南宁地铁三号线盾构下穿一号线运营线路沉降规律分析

2020-12-16赵强

商品与质量 2020年49期

赵强

中铁一局集团城轨公司江苏无锡 214000；惠州市轨道交通有限公司广东惠州 516000

随着我国城市轨道交通的飞速发展，越来越多的城市开始修建地铁，而随着地铁线路的不断完善，势必会遇到新建地铁隧道下穿既有地铁隧道的工况。而近年来大量的工程实例证明盾构下穿既有地铁隧道的施工中具有较大的风险。因此有必要针对此方面进行研究。本文依南宁新建地铁3 号线工程施工总承包02 标土建8 工区金- 埌区间下穿既有1 号线隧道段工程，分析探讨盾构施工过程中既有1 号线的沉降，并总结其沉降规律为类似工程提供参考。

1 工程概况

本工程为南宁市地铁3 号线金湖广场站至埌西站区间（以下简称M3）盾构隧道下穿经过既有地铁1 号线（以下简称M1）工程。M3 金- 埌区间线路出金湖广场站18．0m 后从民族大道下穿过，沿金湖路南到达终点埌西站。区间设计里程为DK17+318．093-DK17+892．801。左线长度为585．607m（长链10．90m），右线长度为574．708m，区间总长度为1160．315m。区间线路由一段直线和两段曲线构成，曲线半径分别为R300m、R450m，线路最大坡度为28‰，线间距11．0m-18．0m，隧道埋深11．3m-22．6m（下穿段22m）。下穿段平面图如图1 所示。

图1 M1 下穿M3 平面图

M3 金- 埌区间盾构隧道穿越的地层为：粉土层③1、粉砂层④1-1、圆砾层⑤1-1、泥质粉砂岩⑦2-2、泥质粉砂岩⑦2-3，其中下穿M1 段穿越的土层为主要圆砾层⑤1-1、泥质粉砂岩⑦2-2、泥质粉砂岩⑦2-3。

圆砾层⑤1-1 渗透性大，渗透系数高达8．1＊10-4m/s，且存在粒径较大的砾石和卵石。根据盾构机选型经验，渗透系数小于10-4m/s，可以选用土压平衡盾构，渗透系数大于10-7m/s，宜选用泥水盾构，同时泥水盾构机还适用于在粒径较大的卵石、砾石地层中掘进。经专家论证决定采用海瑞克S455 泥水平衡盾构机[1]。

2 数值模拟分析

由于本工程为南宁地区富水圆砾地层中首次盾构下穿既有运营地铁隧道，施工难度较大，依靠施工经验难以准确预测既有隧道的变形，无法确保其安全。而随着近年来科技的发展，数值模拟已经成为了预测施工引起一系列影响的重要手段，本文基于本工程概况，通过数值模拟分析了盾构下穿施工对既有隧道的影响。

2.1 模型的建立

考虑到隧道开挖的影响，建立的模型宽度90m，为下穿范围长度的4 倍；长度100m，包含了30m 的车站结构和70m 的M1区间隧道；高度38m，模型底部距M3 底部2D（D 为隧道洞径），如图2 所示。

图2 数值模拟模型图

计算时考虑如下因素：

（1）初始条件为M3 区间未开挖，且地层处于变形稳定状态。

（2）土体视为弹塑性体，采用修正摩尔·库伦本构模型（Modified Mohr-Coulomb Model），既有隧道、地下通道和车站采用各向同性弹性本构模型（Elastic Isotropic Model）。

（3）考虑到边界影响及路面车辆荷载等影响，模型上边界取至地面，设置为自由面，并施加20kPa 的面荷载模拟地面堆载，底部及四周施加法向约束。

（4）土层按勘察报告简化为6 层，计算参数如表1 所示。考虑到地下水影响，地下水位（-8m）土体和构件取其浮重度。

（5）考虑到M1 隧道建成已建设完成，在初始平衡以及M1隧道和金湖东地道开挖后，将土体位移场进行清零后再进行M3 开挖；M3 按先左后右的顺序进行开挖，开挖步距设置为1m，直至开挖结束。

表1 土层计算参数

2.2 模拟结果

M3 左线通过后变形云图如图3 所示，开挖区间正上方处M1结构沉降明显；M1 右线最大沉降为2．41mm，左线为2．12mm，变形曲线呈正态曲线分布，纵向影响长度两侧各约为2D。

M3 右线通过后变形云图如图4 所示。与M3 左线通过后类似，M1 最大沉降亦发生于开挖区间正上方，纵向影响长度两侧各约为2D；M1 右线沉降值为2．35mm，左线为2．73mm。此外，M3 左右线之间距离为11．7m（约为2D），M3 区间右线通过后对M3 左线上方M1 管片影响不明显，沉降值由2．41mm 增长至2．73mm，增长幅度约为13%。

图3 M3 左线通过后变形云图

图4 M3 右线通过后变形云图

由图3、图4 可知，在从正常施工条件下，新建M3 盾构施工会导致M1 隧道产生一定的沉降变形，最大沉降量为2．73mm，属于规范允许范围。建议施工中采取控制同步注浆压力，二次补浆等措施，M1 隧道沉降可控[2]。

3 既有线监测沉降分析

依照数值模拟结果，于沉降较大处（M1 范围Z/Y458-Z/Y480环）划为危险区、危险区两侧各10m 为风险区，风险区外20m 为过渡区。为了能够监测穿越过程中既有线的沉降规律，控制和预判潜在的风险，于既有线M1 区间布置共23 个监测面，如图5 所示。危险区监测面间隔4-5m，风险区监测面间隔10m，过渡区监测面间隔20m；基准点在施工影响范围外区间两端各布置3 个，均为自动化进行监测。穿越期间各断面监测频率为1 小时/ 次，人工复核频率为6 小时/ 次。

图5 自动化监测面分布图

3.1 既有线M1 沉降结果

M3左线穿越施工结束后，收集监测数据，绘制 M1沉降槽曲线。如图6 所示。由图6 可以看出，M3 左线下穿施工过程中，M1 右线沉降值在盾尾离开M1 右线时达到最大值-2．92mm，稳定之后为-1．91mm；M1 左线沉降规律与M1 右线类似，最大沉降值为盾尾离开M1 左线时的-1．67mm，稳定之后为-1．5mm。M3右线穿越施工结束后，收集监测数据，绘制 M1沉降槽曲线。如图7 所示。由图7 可见，M3 右线下穿施工过程中，M1 右线最大沉降值为盾尾离开时的-3．03mm，稳定后为-2．85mm。而M1 左线最大沉降值并非为盾尾离开时的-1．99mm，而是之后发展到了-4．14mm，这是由于而M3 右线穿越M1 左线时，由于施工方操作失误，盾尾同步注浆量与同步注浆压力不足所造成。在经过紧急注浆等补救措施后最终也趋于稳定，稳定值为-3．23mm。

图6 M3 左线穿越时既有线M1 沉降槽曲线

图7 M3 右线穿越时既有线M1 沉降槽曲线

3.2 既有线M1 沉降分析

总结图6、图7，除图7（b）之外，盾构机刀盘即将到达M1时已经开始对M1 产生有一定影响，当盾尾离开M1 范围时M1 沉降值达到最大值，当同步注浆、二次注浆等施工措施实行之后沉降值有一定回升，并最终趋于稳定。可见当施工正常的情况下，既有隧道的沉降是由盾构开挖造成的地层损失引起的。

此外，各时段的M1 沉降槽曲线与高斯曲线较为符合，纵向影响长度两侧各约为10-15m（2-2．5D）。由于M3 线路具有一段小转弯半径的曲线段，沉降槽曲线呈现一定的非对称性。

对比4 道沉降槽曲线与数值模拟结果，M3 左线通过后M1 沉降槽曲线与数值模拟结果比较接近；M3 右线通过后M1 沉降槽曲线最大沉降值及对称轴与数值模拟结果有所出入，但均呈现 “向下凹陷” 的形态，纵向影响范围也较为一致。可见数值模拟能够较好地预先确定沉降规律，能对项目工程的沉降控制方面提供一定的参考[3]。