隧道上跨既有地鐵隧道影響分析

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摘要:某市新建地鐵4號線工程隧道上跨既有地鐵3號線盾構區間隧道，兩者結構豎向最小凈距為1．42m，土體較薄，地質較弱。新建地鐵隧道在施工過程中不能影響下方地鐵區間隧道結構安全和正常營運，施工難度和風險較大。經過理論分析和模擬計算，通過采用地面壓載、控制頂進推力、洞內注漿等措施，盡量減弱兩者間的相互影響，從而有效保證了盾構隧道結構的穩定及地鐵運營列車的安全。

關鍵詞:上跨，最小凈距，結構安全，地面壓載，頂進推力

引言

上跨既有隧道施工會給周圍地層的位移場和附加應力場產生影響，使下方既有地鐵隧道結構產生相應的豎向變形和附加內力，從而影響既有地鐵隧道的安全性及正常使用功能。雖然臨近既有隧道施工的工程越來越多，也產生了相應的一些理論研究和成功工程案例［1-7］，但由于各地區地質條件、周邊環境不同且隧道結構設計的差異性，既有工程成功經驗可以作為借鑒參考，卻不能復制套用。本文以某市新建地鐵4號線工程隧道上跨既有地鐵3號線盾構區間隧道作為背景，通過理論解析和數值分析等方法對新建隧道上跨既有隧道施工過程中，由于開挖卸荷引起的既有隧道變形進行分析，并結合既有隧道變形控制標準，對上跨施工合理控制措施進行了優化，將研究結果應用于實際工程中，為工程實際應用提供了理論依據。

1工程概況

某市地鐵4號線區間為雙單線隧道，盾構區間上穿既有3號線盾構區間結構，上跨范圍為右DK25+873．77～右DK25+895．15。隧道底部距離3號線區間結構豎向凈距約1．42m，區間覆土厚度約4．82m，3號線采用盾構法施工，線間距15m，區間結構外徑6．2m，內徑5．5m，管片厚度350mm(見圖1，圖2)。該范圍主要土層為粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、粉砂(見表1)。

2有限元數值模擬數值模擬計算采用

MIDAS-GTS有限元軟件。以實際尺寸進行建模，分別建立新建及既有雙線盾構隧道結構的模型。

2．1建模模型

采用有限單元法，材料本構關系及土層單元選取:各個土層均采用彈塑性的三維實體單元，服從Mohr-Coulomb屈服準則;隧道結構管片采用混凝土彈性單元模型，車站采用混凝土板單元模擬。模型尺寸:100m(沿新建4號線方向)×50m(沿既有3號線方向)×50m(高度)。水平與豎直方向邊界條件均為位移約束。模型劃分為四面體網格。結合新建盾構隧道施工的全過程實際情況，在自重應力場下逐步開挖。邊界條件為:模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底面限制豎直位移，上面為地表，取為自由邊界。四周為法向約束，頂面為自由面，底面為垂向約束;荷載主要考慮土體自重及地面壓載。計算中作如下假定:1)計算中將初始應力場假定為自重應力場，并將土層視作彈塑性連續體，在施工中連續變形。2)施工新建隧道的掌子面頂推力，除了平衡前方土水壓力、殼體外壁水平摩阻力以外，還提供盾構機前進推力，在計算中忽略摩阻力并保持頂推力恒定。

2．2盾構模擬開挖

盾構管片周邊土體二次注漿加固的模擬通過等效材料參數變化來實現。盾構機自重約330t，作用在隧道下方半圓的范圍內，縱向作用長度9m，盾構掌子面根據土壓平衡施加面壓力考慮，盾構推力在1300t～1800t之間，施工過程同步注漿取值20kPa。地面壓載按照滿足1倍隧道直徑的覆土高度(6．2m－4．7m=1．5m)取30kPa，作用在開挖斷面前后各10m范圍。模型施工過程的計算為138步(見圖3)。具體施工步驟:左線盾構隧道開挖，開挖進尺每步1．5m→施作管片、注漿→左線隧道施工完成，進行右線隧道施工→右線盾構隧道開挖→施作管片、隧道注漿→整個隧道施工完成。先右線后左線的方案反之(見表2)。

3有限元模擬結果

4號線施工產生的最大地層豎向位移點位于后開挖的右線隧道上方，4號線雙線隧道開挖完成后，地面產生“W”形沉降槽(見圖4)。在3號線區間隧道上部選擇6個豎向變形觀測點，分析4號線施工對3號線造成的影響，由測量結果可知，由于壓載作用和新建隧道的盾構機前部自重大于其開挖土的重量，在盾構刀盤等通過既有隧道上方時，會使3號線隧道略微下沉，在盾構機通過以后，由于卸荷效應，既有隧道產生隆起，隨著4號線施工產生卸載，3號線區間隧道上浮，在4號線施工斷面離開節點位置后，觀測點豎向變形趨于穩定(見圖5)。6個工況中既有3號線區間隧道豎向、水平方向(沿4號線方向)的變形(見圖6，圖7)。4號線施工對既有3號線隧道產生最大豎向變形位于上跨位置，上浮約7．1mm;4號線施工對既有3號線隧道產生最大水平橫向變形位于上跨位置，變形約8．1mm。先施工的區域，在第一次盾構施工的過程中發生一次變形，而后的另一條隧道盾構穿過也會產生較大的附加變形。在同樣的頂進推力情況下，4號線盾構隧道按先左線后右線施工順序的工況4～工況6，對既有3號線隧道的影響比4號線盾構隧道先右線后左線施工的工況1～工況3更小。數值模擬中由于4號線盾構隧道施工，產生的3號線區間與3號線和平路站端墻的位移差較小，均在1mm以內，可見3號線區間與3號線和平路站端墻接口處并不控制計算，考慮到區間與車站剛度差異明顯，建議在施工中加強接口處和變形縫環監控量測，若測量值與計算結果差異較大，則應采取加強管片的措施。隨著頂進推力減小，既有3號線區間隧道的變形減小，采用1800t頂進推力的兩組計算，最大豎向變形均大于7mm;采用1500t頂進推力的兩組計算，最大豎向變形約為6．5mm;采用1300t頂進推力的兩組計算，最大豎向變形約為3．5mm。

4盾構上跨施工控制措施

4．1多孔多次注漿

在區間穿越處采用多孔多次注漿，多孔多次注漿在二次注漿后進行，注漿范圍根據風險源位置確定。擬采用雙液漿(水泥—水玻璃)，1d強度不小于0．3MPa，28d強度不小于3．0MPa。初凝時間:正常情況下初凝時間不大于40s，特殊情況下可根據地層條件和掘進速度調整。注漿順序:在加固范圍內由中間向兩側對稱注漿，在加固范圍內按照編號1—2—3—4—5—6—7的順序注漿，也可根據現場情況調整為多點同時進行，注漿完畢后封閉注漿孔。注漿壓力:多孔注漿壓力不應大于0．7MPa。注漿量:單孔0．2m3～0．3m3，需根據所處地層情況和注漿記錄，評估注漿效果，并結合現場監測情況確定注漿的次數。

4．24號線隧道內部壓重

在施工中的4號線隧道內采用鐵塊進行壓重，壓重范圍為穿越3號線前5環開始布置，直到穿越后的第5環。在堆載區使用設備將機車和車架架立，保證軌枕與隧道底距離為56cm，在軌枕以下空間堆置鋼鐵件，堆載的重量為每環4t。堆載鋼鐵件不得影響正常施工(見圖8)。

5結論與建議

本文針對新建地鐵4號線盾構隧道近距離上跨既有3號線工程，采用數值模擬的方法，分析臨近施工對既有隧道結構的變形影響及范圍，通過6個工況模擬施工過程，得到結論與建議如下:1)4號線盾構上跨既有隧道的施工過程中，因淺覆土壓載和盾構機自重之和，大于其開挖土體的重量，在新建隧道盾構刀盤通過既有線上方時，會使3號線隧道略微下沉，在盾構機通過以后，由于卸荷效應，既有隧道產生隆起。2)先施工的區域，在第一次盾構施工的過程中發生一次變形，而后的另一條隧道盾構穿過也會產生較大的附加變形。因此，推薦先施工遠離3號線車站的4號線左線盾構隧道，而后再施工4號線右線盾構隧道，以減小對既有隧道及車站的影響。3)頂進推力在一定程度上控制既有結構變形量值，在接近和通過上跨位置的施工中應控制頂進推力，建議值為1300t～1500t。

參考文獻:

［1］張宏偉，李洋．深圳地鐵11號線土壓平衡盾構近距離上跨既有1號線影響分析［J］．鐵道科學與工程學報，2017．

［2］李邵華，張子新．盾構近距離穿越施工對已運營隧道的擾動影響分析［J］．巖土力學，2004(S2):545-549．

［3］丁傳松，楊興富．盾構近距離上跨越對已運營隧道的影響分析［J］．施工技術，2009(1):48-50．

作者：黃弢 蒙蛟 楊靜靜 單位：中國鐵路設計集團有限公司