地铁隧道近距离下穿高铁大直径盾构隧道施工变形特征分析

高始军

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,南京 211899)

1 概述

随着我国城市化进程不断推进,城市地下空间建设规模显著增长,新建隧道穿越既有基础设施引发的问题也越来越突出。 截止2019 年底,仅北京地区已建及在建的穿越工程案例就达20 余个[1-4]。 新建隧道下穿既有隧道,必然会导致既有隧道周边地层及隧道本身的原有状态发生变化,轻则诱发结构裂损、渗漏水,重则导致结构整体失稳垮塌。 由此,下穿隧道引发的各类问题受到国内外学者的关注[5-8]。

目前,国内外关于新建隧道下穿既有隧道的研究主要集中在以下几个方面:理论解析法、模型试验法、数值模拟分析法、现场实测分析法等[9-17]。 其中,在现场实测方面,李倩倩等通过统计现场实测数据,分析浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特征;张琼芳等通过对施工过程进行监测,研究新建隧道与既有隧道不同位置关系时既有隧道的变形规律。 在数值模拟分析方面,孙钧等针对上海轨道交通明珠线上、下行近距离交叠区间隧道施工,采用数值软件分析不同开挖方法下地层位移以及地表沉降随掘进进度的变化规律;汪洋等采用三维数值模拟与模型试验相结合的方式,对盾构隧道正交下穿既有隧道所引起的纵向变形等问题进行深入研究,得到既有隧道的变形和附加内力分布变化规律;张毫毫等应用多尺度建模技术,重点分析隧道正交施工扰动下,既有隧道管片的受力变形规律。不难看出,下穿施工会导致既有隧道产生一定的变形,可能导致隧道在下穿过程中发生破坏。 随着城市地铁、城际高铁、市政项目的快速建设,会有越来越多的隧道下穿既有隧道,各种工法下穿隧道的施工研究相继涌现,但有关暗挖隧道下穿大直径盾构隧道的研究相对较少。

以北京地铁12 号线下穿清华园大直径盾构隧道工程为背景,针对盾构施工的特点,引入三维精细化建模技术,采用现场实测与有限元数值计算相结合的手段,对暗挖隧道施工下穿既有大直径盾构隧道引起的变形等问题进行深入研究。

2 工程概况

北京地铁12 号线大钟寺站—蓟门桥站区间线路沿北三环西路路中敷设,区间里程为右(左)SSK107+972.250～右(左)SSK108+807.350。 区间隧道采用矿山法施工,断面形式为马蹄形(高6.62 m,宽6.48 m),里程DK14+745～DK14+770 段接近正交下穿京张高铁清华园盾构隧道,平面位置关系见图1。

图1 北京地铁12 号线下穿清华园隧道平面(单位:m)

新建隧道结构与既有隧道结构最小净距为1.66 m,以第四系全新统人工堆积层杂填土和第四系全新统冲洪积层黏性土、粉土、砂类土、圆砾土及卵石土地层为主(见图2)。 为减少对京张高铁隧道的影响,12 号线大—蓟区间采用“台阶法+临时仰拱”施工,隧道开挖前,采用“深孔注浆+DN180 大管棚”进行支护。 清华园隧道平均覆土厚度14 m,衬砌管片为C50 预制管片,内径11.1 m,外径12.2 m,环宽2 m,厚0.55 m。

图2 北京地铁12 号线下穿清华园隧道剖面(单位:m)

地铁12 号线暗挖隧道近距离下穿既有大直径盾构隧道,工程存在较大风险。 如何避免新建暗挖隧道施工对周围土体及既有大直径盾构隧道产生较大的扰动,安全完成下穿,是12 号线施工的关键。

3 现场实测及数据分析

3.1 现场测点布置

施工过程中,清华园盾构隧道边墙各设置25 个电子水准仪监测仪,既有隧道变形测点布置见图3。

图3 清华园隧道竖向变形监测点布设平面

3.2 既有隧道变形规律分析

对12 号线大—蓟区间下穿既有盾构隧道竖向历时变形数据进行分析,既有隧道竖向变形历时曲线见图4。 根据12 号线下穿施工的控制措施,把既有盾构隧道的竖向变形历时曲线划分为“超前沉降、注浆抬升、下穿施工、变形稳定”4 个阶段。

图4 既有隧道竖向变形历时曲线

第一阶段:新建隧道掌子面距既有高铁盾构隧道结构在2～3 倍洞径时,既有隧道显著沉降,该阶段沉降最为明显,占总沉降70%,但沉降量满足控制标准,证明大管棚支护方式在该处效果明显。

第二阶段:当位于既有高铁隧道下方开挖时,因对既有隧道采取支护措施,使得既有隧道的竖向沉降不明显,故设置的支护措施可以有效的减少竖向沉降。

第三阶段:整个断面分步开挖,由于土体损失,造成地层产生较为显著的沉降,导致既有隧道沉降量大、沉降速度快。

第四阶段:土体后期固结稳定阶段沉降为盾构通过监测断面后的固结沉降,包括主固结和次固结沉降,主要由施工引起的土体扰动和各种残余作用导致。

通过以上分析,既有结构的沉降变形主要由隧道开挖前及隧道开挖阶段造成。 既有大直径盾构隧道最终变形值满足控制标准,充分说明穿越过程中采取的大管棚支护以及深孔注浆技术有一定效果。

既有大直径盾构隧道纵向变形曲线见图5。

图5 既有盾构隧道沉降断面

由图5 可得到如下结论。

(1)新建双线隧道的间距为1.6D(D为新建隧道跨度),隧道沉降曲线呈“V”形。 由于两个新建隧道间距较小,盾构隧道未能很好呈现柔性变形。

(2)从图5 可以看出,新建双线隧道下穿既有隧道最终沉降曲线最大值为4.3 mm,受新建隧道先后施工影响,既有隧道的变形曲线未能呈现轴对称。 先开挖隧道由于注浆等施工措施导致左线隧道的地质情况发生一定改变,使得左右开挖隧道所处土层刚度不同,进而导致既有隧道变形不对称。

(3)既有隧道在新建左线隧道上方沉降有一定隆起,可能是右线隧道注浆加固时造成左线隧道上方地层刚度变大,随后左线隧道注浆加固前未能发现到此问题,导致左线隧道上方的既有隧道产生一定隆起。

4 数值模拟及计算结果分析

在实测数据分析的基础上,借助ABAQUS 有限元数值软件,建立管片衬砌结构精细化数值模型,模拟大直径盾构隧道管片、管片螺栓以及受力钢筋等细部构造,对新建隧道下穿大直径盾构隧道变形进行分析。

4.1 精细化模型建立

(1)新建隧道的各施工阶段对既有隧道影响各不相同,在精细化模型的基础上,建立新建隧道开挖全过程数值模型,分析掌子面距既有隧道不同位置处的既有隧道变形沉降规律,各施工步序对应掌子面与既有隧道距离见表1。 规定开挖面距离既有隧道前方为正,反之为负。 右线先进行开挖随后左线进行开挖,开挖后进行初期支护,衬砌采用壳单元进行模拟。 开挖土体时将应力进行释放30%,施作衬砌后将应力释放70%。

表1 施工步骤与掌子面距新建隧道距离

(2)根据12 号线下穿清华园盾构隧道详勘报告以及设计文件,综合考虑地层、隧道等各自特点,建立精细化仿真数值模型。 考虑边界效应,整个模型计算范围为165 m×90 m×60 m。 计算模型见图6,各结构位置关系见图7。

图6 计算模型

图7 盾构与新建隧道位置关系

(3)结合既有隧道及新建隧道设计资料、混凝土结构设计以及相关规范,模型中相关材料的主要力学计算参数见表2、表3。

表2 地层参数

表3 结构参数

(4)如图8 所示,将整条隧道盾构管片纵向划分为5 个部分,用直螺栓进行连接。 为简化计算,混凝土内置钢筋使用Truss 单元进行模拟,通过将钢筋嵌入到混凝土管片中模拟钢筋与混凝土无黏结滑动情况下的钢筋混凝土结构。 盾构管片环面上靠近内外壁位置通常会设置一定厚度的防水垫层,管片拼装时,防水垫层受到挤压会产生变形,后期遇水膨胀,其力学性能及受力状态较为复杂;其变形对盾构隧道接头止水具有显著影响,但对盾构管片整体受力状态影响较小且由于防水垫层与管片混凝土的刚度差异极大,根据防水垫层的实际刚度建模易导致计算不收敛问题。

图8 多层级精细化数值仿真模型

相邻管片之间的接触关系采用在法向上设置硬接触,管片之间可以传递压力,并允许接触后分离,切向上采用基于罚函数法的库仑摩擦模型模拟,接触面力学参数见表4。 因此,计算模型中将防水垫层省略。

表4 接触面力学参数

4.2 算例验证

为验证模型的准确性,将基于精细化模型得到的结构变形与和实测数据进行对比验证,2 种方法得到的隧道沉降曲线见图9。

从图9 可以看出,数值模拟与现场监测所得既有隧道沉降变形模式一致,最大沉降均位于新建2 条隧道连线中点正上方处,根据对比发现,模拟值均比实测值大,可能是模拟计算中存在两环精细化管片,使得盾构隧道在中心位置处刚度大幅下降,造成竖向变形较实测数据偏大。 总体来说,模拟计算既有隧道的沉降数据与实测数据规律相同,可利用模拟计算的规律分析既有隧道变形受力情况。

图9 实测数据与数值模拟所得既有隧道竖向变形曲线

4.3 计算结果分析

(1) 整体变形分析

新建隧道施工完成后竖向位移云图见图10,由图10 可知,盾构管片竖向位移范围是-6.6～-4.9 mm,且拱顶竖向位移大于拱底竖向位移,管片产生径向收缩。除此之外,盾构管片的最大竖向位移均产生于每块管片相接触的位置,表明新建隧道施工时纵缝所在位置为薄弱位置,应加强监控量测,避免意外发生。

图10 管片竖向位移云图(单位:mm)

图11 是既有隧道拱顶在不同施工阶段的沉降曲线,由图11 可知,新建隧道下穿大直径盾构隧道时,掌子面距离既有隧道较远时,开挖导致的地层扰动对既有隧道影响较小,此阶段既有隧道沉降量占总沉降量的9%左右;当新建隧道开挖至既有大直径盾构隧道下方时,既有大直径盾构隧道沉降量明显增加,此阶段沉降量占总沉降量的86%左右;当新建隧道开挖至既有大直径盾构隧道后方时,此时沉降增加量大幅度减少,但由于地层依旧未达到平衡状态,故导致既有隧道沉降依旧有所增加。

图11 不同施工阶段大直径盾构隧道沉降曲线

综上,新建隧道下穿既有大直径盾构隧道时,应加强对接头部位的监控量测。 除此之外,新建隧道在既有隧道正下方穿越时应采取一定措施控制既有隧道变形,以保证其安全。

(2)接头变形分析

盾构隧道管片为错缝拼装,每一环的所处位置各不相同,各个管片的受力会因为错缝拼装而不同,本次模拟新建隧道下穿既有盾构隧道,根据以往经验,新建隧道正上方位置的管片会因为下穿施工而导致受力变形发生较大变化,故选取新建隧道正上方一环管片,分析其环向接头的变形情况。 接头变形云图见图12(放大系数取600)。

图12 管片环向变形云图

由图12 可知,新建隧道下穿既有大直径盾构隧道时,既有盾构隧道结构发生变化,管片拱顶向管片环内侧变形,管片环的两腰向外侧移动,盾构隧道管片拱顶及拱底纵缝位置处有向环内张开趋势,两侧管片纵缝处有向外张开的趋势,全环纵缝处均有一定张开角,最大张开角发生在拱腰接缝处。 除此之外,管片接缝处变形较接缝处两侧变形大,但由于螺栓的连接作用,盾构隧道管片环变形也表现出较强的连续性。

5 结论

通过建立新建隧道下穿大直径盾构隧道精细化数值模型(考虑螺栓接头),分析下穿过程中的既有结构沉降以及接头变形变化规律,并结合实测数据对其进行验证,得出如下结论。

(1)暗挖隧道下穿既有大直径盾构隧道时,当两线的间距为1.6D时,既有结构的沉降模式为“V”形。既有结构最大沉降为4.32 mm。 最终变形值满足控制标准。

(2)在设立纵向与环向螺栓的位置处沉降出现明显增大,说明接头会使盾构隧道刚度降低,故在新建隧道实际下穿盾构隧道施工过程中,应加强对接头部分的监控量测,以保证施工安全。

(3)新建隧道下穿大直径盾构隧道时,管片拱顶向管片环内侧变形,管片环的两腰向外侧移动,盾构隧道管片拱顶及拱底纵缝位置处有向环内张开趋势,需引起重视。