新建盾构隧道下穿施工对既有矿山法隧道的影响

刘欢，韩娟

(1．中铁第四勘察设计院集团有限公司城市轨道与地下工程设计研究院地下工程所，湖北 武汉 430063;2．郑州科技学院，河南 郑州 450064)

目前，轨道交通已成为各大城市发展公共交通、解决交通拥堵问题的首选． 新建隧道下穿既有运营隧道的情况越来越多． 既有隧道在施工时已经对土体产生扰动，新建隧道在下穿施工过程中又将会对土体产生二次扰动，使土体的沉降和变形进一步加剧，若预防措施不利，将造成既有运营隧道衬砌破坏或变形过大，影响既有地铁运营的安全． 因此，为保证既有运营隧道的安全，新建隧道下穿施工对既有运营隧道的影响成为主要的研究课题．

国内关于盾构隧道施工对周围环境影响的研究取得显著成果． 李庭平等［1］采用数值模拟的方法，对上海市西藏南路新建越江隧道下穿既有隧道(M8线)施工引起的既有隧道及地表变形进行了分析;赵林［2］采用Midas －GTS 软件建立力学模型，模拟了深圳地铁7 号线新建盾构隧道下穿既有1 号线矿山法隧道的施工过程，分析了盾构施工对既有隧道的影响;张海彦等［3］以苏州某新建隧道垂直下穿既有地铁1 号线隧道为例，采用ANSYS 对盾构隧道的施工过程进行三维弹塑性数值模拟，分析不同间距时新建隧道垂直下穿对既有地铁隧道的影响．目前，从位移、沉降角度来分析新建隧道下穿施工对既有隧道影响的研究成果较多［4－6］，而对隧道衬砌内力的研究较少．本文以郑州地铁1 号线二期市体育中心站—龙子湖中心站区间盾构隧道下穿1 号线一期出、入段线矿山法隧道为例，应用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D 模拟盾构施工过程，分析新建隧道盾构施工对既有运营出、入段线矿山法隧道衬砌内力及土层位移的影响．

1 工程概况

郑州地铁1 号线一期出、入段线矿山法隧道为既有运营隧道，1 号线二期市体育中心站—龙子湖中心站区间盾构隧道为新建隧道．既有出、入段线矿山法隧道结构采用复合式衬砌，初期支护采用300 mm厚C25 网喷混凝土，二次衬砌模筑采用350 mm厚C30 防水钢筋混凝土．新建区间隧道右线采用盾构法施工，管片采用外径6．0 m，内径5．4 m，环宽1．5 m，厚300 mm 的钢筋混凝土平板型单层结构．下穿区段位于主干路交叉口下方，所属地貌单元为黄河冲积泛滥平原，按照地层岩性及工程特性，自上而下划分为:①杂填土、②黏质粉土、⑨粉质黏土、⑧－1 细砂、瑏瑦细砂、瑏瑧－2 细砂、瑏瑧中砂等． 既有矿山法隧道埋深为6．1 ～6．8 m，位于⑧－1 细砂、⑨粉质黏土、瑏瑦细砂地层中;新建盾构隧道埋深为17．9 ～18．2 m，位于瑏瑧－2 细砂地层中．新建盾构隧道与既有矿山法隧道入段线夹角约为27°，竖向净距为4．35 m，与出段线夹角约为32°，竖向净距为5．34 m，二者相互位置关系如图1 和图2 所示．

图1 新建隧道与既有隧道平面关系图(单位:m)

图2 新建隧道与既有隧道剖面关系图(单位:m)

2 控制标准的制定

依据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)，新建隧道下穿既有矿山法隧道允许沉降值取10 mm，允许水平位移取5 mm，主干道路基沉降控制值为30 mm． 为了有效控制既有矿山法隧道结构的变形和主干道路基的沉降，取二者允许变形和沉降的80%作为警戒值，取其40%作为预警值．制定的控制标准见表1．

表1 控制标准mm

3 施工影响预测

3．1 工程地质及材料力学参数

根据地质勘查报告，工程所处场地为黄河冲积泛滥平原，地形平坦，土层分布及各层土的物理力学参数见表2．

表2 模型材料的物理力学参数

3．2 计算模型与网格划分

计算模型采用直角坐标系，其中x 方向长度为129．9 m(0．0 ～129．9 m)，y 方向长度为67．0 m(0．0 ～67．0 m)，z 方向长度为35．0 m(－35．0 ～0．0 m)，模型宽度大于5d(d 为孔洞直径)．土质围岩采用8 节点6 面体单元(brick)． 模型中，取z 方向为重力方向，对模型左右、四周和下部边界设定节点速度为零进行位移边界约束，模型上部为自由边界，并对边界上结构单元进行相应的位移、弯矩约束．模型计算网格如图3 所示．模拟过程为:初始地压条件创建→人工边界设置和材料属性赋值→对所有土体单元赋予重力以实现初始地应力→位移场和速度场清零→模拟桥桩施工影响→位移场清零→盾构隧道掘进与管片施作→数据提取与结果分析．

图3 三维计算模型网格

3．3 结果分析

3．3．1 工况一:既有出、入段线矿山法隧道施工

由于矿山法隧道开挖引起地层扰动，导致隧道纵向所在区域正上方一定范围内的土体产生沉降，地表最大沉降量达到10．26 mm，矿山法隧道结构随之产生一定的变形． 计算所得既有矿山法隧道周边土体的位移云图如图4 所示．

图4 既有隧道通过后地表竖向位移图

3．3．2 工况二:新建盾构隧道掘进施工

新建盾构隧道开挖引起地层二次扰动，导致隧道纵向正上方土体沉降加剧，地表最大沉降量达到11．51 mm．周边土体的位移云图如图5 所示．

图5 新建隧道通过后地表竖向位移图

既有隧道衬砌结构位移如图6 所示．由图6 可知，既有矿山法隧道结构沿隧道纵向为拉伸变形，其峰值出现在新建隧道正上方的既有矿山法隧道仰拱衬砌上．既有隧道衬砌竖向位移与水平位移分别如图7 和图8 所示．从图7—8 中可以看出，新建盾构隧道通过后，既有出、入段线矿山法隧道结构的位移变化规律基本相同． 在新建盾构隧道通过既有矿山法隧道正下方时，既有矿山法隧道衬砌的竖向位移和水平位移达到峰值，分别为3．13、0．52 mm．

图6 既有隧道衬砌结构位移图

图7 既有矿山法隧道衬砌竖向位移

图8 既有矿山法隧道衬砌水平位移

既有隧道衬砌结构弯矩和轴力分别如图9 和图10 所示． 从图9—10 可以看出，新建盾构隧道掘进施工完成后，既有矿山法隧道衬砌弯矩和轴力云图变化不大，说明既有隧道衬砌内力受盾构掘进施工的影响较小．

图9 既有隧道衬砌结构弯矩图

图10 既有隧道衬砌结构轴力图

新建盾构隧道施工完成后，既有矿山法隧道衬砌变形与受力结果见表3．

表3 既有矿山法隧道变形与内力统计结果

由表3 可知，新建盾构隧道施工完成后，既有矿山法隧道衬砌的水平和竖向变形分别为0． 52、3．13 mm，满足控制标准的要求． 经结构验算，新建盾构隧道下穿施工产生的弯矩和轴力均满足结构裂缝宽度和结构强度要求．

4 结 语

1)新建盾构隧道的施工对既有矿山法隧道周边土体产生二次扰动，加剧了土体的进一步沉降，最大地表沉降量达到11．51 mm，但在主干道路基沉降的控制要求范围内．

2)新建盾构隧道的施工对既有矿山法隧道结构的变形和内力均产生一定的影响，竖向和水平变形分别为3．13、0．52 mm，内力变化不大，满足对既有隧道保护的控制要求．

3)对于该研究区，在砂层土质条件下，新建盾构隧道下穿既有矿山法隧道，在不采取加固措施的情况下，既有隧道和周边土体的变形在允许范围内，可保证既有隧道的正常运营．

［1］李庭平，周俊峰，刘平旺． 新建隧道下穿既有隧道的施工影响分析［J］． 低温建筑技术，2008，125(5):104－105．

［2］赵林．盾构隧道下穿既有地铁区间隧道变形影响分析［J］．石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013，26(增刊2):261 －264．

［3］张海彦，何平，秦东平，等．新建盾构隧道垂直下穿对既有隧道的影响［J］． 中国铁道科学，2013，34(2):66－69．

［4］Addenbrooke T I，Potts D M． Two tunnel interaction:Surface and subsurface efects［J］．The International Journal of Geomechanics，2001，1(2):249 －271．

［5］陈先国，高波． 地铁近距离平行隧道有限元数值模拟［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(9):1330 －1334．

［6］宿钟鸣，薛晓辉．小净距隧道洞口段施工方法优化分析［J］．华北水利水电学院学报，2013，34(6):23 －26．