面向新建隧道斜交下穿既有盾构隧道的变形研究

2022-05-30郭晓敏

能源与环保 2022年5期

田炯，郭晓敏

(包头市自然资源局综合保障中心，内蒙古包头 014010)

由于国内大型城市的数量不断增加，而且城市的对外扩张也开始加大力度，地铁隧道建设中彼此交错的情况愈加严重，给轨道交通的运营安全带来了极高的风险。同时新建地铁隧道，对于已经处于使用的隧道一定还会造成影响，特别是受力问题也会加剧，进而造成隧道出现了变形，那么地铁的安全就无法保障。新线施工引起附加变形的发展规律对运营地铁结构的影响程度已是急需解决的问题[1-4]。很多学者为了解决该问题，已经开展了很多研究。在文献[5]中，主要针对下穿地铁隧道进行分析，并且针对此种线路在建设过程中需要通过浅埋暗挖的方式，保障隧道的安全。文献[6]的研究中，主要分析了伦敦、北京2座城市，针对城市中的隧道线路进行仿真，以及按照运行中，其隧道变形的规律，结合Peck公式完成预测。文献[7]结合首都机场线的东直门站C区在建的下穿越运营地铁隧道的工程案例，通过数值模拟详细分析了运营中的地铁隧道的形变规律，并基于数值分析结果对施工方案进行了详细优化。文献[8]系统性地分析了施工中的开挖卸荷，此操作对于下卧初支隧道，在纵向角度上会引起的形变情况。

结合以往的研究成果对在建工程进行分析研究，通常盾构穿越运营地下交通线路的案例较多，但大部分下穿工程呈现正交穿越的特征，常用的分析方法为数值模拟。常用的分析方法为数值模拟法。通过利用浅埋暗挖法的方式，完成隧道斜交下穿项目的施工。考虑到该类实际工程数量较少的情况，采取该类工程的形变规律的样本不足将存在认知上的缺陷。对于已经完成建设的盾构隧道，其整体的机构刚性较差，所以在施工过程中，只能在部分施工环节中使用浅埋暗挖法，而且这种建设方式对于周围环境也会造成极大的干扰，从而增加了下穿隧道施工的风险。

综上所述，本文提出了一种基于Peck理论的斜交下穿隧道的受力优化模型，结合Peck理论和已有工程的实测数据，利用数值拟合进行模型的额优化处理，完成仿真分析，并且确定在斜交下穿隧道出现了沉降的情况中，其沉降变量的最佳拟合值，揭示了斜交下穿隧道施工各阶段中引起的位置变化，并且椭圆度也出现了变动，以此为下穿类型的隧道施工项目提供更多的借鉴方案。

1 既有隧道沉降规律

参考文献[9]的原理可以知道，对于单洞类型的隧道，想要获取开发造成的地表沉降的情况，可通过Peck公式进行计算。

(1)

在文献[10]中提到了叠加原理，在双洞隧道中，并且2条隧道处于平行状态，在开挖过程中，会造成横向沉降，具体计算公式为：

(2)

式中，A1、A2分别为第1、第2条隧道的横截面积；V1、V2分别为第1、第2条隧道修建所引起的地层损失系数；i1、i2分别为第1、第2条隧道修建所引起的沉降槽宽度；l为2条隧道的间距。

文献[11]的原理中提到，对于地标下沉降的槽线曲线，一般可以利用高斯分布的手段进行绘制，但是还需要综合衡量沉降槽宽度的系数情况，并且完成整体的修正。其中，沉降槽宽度一般会按照参数的变化、深度的情况进行综合衡量：

i=K(z0-z)

(3)

文献[12]主要针对下穿隧道的真实项目进行调查分析，而且项目施工进行过程中，对于旧隧道造成的影响，其变形的情况可以使用Peck公式计算，利用天然地层的位移参数对地层损失系数和沉降槽宽度系数进行针对性修正。

Vnew=λaλgV

(4)

式中，Vnew为下穿既有隧道沉降下的地层损失系数；λa为下穿既有隧道和新建隧道的走向间夹角对地层损失系数的几何修正值：λa=1/cosa；λg为下穿既有隧道施工的保护措施下折减的地层损失系数。

Knew=ηdηmK

(5)

式中，Knew为既有隧道线路的沉降槽宽度参数；ηd为斜交下穿隧道埋深对沉降槽宽度的影响因子：ηd=[1-a(z/z0)]/(1-z/z0)；a为考虑案例地层的土质情况后的给定参数；ηm为斜交下穿隧道结构的刚度对沉降槽宽度的影响因子：ηm=0.7M0.2；M为截面的剪切刚度值。

按照前面的表述和研究，此次针对单洞斜交下穿这种类型的隧道进行分析，以此了解该隧道的沉降情况。

(6)

双洞类型的斜交下穿引起的既有隧道沉降计算：

(7)

式中，inew为沉降槽宽度，inew=Knew(z0-z)；Vnew为隧道沉降曲线的地层损失系数；lx为已经存在的2个隧道按照线路延伸的方向，其斜向之间的距离。一般情况下，是l/sinα，α为新、旧两条隧道中，二者之间存在的夹角大小。

2 工程概况

结合矿山法，本案例重点对新建隧道区间实施分析，并且针对工程项目中，选择斜交下穿的部分，建设盾构隧道，设置的区间范围为：右线里程K5+232 m至K5+257 m。新建隧道的左—右中心线距设定为16.5 m，与既有隧道在竖直方向上的最小净距设为1.10 m，穿越角度设为56°。隧道的覆土设为15 m，其外径选取6.0 m，厚度设为0.3 m，采用预制型钢筋混凝土进行管片衬砌，其左—右中心线距设为15 m。新建隧道工程设定4个监测节点，与既有隧道在竖直方向上的最小净距见表1。下穿既有地铁的相对的平面位置关系如图1所示。

表1 新建区间结构和既有线区间的结构间距Tab.1 Structure spacing between new section structures and existing line sections

图1 下穿既有地铁的相对平面位置关系Fig.1 Relative plane position relationship of underpass existing subway

对于新建暗挖区间穿越段，其正洞开挖的施工建设主要利用台阶法施展，采用深孔注浆压力(其值选取范围1.0～1.5 MPa)对地层进行预先加固，对于轮廓线2.0 m范围外的部分，针对断面进行注浆。在早期的施工阶段中，需要进行全方位支护，即利用HRB400型环向格栅钢架及厚度为0.25 m的C30喷射混凝土混合施工，并选择0.5 m的支护间距；另外，对于断裂面的中间位置，需要安装I20仰拱，并且相隔距离在0.5 m。这么做的原因是需要保障最终进行封闭时，能够扣成环状，为后续施工提供便利；同时，初期完全支护的背后注浆应积极跟进，其上断面成环闭合后，也应及时填充注浆，直至全断面均闭合后，再进行填充注浆；同时控制好开挖步距循序推进，在施工过程中严格按照开挖一榀，基于支护一榀的状态实施建设，并且在掘进面中，需要将其放在核心的层面中。

在建设单线隧道时，需要完成台阶方面的建设，在完成台阶之后，才可以继续实施隧道方面的工程。在台阶建设过程中，需要保障彼此的间距达到了12 m，同时应保证左/右线需错开20 m以上的间距(图2)。初期支护如图3所示。

图2 下穿既有地铁相对位置关系横断面Fig.2 Cross-sectional diagram of the relative position relationship of underpass existing subway

图3 初期支护Fig.3 Initial supporting

参考勘察报告的相关数据信息可以知晓，地层最深部分已经达到了55.0 m。该部分的岩性、力学特征见表2。针对岩土进行勘察时，一般需要针对下面两层的水位实施探测，并且了解地下水位的情况。地下水基本情况见表3。层间水中，其水位线一般是在隧道的支护底板下，因此在施工的过程中，地下水不会对项目建设造成影响。

表2 地层力学参数Tab.2 Formation mechanical parameters

表3 地下水基本情况Tab.3 Basic situation of groundwater

3 既有盾构隧道变形结果及分析

3.1 既有盾构隧道形变的布置测点

在此次检测中，主要针对盾构隧道结构进行检测，以此了解竖向、水平、椭圆度这3方面变动的情况。对于竖向位置上出现的变化，需要使用自动、人工2种检测手段(图4)。

图4 现场监测点布置Fig.4 Layout of on-site monitoring point

对于竖向位移监测点的布局测试，本文应用DiNi03精密水准仪进行相关监测，监测点一般会设置在隧道的底板上。在水平方向的检测中，一般使用徕卡全站仪，并且在侧墙进行安装。对于椭圆度的检测，在检测过程中，构建空间坐标，针对空间数据进行相应采集。最后利用数据拟合的方式对拟合分析。测试起点选择位于新建右线的上台阶掘进面距既有线盾构区间左线的结构外墙20 m处，测试终点选择位于新建左、右线穿越既有线盾构区间末端。且左/右隧道线路穿越需历时周期6个月。

3.2 既有盾构隧道变形实测结果

穿越特征点的实测值见表4。

表4 穿越特征点的实测值Tab.4 Measured value across feature points

3.3 既有盾构隧道结构竖向位移分析

在盾构隧道中，会铺设左、右2条线路，其竖向方向上会进行沉降检测，并且人工、自动化检测获得数据如图5、图6所示。

图5 左线竖向位移累计曲线Fig.5 Cumulative curve of vertical displacement of left line

综合图5、图6能够看到，在斜交下穿的位置上，左线最大的竖向监测位移点为ZZC05，最小的竖向监测位移点为ZC13，其最大/最小的沉降距离为2.78、0.95 mm；此外，右线最大竖向监测点中，发生位移的情况是YC08，而且沉降距离为2.71mm，相较于左线略小；最小的竖向监测位移点应为ZYC02，沉降距离为0.43 mm。考虑斜交下穿既有盾构区间的左—右线结构，其人工和自动化方面的监测点沉降曲线要更加地吻合，并且最大沉降点会处于中心断面的位置上，距离中心较远其沉降值越小。此外，结合施工现场的合理化的施工步序，需要通过贯穿左线，再到右线。在左线中，需要在节点1、3进行相交；在右线需要和节点2、4相交。其盾构左线相应各阶段的竖向人工监测的沉降位移趋势如图7、图8所示。

图6 右线竖向位移累计曲线Fig.6 Cumulative curve of vertical displacement of right line

图7 节点1左线竖向位移沉降曲线Fig.7 Vertical displacement settlement curve of the left line of node 1

图8 节点3左线竖向位移沉降曲线Fig.8 Vertical displacement settlement curve of the left line of node 3

其右线的各阶段竖向人工监测的沉降位移趋势如图9、图10所示。综合图7—图10可知，在满足单洞下穿越条件下，新建隧道下穿既有盾构隧道的形变特征呈“单凹槽”形；若满足双洞下穿越条件，则会出现“双凹槽”的情况。在隧道形变的部分中，会朝向纵向的方向进行延伸，并且整体比较柔性。在此种隧道中，对于竖向的检测进行比较分析来看，此次数据拟合处理之后，探究了第1节的公式，并且针对斜交下穿隧道进行沉降数值的核算。

图9 节点2右线竖向位移沉降曲线Fig.9 Vertical displacement settlementcurve of the right line of node 2

图10 节点4右线竖向位移沉降曲线Fig.10 Vertical displacement settlement curve of the right line of node 4

3.4 既有盾构隧道结构水平位移和椭圆度分析

其在水平方向上，位移的发展趋向如图11、图12所示。由图11、图12可知，此种隧道中，坐标的位移最大值为+0.32 mm，右线为+0.47 mm，相比来看，2条线在水平方向上位移较小，甚至低于纵向的数值。因此，下穿的施工方式对于隧道在水平方向的形变影响较小。

图11 既有盾构区间左线结构水平位移的累计形变趋势Fig.11 Cumulative deformation trend of horizontal displacement of left line structure in existing shield section

图12 既有盾构区间右线结构水平位移的累计形变趋势Fig.12 Cumulative deformation trend of horizontal displacement of right line structure in existing shield section

在既有盾构隧道中，其椭圆度的变化，对于整体工况造成了干扰，既有盾构隧道结构椭圆度的形变曲线如图13所示。由图13可知，在下穿越施工前，既有盾构隧道结构的椭圆度均产生了变化，最大变化幅值约为1.88 mm。施工完成后，其椭圆度的最大变化幅值约为3.17 mm，说明盾构隧道的椭圆度变化幅值较小。通过对各节点的椭圆度形变幅值进行对比可知，节点3处的盾构隧道椭圆度形变幅度最大，但节点3处的竖向方向上，其净距最小，只有1.11 m。由此可见，椭圆度的变动，会对该数值造成影响。