浅埋暗挖隧道穿越既有地铁加固方案优化分析

2016-11-29李权谋刘胜雷赛男潘勇刚

公路与汽运 2016年5期

关键词：车站土体注浆

李权谋，刘胜，雷赛男，潘勇刚

（1.长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410205；2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015；3.长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410015）

浅埋暗挖隧道穿越既有地铁加固方案优化分析

李权谋1，刘胜2，雷赛男3，潘勇刚3

（1.长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410205；2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015；3.长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410015）

主要针对越来越多的浅埋暗挖隧道近距离下穿既有地铁工程的加固方案进行优化分析。结合某下穿既有地铁车站区间隧道工程，为控制隧道施工引起的既有地铁车站沉降变形，通过有限元方法对新建隧道施工对既有地铁影响进行预测分析，并对不同加固方案进行对比分析，确定最优加固方案。

隧道；浅埋暗挖；地铁；加固方案；沉降变形

随着城市地铁建设速度的加快及地下空间开发力度的加大，新建地下隧道近距离穿越既有地铁的情况日益增多。新建浅埋暗挖隧道的施工会引起邻近既有地铁隧道结构、轨道结构变形和内力增加，超过其承受能力或允许值时可能引起结构破坏，还可能导致净空限界不足而影响列车运营安全。因此，新建浅埋暗挖隧道近距离下穿既有地铁隧道施工时必须根据既有地铁的保护要求采取措施减小新建隧道周围土体和既有地铁结构的变形，确保既有地铁的安全运营。该文结合某下穿既有地铁车站区间隧道工程，对加固方案进行优化分析。

1 工程概况

某穿越既有地铁车站的暗挖隧道工程，两站成十字交叉。既有线为地下两层端厅式车站，南、北两端为明挖两层站厅，底板埋深16.6 m；中部为单层三连拱暗挖段，长28.54 m，断面总宽度221.0 m，总高度9.9 m，顶部覆土厚度约7.5 m。既有线车站暗挖段预留了新线下穿的条件，底板为厚1.1 m的平板，底纵梁尺寸为（1.3×2.5）m，底板纵向分布钢筋加强。新建车站需在既有线暗挖段下方穿越既有线车站，两车站结构净距0.15 m，其位置关系见图1。

场地内的土层分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪晚更新世冲洪积层三类，从上至下分别为填土、粉细砂、卵石、粉质黏土、细中砂、卵石、黏质粉土和细中砂。不同土层的物理力学参数见表1。

2 数值分析模型

图1　穿越隧道与既有车站位置示意图（单位：mm）

表1　岩土的物理力学参数

根据地质纵剖面图、暗挖隧道与既有车站相对位置关系建立数值模型。模型横向两侧各留约3倍洞径，纵向取至两侧明挖竖井，整体模型宽80 m、长35 m、高41.5 m。对不同土层厚度进行适当简化，地层采用实体单元、摩尔材料模拟；既有车站采用实体单元、线弹性材料模拟；暗挖隧道初期支护采用壳单元、线弹性材料模拟（见图2）。

图2　穿越既有地铁车站的暗挖隧道三维数值分析模型

浅埋暗挖隧道设计支护参数如下：初期支护厚度0.35 m；格栅钢架间距0.5 m；二次衬砌厚度0.6 m。

3 施工工序及加固方案

新线暗挖隧道开挖面宽度10.1 m，开挖面高度9.3 m，面积77.7 m2，两洞间净距3.65 m。开挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分6次开挖，平均每次开挖暴露掌子面面积12.95 m2。每次开挖进尺按0.5 m控制，开挖分部间纵向步长不小于5 m。施工工序见图3。

图3　暗挖隧道施工工序示意图

为控制既有地铁车站的沉降变形，对暗挖隧道的地层进行注浆加固（见图4）。

加固体参数取值：设计加固体无侧限抗压强度1.0 MPa，根据不同标号砼弹性模量与抗压强度的关系、弹性模量与抗拉强度的关系进行拟合插值，得出加固体的弹性模量为1.18 GPa、抗拉强度为95 k Pa。结合经验，加固体初始参数弹性模量取1.18 GPa，泊松比取0.3，内摩擦角取50°，粘聚力取95 k Pa（参照抗拉强度）。计算模拟时考虑一定的安全系数，根据初始参数进行不同比例折减。

图4　暗挖隧道全断面注浆加固示意图

设计3种加固方案，通过有限元模拟计算进行优化分析。方案1：加固范围为隧道两侧和下部各1.5 m，加固参数根据无侧限抗压强度1 MPa插值取定后按0.2折减；方案2：加固体只取上台阶部分注浆圈和核心土，加固参数根据无侧限抗压强度1 MPa插值取定后按0.2折减；方案3：加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土，加固参数根据无侧限抗压强度1 MPa插值取定后按0.2折减。

4 计算结果与分析

4.1既有隧道变形随开挖步的变化

不同加固方案下浅埋暗挖隧道开挖引起的既有地铁沉降变形情况见图5。

图5　中间监测点的沉降变形

由图5可知：不同加固方案下浅埋暗挖隧道开挖引起的既有地铁沉降变形基本一致；相比于不加固下既有地铁车站变形量，3种加固方案都能较好地控制既有地铁车站的沉降变形，也能达到相关控制标准；采取加固方案3即加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土时，既有隧道沉降变形量最小，该方案下隧道变形的控制效果最好。

4.2土体变形随开挖步的变化

不同加固方案下浅埋暗挖隧道开挖引起土体沉降槽随不同开挖步的变化情况见图6。

图6　不同加固方案下土体沉降随开挖步的变化

由图6可知：相比于不加固下既有地铁车站变形量，采取加固方案1和方案3都能较好地控制暗挖隧道开挖引起的土体沉降变形，但方案2对土体变形的控制与不加固时相差不大，土体变形控制效果不好；对比方案1和方案3，采取方案3时除对土体变形量的控制效果更好外，还能使不同施工步下土体变形量差异较小，而方案1中左洞左导洞和右洞右导洞上台阶开挖引起的土体变形量比其他开挖步大很多。