地铁盾构小净距上穿既有线变形数值模拟及 施工控制*

汤新辉 雷 涛 刘维正 艾国平 戴晓亚 郭建明

(1.长沙市建设工程质量安全监督站, 410023, 长沙; 2.中交一公局集团有限公司, 100024, 北京; 3.中南大学土木工程学院, 410075, 长沙∥第一作者, 高级工程师)

伴随着城市地铁建设规模的不断扩大,新建地铁上穿既有地铁线路的情况越来越多。穿越施工过程中,新建地铁施工不可避免地会对周围地层产生扰动,使既有地铁线路产生变形,进而引发隧道渗漏水、管片错台、螺栓断裂等一系列病害问题。为保证既有线路的安全运营,研究地铁盾构上穿施工引发既有线的变形规律,对既有线路的正常运营和新建盾构隧道的安全施工均具有重要的现实意义。

已有学者针对新建盾构隧道上穿既有线路的问题进行了大量研究。在数值模型方面,文献[1-2]研究了盾构小间距上穿施工时,注浆加固对区间隧道受力变形的影响,以及顶管隧道上穿施工全过程对既有线路的影响。在理论计算方面,文献[3-5]运用Winkler地基模型、Timoshenko梁模型及Pasternak地基与弹性地基短梁相结合的方式,分别求得了既有隧道的竖向变形、剪切变形与纵向变形。在模型试验方面,文献[6-7]通过离心模型试验、室内模型试验分别研究了盾构上穿施工过程引起周围土体和隧道竖向位移变化的规律,以及盾构以不同角度上穿施工对既有地铁线路的扰动影响。在现场实测分析方面,文献[8-9]分析了大量隧道上穿既有盾构隧道工程案例的实测数据,研究发现隧道间净距、地层条件及加固措施对既有线路的变形影响较大,注浆可较好地抑制既有线路的变形情况。在新建盾构上穿施工工程的控制措施方面,文献[10-13]研究了底板向下注浆、克泥效注浆、钢骨架加固等加固控制措施,以及自动化实时监测系统、盾构施工参数控制与风险应急推演管理措施等技术手段控制既有线路的变形情况。以上文献多以实际工程为例,针对特定工况进行分析,而对于小净距上穿施工的特殊情况有待进一步研究。同时,现有施工控制措施主要为注浆加固、钢骨架加固等传统方法,加固效果有限且不够方便快捷,因此有必要对环形支撑等新施工控制措施进行研究。

本文以长沙轨道交通6号线(以下简称“6号线”)上穿长沙轨道交通3号线(以下简称“3号线”)隧道工程为例,采用FLAC3D软件建立三维数值模型,对盾构隧道上穿既有地铁线路的施工全过程及后期加固过程进行模拟,研究既有线路的纵向位移分布规律,以及6号线上穿3号线施工过程中既有隧道的竖向位移变化过程,并分析了加固措施对既有隧道变形的控制作用。本文研究可为新建工程安全施工和既有线正常运营提供理论支持和工程指导。

1 工程概况

1.1 工程背景

在6号线朝阳村站—芙蓉区政府站区间,盾构机从芙蓉区政府站西端盾构井、竖井始发,上穿3号线区间隧道后进入朝阳村站。6号线盾构区间与3号线位置关系示意图如图1所示。上穿区段6号线区间盾构隧道结构覆土厚为10.28 m,6号线盾构区间与3号线交叉点的最小垂直净距约为1.036 m,其余三处的最小垂直净距约为1.279 m、1.341 m、1.595 m。6号线的左右线在该区段的坡度为29‰～-2‰,隧道拱顶埋深为10.5～10.8 m,6号线的左右线间距约为18.8 m。3号线和6号线隧道均位于中风化泥质粉砂岩中。

a) 平面位置关系

本项目主要的技术难点为:6号线上穿3号线盾构隧道,该区段区间最小垂直净距约为1.036 m,采取注浆、克泥效、堆载等施工措施不能有效控制上穿段既有线隧道的变形情况。此外,3号线隧道有通车要求,在对既有隧道进行加固时不能阻碍隧道中列车的正常运行。

1.2 控制标准

在新建盾构隧道的施工过程中,为了保证既有地铁线路的安全运营,必须保证其变形控制指标处于安全区间内。根据CJJT 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定,以及本工程中盾构隧道与既有运营3号线的空间位置关系,判断外部作业影响等级为特级。根据规范相关要求和外部作业影响等级,相应的既有隧道变形控制标准如表1所示。

表1 既有隧道变形控制标准

2 数值模型计算分析

2.1 建立模型及选取参数

采用FLAC3D软件建立数值计算模型,计算尺寸取为开挖卸荷面宽度和高度的3～5倍。根据开挖卸荷面宽度和高度的5倍确定边界条件,6号线和3号线的数值计算模型如图2所示。

a) 整体计算模型

3号线和6号线的开挖过程通过FLAC3D软件内置的null模型来实现逐环开挖,并通过改变等代层的性质参数来模拟同步注浆浆液的硬化过程,等代层使用弹性模型,土层全部采用Mohr-Coulomb模型。隧道的衬砌管片用内置单元liner模拟,liner单元可直接模拟为一环衬砌管片,liner单元的特性参数可控制衬砌-土界面的剪切和受压行为,其参数主要有抗拉耦合弹簧强度和剪切耦合弹簧强度,可用于反映隧道结构模型中环缝、纵缝之间连接螺栓的抗拉强度和剪切强度。通过对周围地层及开挖面施加均布压力来模拟盾构注浆和盾构顶推力,详细计算参数如表2所示。

表2 计算参数

2.2 竖向位移分析

当新建隧道掘进施工完成后,隧道及周围土体的整体竖向位移云图如图3所示。由图3可知:既有隧道管片周围的土体最大竖向位移为4 mm,新建隧道周围土体的最大竖向位移为6 mm;新建隧道和既有隧道周围土体的竖向位移隆起最大值均出现在两条线路的交叉部位,此处属于夹层土体范畴,可见此范围内的土体在上穿施工过程中需要着重控制其竖向变形。

a) 隧道周围土体

为研究新建盾构隧道上穿施工对既有隧道造成的影响,对隧道管片单元的整体竖向变形进行分析,提取图3中既有隧道管片拱顶处的竖向位移,既有隧道不同纵向位置处的拱顶竖向位移如图4所示。由图4可知,新建隧道开挖完成后,既有隧道在交叉点处的变形较大。既有隧道的竖向变形关于新建隧道的中轴线呈对称分布,向两侧逐渐减小,隧道管片的竖向最大隆起变形达到了2.7 mm。

图4 既有隧道不同纵向位置处的拱顶竖向位移

综上所述,既有地铁隧道受影响的主要区域为既有隧道和新建隧道的水平投影交叉点附近。

为研究6号线施工过程中既有地铁3号线的竖向位移变化,盾构每施工7.5 m选取一个竖向位移云图进行分析,共8个施工阶段。盾构掘进过程中,隧道竖向位移云图如图5所示。由图5可知:随着新建盾构隧道的施工,既有隧道管片的竖向位移逐渐增大,上穿部位(水平投影交叉点附近)尤为明显;当盾尾距离既有隧道中轴线7.5 m处,既有隧道管片的整体竖向变形仍无明显变化;当盾尾处于既有隧道中轴线处时,既有隧道上穿部位的最大隆起变形为1.2 mm;当盾尾掘进越过既有隧道中轴线7.5 m时,既有隧道上穿部位的最大隆起变形为2.7 mm;当盾尾越过既有隧道中轴线15.0 m时,既有隧道上穿部位的最大隆起变形为2.7 mm,此时隆起变形的增长已不明显。

a) 盾尾未到隧道中轴线22.5 m

为直观地反映施工过程中既有隧道拱顶隆起峰值的变化规律,提取不同盾尾距中轴线距离条件下,既有隧道中轴线处的竖向位移进行分析,如图6所示。由图6可知:随着新建盾构隧道的施工,当盾尾距离既有隧道中轴线距离为12.0 m前,因距离既有隧道中轴线较远,既有隧道与新建隧道交叉点处的管片及周边土体的竖向位移无明显变化;当盾尾距离既有隧道中轴线距离为-12.0 ～12.0 m时,既有隧道与新建隧道交叉点处的管片和土体的竖向位移均发生了显著变化;当盾尾通过既有线路12.0 m后,既有隧道与新建隧道交叉点处的管片及土体位移基本保持稳定。综上所述,当新建盾构隧道施工距离既有隧道左右各12.0 m范围内时,即当新建盾构隧道距离既有隧道2D(D为新建隧道直径)水平距离时,其对既有隧道有较大的影响,因此在此范围内施工时,需要着重控制既有隧道的上浮变形。

注:横坐标以盾尾未到达既有线为负,盾尾越过既有线为正。

2.3 加固措施影响分析

3号线隧道在铺轨后使用环形支撑加固结构,具体架设范围为两线交叉点处的管片及其前后各2环管片。每处交点附近共架设5环管片,环与环之间的钢支撑使用纵向联系条进行连接。

建模时,环形支撑选取弹性本构模型,加固范围为既有隧道与新建隧道交叉点两边各2环管片长度(共5环),环形支撑的钢板厚度最大不超过75 mm,模型中取为50 mm。加固措施模型示意图如图7所示。加固区域的物理参数按照Q235b钢进行选取,其泊松比为0.3,弹性模量为200 GPa,密度为3.9×104kg/m3。

图7 加固措施模型示意图

在既有隧道采取加固措施后,新建隧道施工完成后,既有隧道不同纵向位置处的拱顶竖向位移如图8所示。由图8可知:在未加固、加固1环、加固3环、加固5环、加固7环、加固9环情况下,既有隧道拱顶的最大竖向位移分别为2.70 mm、2.40 mm、1.70 mm、1.10 mm、0.97 mm、0.91 mm,向隧道两侧逐渐减小;采取加固措施后,既有隧道的整体竖向位移分布规律与未采取加固措施前的分布规律整体一致,表明加固措施仅改变隧道竖向位移的大小,并不改变其分布规律;随着加固环数的增加,既有隧道拱顶处的竖向位移快速减小;当加固5环时,既有隧道拱顶处的最大位移为1.1 mm;当加固7环和9环时,既有隧道拱顶处的最大位移分别为0.97 mm和0.91 mm。相较于加固5环时的情况,加固7环和9环时的拱顶处竖向位移虽然更小,但二者的减小效果有限,因而在工程中建议加固5环,既可良好地控制既有隧道的竖向位移,又具有较高的性价比。此外,通过对比采取加固措施前后既有隧道拱顶处的竖向位移可知,在加固范围内的加固措施可承担既有隧道与新建隧道交叉点处既有隧道管片的上浮变形,并将其向相邻的管片传递,进而起到良好的加固作用。

图8 加固措施对既有隧道不同纵向位置处拱顶竖向 位移的影响

加固后,不同盾尾与中轴线距离条件下,既有隧道中轴线处的拱顶竖向位移,如图9所示。由图9可知:采取加固措施后,在盾构掘进初期,既有隧道拱顶的竖向位移有一定的沉降,约为0.5 mm;当盾构掘进至既有隧道中轴线附近时,既有隧道开始向上隆起,且隆起量的增长速率较大;在盾构通过既有隧道中轴线6 m时,既有隧道顶部的隆起量达到了1.1 mm,并逐渐趋于稳定。

图9 加固后不同盾尾距中轴线距离条件下既有隧道 中轴线处的拱顶竖向位移

3 施工控制措施

3.1 环形支撑加固措施

6号线上穿施工过程中,3号线隧道上部可能出现压力卸载及过载现象,对既有隧道造成较大的竖向变形,过大的变形值易引起管片裂缝,进而导致连接螺栓拉裂、隧道漏水等一系列问题。考虑到3号线隧道的通车需求,为不影响既有隧道的正常运营,采用环形支撑加固措施。

洞内加固环形支撑的结构、连接形式与盾构区间隧道施工所使用的管片类似,均为分块拼装后采用螺栓连接成型的环形结构(环形支撑底部与道床通过锚固连接成整体)。环形支撑加固结构的各部件均在隧道外提前准备好,只需在新建隧道施工前在既有隧道内部进行装配,施工便捷迅速,且不影响既有隧道内列车的正常运行。环形支撑的肋板最厚为75 mm,远远小于125 mm的区间车辆限界要求。在环形支撑安装完毕后进行断面测量,避免支撑侵限。环形支撑应在3号线隧道铺轨后使用,环形支撑钢板均为Q235b钢。每个环向支撑架由14件支撑板和2个支撑架固定座组成,支撑板采用两种型号,支撑板2—支撑板13为A型,支撑板1和支撑板14为B型。临时环形支撑布置示意图如图10所示。

图10 临时环形支撑布置示意图

洞内支撑应在新建隧道上穿施工前架设完成,由前文数值分析结果可知,加固5环效果最佳,故对两线交叉点处的3号线管片及其前后各2环管片进行架设(共4处交叉点,架设20环管片)。环与环之间的钢支撑应有可靠的纵向联系,采用4条16b槽钢进行连接。

3.2 盾构掘进控制

区间左线的第1055环—第1074环为上穿施工段,此过程中需分析的盾构掘进参数主要有土仓压力与总推力、刀盘扭矩与掘进速度及同步注浆压力。

3.2.1 土仓压力与总推力

不同管片下的土仓压力与总推力如图11所示。由图11可知,盾构在上穿3号线隧道施工过程中,土仓压力为90～110 kPa,刀盘离开3号线西侧隧道后,土仓压力于第1069环开始逐渐释放,于第1074环刀盘抵至洞门时进行土仓压力释放。掘进总推力控制在9 500～12 500 kN,刀盘进入加固区后总推力逐渐降低。

图11 不同管片下的土仓压力与总推力

3.2.2 刀盘扭矩与掘进速度

不同管片下的刀盘扭矩与掘进速度如图12所示。开挖过程中对渣土注入泡沫原液进行改良,泡沫原液质量浓度控制范围为3%～5%,气量约为400 L/min,发泡率为10～12倍,每环注入原液量约为50～60 kg。

图12 不同管片下的刀盘扭矩与掘进速度

盾构在上穿3号线隧道施工过程中,刀盘扭矩控制在2 540.0～3 270.0 kNm,平均扭矩为2 897.4 kNm。刀盘离开3号线西侧隧道后,于1068环进入接收端头加固区,于1069环开始进行土仓压力逐渐释放,降低刀盘扭矩。盾构在施工过程中的掘进速度控制在20～35 mm/min。

3.2.3 同步注浆压力

不同管片下的同步注浆压力如图13所示。盾构在上穿3号线隧道施工过程中,同步注浆压力控制在200～300 kPa,考虑到与3号线区间隧道距离较近,较大的同步注浆压力容易对既有隧道产生扰动。上穿施工过程中,考虑到两条线路的相对位置关系,将下部注浆压力控制在250 kPa以内,避免下部注浆管路压力过大造成不良扰动。为确保接收洞门良好的封闭效果,自1075环开始将注浆压力控制在300 kPa左右。

图13 不同管片下的同步注浆压力

3.3 自动化监测

根据自动化监测范围、地铁区间形状和规范及设计要求,既有3号线左右线各布设18个断面,每5 m布置一个断面,监测断面布设示意图如图14所示。左右线每个断面各布设5个三维变形监测点,分别位于隧道道床处(监测点1和2)、隧道拱腰处(监测点3和4)和隧道拱顶处(监测点5)。自动化监测系统每小时对目标控制点进行1次监测,每日统计竖向与水平累计变形值。

注:ZX01—ZX18、YX01—YX18为监测断面编号;1—5为三维变形监测点。

3.4 监测数据分析

为验证施工控制措施的有效性,对新建隧道贯通时既有隧道各监测断面处的竖向位移监测数据进行分析。上穿施工完成时,既有隧道每个监测断面拱顶及隧道底部监测点的竖向位移如图15所示。由图15可知:隧道道床监测点1、监测点2处的最大隆起变形为1.0 mm,隧道拱顶监测点5的最大隆起变形为1.3 mm;各监测断面的各监测点竖向位移以隆起变形为主。不同断面处,既有隧道拱腰处监测点3的水平位移如图16所示。由图16可知,监测点3的水平位移为-0.7～1.4 mm,大部分监测断面产生的水平位移方向与盾构掘进方向一致。综上所述,既有隧道的竖向位移和水平位移均处于控制标准以内。

a) 道床监测点1及监测点2的竖向位移

注:水平位移正值表示位移方向与盾构掘进方向一致,水平位移负值表示位移方向与盾构掘进方向相反。

4 结语

基于FLAC3D软件建立三维数值模型,对新建线盾构上穿既有线的施工参数进行控制,结合环形支撑加固措施和自动化监测方案保证了既有地铁结构处于安全可控的状态,主要获得以下结论:

1) 3号线上穿交叉部位的竖向位移最大值为2.7 mm。在盾构掘进过程中,相较于其他部位,上穿交叉部位左右两侧2D范围内的竖向位移变化较大。

2) 环形加固结构不改变既有隧道的竖向位移分布规律,且可将管片的最大竖向变形降至1.1 mm,控制效果良好。

3) 在盾构上穿既有隧道施工前,对既有隧道上穿部位采取环形支撑加固措施。上穿施工过程中,对盾构的土仓压力、总推力、刀盘扭矩、掘进速度、及同步注浆压力等一系列施工参数进行动态化调整,并对整个施工过程采取自动化监测。

4) 监测数据表明,加固后,既有线拱顶处的最大竖向位移仅为1.3 mm,拱腰处的最大水平位移仅为1.4 mm,且各监测断面的位移值均较小。监测结果表明,所采取的施工控制措施可以有效减小上穿施工对既有线造成的施工扰动,保证了施工的安全性。