小净距重叠盾构隧道下穿铁路线施工安全技术研究

张玉龙 刘 洁 龚 磊 曹玉新 段景川

(1. 中国电建集团铁路建设有限公司,北京 100044;2. 兴悦设计咨询(北京)有限公司,北京 100016;3. 中电建南方建设投资有限公司,广东深圳 518009)

随着盾构法施工技术的不断推广,隧道施工引起的地表沉降及地层变形成为了研究的热点,许多学者对此进行了大量的研究:杨三资等[1]认为,在黏性土地层中采用大直径盾构法施工,地层损失和地表最大沉降较小。 周文波[2]以上海外滩公路隧道施工为例,对淤泥质黏土地层盾构施工引起的地表变形进行了研究。 白雪峰等[3]利用Pasternak 地基模型,分析了双线平行隧道施工过程对既有隧道的影响。 周灿朗[4]对苏州轨道交通1 号线穿越富水粉细砂地层盾构施工过程中的地层变形规律进行了总结,认为埋深与沉降值总体成线性关系。 姚先力[5]针对盾构隧道在粉砂地层中连续穿越河道和铁路的施工难点,给出了有效的沉降控制技术措施。 张昭[6]针对盾构在砂性地层长距离掘进施工中存在的风险,通过改进刀盘参数、改良土体等技术措施,有效控制了隧道上浮和地表沉降。张亚洲等[7]对上软下硬地层盾构施工的主要问题及其产生原因进行分析,分别从隧道设计、盾构设计及工程实施等角度提出相应的对策措施。

以深圳地铁7 号线笋岗站-洪湖站区间(以下简称笋-洪区间)下穿广深铁路火车站站场为工程实例,采用数值模拟分析的方法,比较上下重叠隧道不同施工顺序引起的地层变形、管片结构位移和受力情况,并通过实测数据进行验证。

1 工程概况

笋-洪区间隧道左右线以重叠方式下穿广深铁路笋岗火车站,穿越长度约为180 m,隧道与铁路交叉角约为80°,车站内道岔密布,股道众多,信号控制网密集。 上下隧道间夹层土厚度最小约2 m(见图1)。 其中,左线隧道顶部覆土厚约22.8 m,穿越地层主要为强、中风化混合岩;右线隧道顶部覆土厚约12.8 m,穿越地层主要为砂质黏性土,全、强风化混合岩。 岩土层分布及特性见表1。

采用土压平衡盾构机进行施工,隧道外径为6.28 m,管片宽1.5 m,厚0.3 m。 根据文献[8]及施工图要求,本工程地表总沉降控制值为10 mm。

图1 下穿铁路平面

表1 岩土层分布及特性

2 计算模型及相关参数设置

通过有限元法对地表沉降、管片结构位移和受力情况进行计算。 采用非线性动力学Hu-Washizu 变分方程描述应力应变本构关系,采用形函数描述位移场,采用罗贝托积分法进行数值求解。 其中,应力应变方程为

式中:δGext表示外力产生的虚功, u 表示位移,σ表示应力,ε 表示应变,σ(ε)为用应变表示应力,▽为应力应变关系算子。

形函数及其相关数值积分可参阅文献[9],此处不再赘述。

应用MIDAS GTSNX 工程软件对重叠隧道的开挖过程进行数值计算,区域横向取66 m,纵向取1 m,计算高度为(L1+L2+2D+12) m,其中L1为上隧道埋深,L2为重叠隧道净距,D 为隧道内径(取6 m)。

地层及注浆材料采用实体单元(Mohr-Coulomb 模型模拟);管片衬砌及盾构机壳采用梁单元(线弹性模型模拟);四周边界及下表面采用单向铰支约束,上表面采用自由约束。 计算区域见图2。

图2 叠线隧道计算区域

根据笋-洪隧道区间工程实际情况,盾构壳体、管片结构和注浆材料的参数选择如表2 所示。 考虑到拼装缝隙会引起管片刚度折减,折减系数取0.7。

表2 盾构壳体、管片结构和注浆材料参数

3 施工过程模拟与分析

通过改变重叠隧道净距L2、上隧道埋深L1及上下隧道施工顺序,计算不同情形下地表沉降及变形情况。先开挖下隧道再开挖上隧道的方式被称为“先下后上”,反之则称为“先上后下”。 “先下后上”掘进过程的模拟采取以下步骤:①改变L1和L2参数,建立计算模型;②计算初始应力场;③开挖下隧道毛洞;④下隧道盾构自重加载;⑤下隧道管片支护并注浆;⑥开挖上隧道毛洞;⑦上隧道盾构自重加载;⑧上隧道管片支护并注浆;⑨调取计算结果,进行后处理。 “先上后下”掘进过程的模拟与“先下后上”方式类似。

3.1 地表沉降分析

图3 和图4 为上、下隧道完成后的竖向位移,从图3 和图4 可以看出,采用“先下后上”方式掘进,下隧道施工引起的最大地表沉降为8.361 mm,“先上后下”时则为8.306 mm,两者的最大沉降值基本相同。 采用“先下后上”掘进时,上隧道施工引起的最大地表沉降为13.934 mm,“先上后下”时则为15.516 mm,“先上后下”较“先下后上”大1.5 mm 左右。

图3 下隧道完成后竖向位移

图4 上隧道完成后竖向位移

两种掘进方式下,上隧道盾构掘进引起的地表最大沉降值始终比下隧道大,且均超过了下穿的准高速铁路轨道沉降控制值(10 mm),必须采取相应的加固措施[1113]。

3.2 管片结构位移及内力分析

图5 ～图8 为管片所受的轴力和弯矩情况。 从图5 ～图8 可以看出,后施工隧道对先完成隧道管片的竖向位移会产生一定影响,“先上后下”时产生的最大位移为13.706 mm,“先下后上”时为3.238 mm,“先上后下”比“先下后上”要大3.2 倍左右;“先上后下”时管片结构最大弯矩为155.71 kN·m,“先下后上”时为104.21 kN·m,前者比后者大50%左右,且轴力也同时增加。

“先下后上”时,后施工隧道对先完成隧道管片的竖向位移影响比较小(远小于10 mm);“先上后下”对先完成隧道管片结构竖向位移的影响比较大(为13.706 mm),超过了控制值37.06%,故需要采取加固措施(特别是上下隧道间夹层土体的加固)。 “先下后上”时盾构隧道管片结构最大弯矩小于控制值(120 kN·m),满足管片结构的受力要求,“先上后下”时最大弯矩超过控制值,不满足管片结构的受力要求,必须采取特殊措施。

4 岩土体加固前后数值计算与工程监测值对比分析

4.1 岩土体加固前后数值计算

图5 下隧道施加管片和注浆后轴力

图6 下隧道施加管片和注浆后弯矩

图7 上隧道施加管片和注浆后轴力

图8 上隧道施加管片和注浆后弯矩

经综合分析,重叠盾构隧道掘进顺序采用“先下后上”的方式。 考虑到未加固条件下,“先下后上”掘进引起铁路轨道的沉降达到了22.294 mm(超过了轨道沉降控制值)。 因此,隧道掘进前,应对铁路线路采用桩梁加固,对隧道间夹层土体采用预注浆加固,对铁路软土路基采用预注浆加固,加固前后的数值计算结果见表3。

表3 加固前后的数值计算

由表3 可知,对铁路线路、上下隧道间夹层土体和铁路路基软土进行加固后,地表总沉降减小至9.525 mm(小于控制值10 mm),且后施工隧道对先完成隧道管片结构的竖向位移均在控制值10 mm 的范围内;管片的最大变矩为38.223 kN·m,满足管片结构的受力要求。

4.2 沉降监测值分析

本工程的监测测点布置:①每条轨道布置10 个监测点(26 条轨道);②信号机、转折机布置19 个监测点;③每个电气化立柱布置1 个沉降观测点和1 个倾斜观测点(共布置24 个观测点);④桥墩基础布置4 个监测点;⑤每条线路布置32 个轨道几何尺寸监测点(26 条股道共布置464 个点)。 对监测值的综合分析表明,广深正线轨道最大沉降为5.9 mm,信号机最大沉降为2.0 mm,接触网最大沉降为2.9 mm,均小于控制值。 但在盾构机停机检修、开仓换刀等情况下,轨道沉降会显著增加(达到了16.82 ～18.83 mm,均超过了控制值10 mm)。 此时,可通过调整轨道高程来满足运营要求[1415]。

5 结论

(1)“先上后下”和“先下后上”两种掘进方式下,上隧道盾构掘进引起的地表最大沉降值始终较下隧道大,且地表最大沉降值均超过了下穿的准高速铁路轨道沉降的控制值(10 mm)。 因此,必须先采取加固措施,才能实施盾构掘进施工。

(2)采用“先下后上”施工时,后施工隧道对先完成隧道管片结构竖向位移的影响比较小。 采用“先上后下” 施工时,对先完成隧道管片结构竖向位移的影响比较大。 此时,需要采取加固措施(特别是上下隧道间夹层土体的加固)。 “先下后上”施工时,盾构隧道管片结构最大弯矩小于控制值120 kN·m,满足管片结构的受力要求;“先上后下”施工时,最大弯矩超过控制值,不满足管片结构的受力要求,必须采取特殊措施。

(3)对铁路线路、上下隧道间夹层土体和铁路路基软土进行加固后,经数值计算与沉降观测,“先下后上”掘进的沉降值均在控制值范围内。