盾构斜交下穿市政隧道数值模拟分析

2018-05-17李学军刘德雄尚应超

城市建筑空间 2018年4期

李学军，邹涛，刘德雄，尚应超

（1.中铁隧道局集团有限公司，四川成都 610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031）

盾构法作为一种安全、高效的施工工法，在城市地铁建设中发挥着越来越重要的作用。随着城市和地铁建设的不断发展，盾构穿越既有建（构）筑物桩基的情况时有发生。盾构穿越桩基引发的变形及地层应力状态改变会引起结构基础的不均匀沉降，从而影响既有建（构）筑物的安全，严重时甚至导致结构的失稳破坏[1-3]。因此对盾构下穿既有建（构）筑物而引起的地表沉降规律及加固控制措施进行研究十分必要。

近年来，国内学者结合工程案例，采用数值模拟或现场测试进行大量研究。杨志勇等[4]以北京地铁14号线下穿地铁15号线运营隧道为背景，通过分析沉降规律，得出横向沉降范围与施工参数基本无关，且左右线穿越有明显的叠加效应；郭建宁等[5]采用三维有限元数值分析法，研究盾构斜交下穿既有框架隧道3个阶段的规律，得出施工过程中宜随着盾构的掘进，及时调整各项施工参数，有助于盾构的顺利掘进；陈秋鑫等[6]通过建立有限元模型优化施工参数，减少盾构下穿引起的沉降或隆起值。蒋胜光等[7]对双线盾构隧道全过程数值模拟，并与实测数据对比，揭示了不同开挖面压力对地表沉降的影响。然而，目前针对密实卵石土地层中盾构斜交下穿市政隧道桩基的研究较少，且没有相关的具体风险控制措施。

本文以成都地铁3号线龙桥站—双凤桥站区间隧道盾构斜交下穿市政隧道为背景，采用三维有限差分方法，研究盾构下穿时地表的沉降规律，同时给出相应的控制措施并进行验证计算。

1 工程概况

成都地铁3号线二、三期工程龙桥路站—双凤桥站区间隧道在里程 YDK11+706—YDK11+748（右线）范围穿越临港路市政下穿隧道，隧道顶与临港路市政隧道底板最小竖向净距约4.7 m，最大净距约5.1 m，部分既有抗浮桩位于盾构掘进范围内。既有抗浮桩桩直径180mm，桩心距为5 m。盾构隧道与下穿临港路隧道斜交，两线路相交角度约17°。盾构隧道开挖过程中，右线隧道穿越9根U 7槽桩基，左线穿越10根U 6槽桩基。盾构区间穿越密实卵石土地层。区间隧道与临港路市政下穿隧道位置关系如图1所示。

2 建模

图1 区间与临港路下穿隧道平面位置关系

本文采用FLAC3D有限差分软件对该隧道施工过程进行数值模拟。由于盾构穿越区段属于市政道路下穿隧道的入口段，地表下沉量较小，为方便建模，将地表简化为平面，最终选定三维数值模型尺寸为：沿隧道纵向长100 m，宽70 m，高36 m。盾构隧道外径6.0 m，管片厚度0.3 m，隧道中心埋深8 m，2条平行隧道中心间距14 m。抗浮桩位于模型的中间区域，其中市政下穿隧道U 7槽段桩长15 m，U 6槽段桩长10 m，桩距初始开挖面36～74 m。模型侧面和底部为固定边界，限制水平移动和垂直移动，上部为自由边界。

模型中抗浮桩采用pile单元模拟，盾构衬砌、盾构机及注浆层等均采用实体单元模拟。盾构机为海瑞克土压平衡式盾构机，其重量近似为385 t[8]。盾构掘进过程模拟主要分为以下阶段：①盾构掘进过程将掘进长度范围内的土体设置为空单元，施加顶推力，激活盾构机前方单元，并设置盾尾单元为空单元，激活后方衬砌单元，并施加推进反力；②注浆过程在后方管片周围的土层上施加注浆压力（0.3MPa），为模拟浆液凝固过程，采用分级注浆形式，随着开挖推进，逐渐增加注浆层属性。模拟时首先开挖右线隧道，贯通后再开挖左线隧道。土层及各材料物理力学参数如表1所示。

表1 土层与材料参数

3 数值模拟分析

3.1 垂直于盾构方向的地表沉降分析

图2为3排不同位置测点的沉降值，L 1表示与初始开挖面相距34.5 m处垂直于盾构方向地表沉降的分布情况。L 2表示与初始开挖面相距49.0 m的情况，L 3表示与初始开挖面相距63.5 m的情况。由图2可知，右线隧道开挖后，地表最大沉降约为23.3mm。2条隧道中心的最大沉降约为5mm。距右线中心11～16 m外有略微隆起（不超过1mm）。左线隧道贯通后，右线中心地表最大沉降变化不大，约23.8mm，左线中心地表最大沉降约22.3mm，略小于右线，2条隧道中心的最大沉降约为10.2mm。

图2 垂直于隧道方向的地表沉降值

右线隧道开挖后，距右线中心9.2 m外的沉降量在2mm以内，可认为右线盾构施工影响地表沉降的扰动区范围为18.4 m，约为3 D（D为隧道直径）。而左线隧道贯通后，2条隧道中间区域内的地表沉降具有明显的叠加效应，在非叠加区域内，扰动区范围扩大为距右线中心10.7 m内以及距左线中心10.9 m内，总体影响范围约为6 D。

3.2 沿盾构方向的地表沉降分析

经过上述分析，盾构开挖对2条隧道中心附近引起的沉降较大，所以选取了右、左线正上方的地表测点进行分析，如图3所示。YX-1表示右线正上方第1排测点（与初始开挖面相距34.5 m），YX-2表示右线正上方第2排测点（与初始开挖面相距49 m），YX-3表示右线正上方第3排测点（与初始开挖面相距63.5 m），左线测点符号与之类似。本次数值模拟总步数约31390步，其中前7670步为右线开挖，后23720步为左线开挖。由图3可知，随着右线隧道的不断掘进，右线地表均是先略微隆起（不超过1mm），掘进到测点位置处后开始迅速下沉。

图3 隧道上方的地表沉降值

掘进面远离测点后变形趋势减缓，最终趋于稳定。左线地表沉降呈现出类似的规律。对比左右线地表沉降值可以发现，右线地表沉降值略大于左线，但2条隧道中心线地表的最大沉降值均不超过25mm。

本工程采用的检测控制基准及预（报）警值指标为：地表沉降值隆起不超过10mm，下沉不超过20mm。而上述计算结果表明，2条隧道中心附近区域内的地表最大沉降值在基准之外，不符合规范要求。因此本工程需要采用加固措施保证隧道掘进的安全进行，减少对既有构筑物的影响。

4 风险控制措施分析

根据上述数值模拟结果，若盾构机直接掘进破除抗浮桩，将造成地表沉降值超限，进而影响临港路的安全运营。为此，针对穿越临港路市政下穿隧道段施工拟采取以下加固技术措施。

1）对盾构机采取针对性措施，在刀盘面板加焊接撕裂刀，配备8把保劲刀，便于及时切断既有抗浮桩，减少盾构机对隧道土体的扰动，在刀盘面板及切口环处加焊耐磨层，以适应下穿隧道对设备自身的需求。

2）下穿临港路隧道前在临港路两侧施做新抗浮桩，U 6段新增6根抗浮桩，桩长10 m，U 7段新增8根抗浮桩，桩长12 m。以弥补破除隧道结构既有抗浮桩后结构自身抗浮力的损失。

3）盾构下穿临港路隧道破除既有抗浮桩会产生大量钢筋，钢筋数量及形态不明，为避免钢筋影响后续盾构施工，在通过下穿隧道后开仓对刀盘及土仓内的钢筋进行清理。为确保地层稳定，在盾构通过下穿段前后施做降水井，降水井深度27.5 m。施做降水井对下穿临港路段实施区域性降水，以达到可随时进仓处理抗浮桩钢筋的条件。

4）对隧道范围上方U形槽两侧土体进行预加固，以减少盾构掘进过程中对隧道上方土体的扰动。加固范围为U形槽沿线路方向4.5 m，盾构隧道外边缘外扩4 m，地面预加固注浆孔布设于隧道范围内U形槽结构两侧，U形槽外侧注浆孔间距2 m，注浆孔位置如遇抗浮桩则取消布设。加固完成后清洗注浆管，盾构通过时及通过后由地面注浆管进行补浆。

5）盾构机掘进直接破除临港路隧道既有抗浮桩时，严格控制掘进参数：总推力为 12000～14000 k N，掘进速度为 20～30mm/min，刀盘转速1.5 r/min，刀盘扭矩 6000 k N·m以内，土压力 0.6～0.9 bar（1号），泡沫剂 100～150 L，同步注浆量不低于6 m3，同步注浆压力不小于2 bar，膨润土6～8 m3，出渣量 56 m3。

6）通过隧道内二次注浆及地面跟踪注浆对地层进行补充，注浆压力控制在 0.2～0.3MPa。

主要施工工序如图4所示，注浆与加固措施如图5所示。

图4 施工流程

图5 注浆与加固措施

采取上述拟定加固方案后，数值模拟计算得到的地表沉降结果如图6，7所示。由图6可知，右线隧道开挖后，地表最大沉降约为9.8mm，距右线中心6.6 m外的沉降量在2mm以内，说明右线盾构施工影响地表沉降的范围为13.2m，约为2.2 D。左线隧道贯通后，右线地表沉降略微减少，左线隧道中心处地表出现较大沉降，但均不超过10mm，最终盾构开挖的扰动区域在4.5 D以内。2条隧道中心地表处的最大沉降约为2.4mm。