道正下方穿越時(shí)應(yīng)采取一定措施控制既有隧道變形,以保證其安全。

(2)接頭變形分析

盾構(gòu)隧道管片為錯(cuò)縫拼裝,每一環(huán)的所處位置各不相同,各個(gè)管片的受力會(huì)因?yàn)殄e(cuò)縫拼裝而不同,本次模擬新建隧道下穿既有盾構(gòu)隧道,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),新建隧道正上方位置的管片會(huì)因?yàn)橄麓┦┕ざ鴮?dǎo)致受力變形發(fā)生較大變化,故選取新建隧道正上方一環(huán)管片,分析其環(huán)向接頭的變形情況。 接頭變形云圖見圖12(放大系數(shù)取600)。

圖12 管片環(huán)向變形云圖

由圖12 可知,新建隧道下穿既有大直徑盾構(gòu)隧道時(shí),既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,管片拱頂向管片環(huán)內(nèi)側(cè)變形,管片環(huán)的兩腰向外側(cè)移動(dòng),盾構(gòu)隧道管片拱頂及拱底縱縫位置處有向環(huán)內(nèi)張開趨勢,兩側(cè)管片縱縫處有向外張開的趨勢,全環(huán)縱縫處均有一定張開角,最大張開角發(fā)生在拱腰接縫處。 除此之外,管片接縫處變形較接縫處兩側(cè)變形大,但由于螺栓的連接作用,盾構(gòu)隧道管片環(huán)變形也表現(xiàn)出較強(qiáng)的連續(xù)性。

5 結(jié)論

通過建立新建隧道下穿大直徑盾構(gòu)隧道精細(xì)化數(shù)值模型(考慮螺栓接頭),分析下穿過程中的既有結(jié)構(gòu)沉降以及接頭變形變化規(guī)律,并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。

(1)暗挖隧道下穿既有大直徑盾構(gòu)隧道時(shí),當(dāng)兩線的間距為1.6D時(shí),既有結(jié)構(gòu)的沉降模式為“V”形。既有結(jié)構(gòu)最大沉降為4.32 mm。 最終變形值滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在設(shè)立縱向與環(huán)向螺栓的位置處沉降出現(xiàn)明顯增大,說明接頭會(huì)使盾構(gòu)隧道剛度降低,故在新建隧道實(shí)際下穿盾構(gòu)隧道施工過程中,應(yīng)加強(qiáng)對接頭部分的監(jiān)控量測,以保證施工安全。

(3)新建隧道下穿大直徑盾構(gòu)隧道時(shí),管片拱頂向管片環(huán)內(nèi)側(cè)變形,管片環(huán)的兩腰向外側(cè)移動(dòng),盾構(gòu)隧道管片拱頂及拱底縱縫位置處有向環(huán)內(nèi)張開趨勢,需引起重視。