超近接上跨既有隧道施工影响分区及加固措施效果

崔光耀,宋博涵,何继华,田宇航

(1.北方工业大学 土木工程学院,北京 100144; 2.中铁二十三局集团第六工程有限公司,重庆 400012)

1 研究背景

截至2021年6月,全国共计47座城市已开通轨道交通线路245条,总里程数达到7 957 km。城市地铁的建设已然成为城市轨道交通发展的重中之重。受地下复杂环境的影响,地铁隧道不断出现上跨、下穿、平行侧穿等多条隧道交叠等情况。因此,保证既有隧道的安全运营,降低新建隧道自身的施工风险是目前关注的重点。

降低施工扰动影响或主动控制既有隧道的变形,是解决近接隧道施工问题的核心。从施工扰动影响而言,卸载造成围岩应力重分布是近接施工扰动影响的本质原因,继而对隧道产生新的荷载作用。而对于上跨、下穿、平行等不同近接形式的穿越既有隧道,受力特征也会发生改变[1-3]。新建隧道上跨既有隧道近接施工,根据工法的不同会导致既有隧道发生不同程度的上浮[4-5];下穿既有隧道施工,由于土体损失及固结沉降,既有隧道的结构变形主要以沉降为主[5-6];平行侧穿既有隧道施工,由于土体的附加应力作用,既有隧道边墙会向新建隧道方向扩张,拱顶发生沉降[7-8]。

明确隧道近接施工的受力特征,以此着手考虑加固措施的施作,可有效地控制扰动影响。例如,通过数值模型,对隧道开挖前后主应力加载面的变化建立影响分区,以初始地应力场的应力计算得到的加载面函数Fα与新建隧道开挖完成后应力状态计算得到的加载面函数F的大小关系为判别准则,当加载面函数F≥0时,表示围岩发生屈服,为强影响区,并于强影响区内进行措施加固,保证工程的顺利进行[4];当0>F>Fα时,为弱影响区;当Fα≥F时,为无影响区。通过影响分区理论[1],提出基于工程的近接影响判别表达式,由近接影响度划分影响区域,并结合数值模拟与现场监测等方法对提出的分区对策进行验证[9];通过Mindlin弹性力学经典解先估算施工开挖对既有隧道造成的荷载作用,在此基础上进行有限差分计算,得到既有隧道纵向预测变形值,结合实际工程验证该计算方法的适用性[10]。

综上所述,部分专家学者对隧道近接施工的受力特征、影响分区、结构变形等通过数值模拟、理论分析、现场监测等方法进行了大量的研究。对于隧道超近接施工,加固措施关系着施工的顺利安全进行,然而既有隧道的哪些空间范围内需要控制措施,还需要进一步研究。因此,确定新建隧道施工的扰动影响分区尤为关键。本文依托北京地铁新机场线上跨既有地铁10号线暗挖工程,对新建隧道超近接上跨既有隧道的扰动影响分区进行了研究。

2 工程概况

2.1 工程位置

北京地铁新机场线暗挖区间段上跨既有地铁10号线,间距0.97 m,呈68°斜交,属超近接上跨施工,为特级风险源;下穿镇国寺北街,埋深4 m,属超前埋深,为一级风险源。具体地理位置如图1所示。

图1 新机场线暗挖区间Fig.1 Concealed excavation section of new airport line

2.2 地质条件

地层分布较均匀,由上至下依次为粉土素填土①层、粉土②层、粉细砂②3层、圆砾、砾砂②5层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、卵石圆砾⑦层、卵石圆砾⑨层,岩性属软弱Ⅴ级围岩。

根据地质详勘,30 m深度范围内揭露2层地下水,分别为上层滞水和潜水(微承压),分别赋存于第②5层圆砾、砾砂层和第⑨层卵石层中,地下水位标高约18.55 m,工程位于水位线以上。在施工过程中密切关注地下水水位的动态变化,加强地下水位监测,并根据实际情况及时进行地下水处理,施工过程中若发现上层滞水,可采取明排措施,同时应切断其补给源,妥善处置,以保证施工的安全进行。

2.3 隧道暗挖区间施工概况

新建隧道暗挖区间长约62.7 m,横向洞桩间距12 m,洞内高6.4 m。由于复含2个特殊风险源,为最大程度上降低施工风险,优选洞桩法进行施工。洞桩法的特点为在施工过程中首先开挖多个小导洞,率先形成多个临时的小支护体系,待结构稳定后完成后续施工内容[11-13]。

本文洞桩法施工断面及施工流程如图2所示。在导洞开挖前采取超前打设管棚及小导管注浆等主动控制措施以保证地表变形在安全范围内。上层小导洞、下层土体均采用对向台阶法施工,单位进尺为3 m,下台阶开挖滞后上台阶3 m进行。

图2 洞桩法施工断面及流程Fig.2 Construction section and process of Pile-Beam-Arch method

3 近接施工影响分区

3.1 拱顶隆起值控制标准

依据现场 “微扰动”施工要求,基于既有隧道拱顶隆起值,制定相应的控制标准,见表1。现场要求既有隧道拱顶隆起不得超过2 mm,报警值一般取变形控制值的70%,故不得超过1.4 mm。基于拱顶隆起值控制标准,可确定影响分区的阈值范围。

表1 拱顶位移控制标准Table 1 Vault displacement control standard

3.2 计算工况

为确定隧道施工对既有隧道的横向扰动影响分区,首先建立不同净距、不同埋深条件下的既有隧道模型,计算工况如表2所示。采用FLAC3D有限差分计算软件对30种工况进行施工仿真计算,提取30个位置下的拱顶变形,后通过拱顶隆起控制标准的椭圆线对各点进行拟合,确定影响分区。

表2 计算工况Table 2 Calculation conditions

表2中,D为新建隧道洞径,跨度为12 m;H为既有隧道拱顶至新建隧道底板埋深距离,S为新建隧道中心线至既有隧道拱顶净距。计算工况示意图如图3所示。

图3 计算工况示意图Fig.3 Schematic diagram of calculation condition

3.3 计算模型

建立二维弹塑性本构模型,摩尔-库伦准则为塑性破坏准则。各材料均以实体单元构建,模型纵深6 m,高60 m,宽90 m,盾构管片直径6 m,以埋深为0.5D,净距为0D的计算工况为例,如图4所示。约束模型四周边界,地表为自由面。地层取Ⅴ级围岩参数,具体计算参数见表3。

表3 地层及各材料参数Table 3 Parameters of strata and materials

图4 计算模型Fig.4 Calculation model

3.4 计算结果分析

施工模拟工序同2.3节。模拟循环进尺6 m开挖对既有隧道的扰动影响。将30组计算结果汇于表4进行分析。

表4 既有隧道拱顶隆起值Table 4 Crown uplifts of the existing tunnel

根据计算结果,可绘制不同净距、不同埋深下的拟合曲线,如图5所示。随后可通过拟合关系函数计算得到拱顶隆起变形2 mm及1.4 mm的位置,可通过埋深与净距来表示,见表5。由计算结果,以净距为横坐标、埋深为纵坐标,根据不同控制标准,对该标准下存在的位置点进行拟合,得到不同控制标准下的扰动影响分区,如图6所示。

表5 不同控制标准既有隧道埋深与净距Table 5 Buried depth and clear distance of existing tunnel with different control standards

图5 拱顶隆起值随埋深与净距变化的拟合曲线Fig.5 Fitting curves of arch crown uplift value with buried depth and clear distance

图6 施工影响分区Fig.6 Zoning of construction impact

由图6可知,施工对既有隧道的扰动影响大致呈椭圆形,可以通过椭圆线对2种控制标准下的位置点进行拟合[14],拟合曲线由式(1)表示。相应地,控制值曲线与报警值曲线也将扰动影响范围划分为3个区域,A为强影响区,若既有隧道在此范围内,既有隧道拱顶隆起值>2 mm,不满足现场施工标准,需要在合理的范围内提出加固措施,降低施工对既有隧道的影响;B为弱影响区,若既有隧道在此范围内,既有隧道拱顶隆起值介于1.4 mm与2 mm之间,应结合现场实际情况对特定区域采取加固措施;C为无影响区,若既有隧道在该区域内,新建隧道对其扰动影响较弱,仅对特殊位置保持普通监测即可。

其中S/D≥0,H/D≥0.1。

4 加固措施及其控制效果分析

4.1 加固措施的确定

扰动影响分区的确定,可为加固措施的选择提供参考。本文工程既有隧道距新建隧道底板仅0.97 mm,在控制范围内,应采取必要的加固措施保证施工安全性。

一般大跨度地铁隧道、车站施工常见的加固措施为超前管幕加固措施[15]。为控制既有隧道隆起,提出2种措施:新建隧道底板下方打设超前管幕,施作于下方土体开挖前;当开挖Ⅱ、Ⅲ层土体时,随掌子面推进通过预留孔对底板下方3 m范围内进行超前低压注浆,计算工况如图7所示。

图7 加固措施计算工况Fig.7 Reinforcement conditions

建立三维模型,通过FLAC3D有限差分软件,对上述工况进行数值模拟分析。为了方便计算,三维模型取宽90 m,纵深60 m,高60 m,如图8所示。模型条件与材料参数同3.3节。补充管幕措施与夹土注浆参数,见表6。

表6 材料参数Table 6 Material parameters

图8 三维模型Fig.8 Three-dimensional computation model

4.2 加固措施效果分析

施工模拟工序与2.3节中工序相同,模拟施工为对向施工,直至施工完成。提取施工完成后新建隧道与既有隧道交叉处南线隧道拱顶隆起值的变化进行分析,如表7所示。

表7 不同工况下的隧道拱顶隆起位移变化Table 7 Variation of crown uplifts of tunnel under different working conditions

由表7可知,暗挖区间采用工况2与工况3加固措施均能降低隧道开挖对既有隧道的扰动影响,且控制效果较好,相较于工况1,工况2和工况3的拱顶位移分别减小64.05%、70.23%。从控制效果分析,采取工况3加固措施优于工况2加固措施;从施工安全角度考虑,采取工况2加固措施最终施工完成后既有隧道拱顶隆起>2 mm,未满足现场施工控制标准,采取工况3加固措施最终施工完成后既有隧道拱顶隆起值满足现场控制标准。

综上,采取超前管幕措施+夹土注浆加固措施能够保证新机场线暗挖区间的施工安全性及地铁10号线的运营安全。

5 结 论

(1)基于既有隧道拱顶位移控制标准,建立了北京地铁新机场线超近接上跨既有隧道施工影响分区,分别为强影响区、弱影响区和无影响区。

(2)根据施工影响分区及工程特点,提出了超前管幕和超前管幕+夹土注浆2种加固措施。

(3)经数值计算对比分析了2种加固措施的控制效果,结果表明:2种加固措施均能降低隧道开挖对既有隧道的扰动影响,拱顶隆起值分别减小64.05%(超前管幕)和70.23%(超前管幕+夹土注浆)。建议采用超前管幕+夹土注浆措施进行近接施工加固。