上跨下穿施工对城市轨道交通既有隧道的影响分析

刘建国 张波路 王加磊(苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州//第一作者,高级工程师)



上跨下穿施工对城市轨道交通既有隧道的影响分析

刘建国 张波路 王加磊
(苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州//第一作者,高级工程师)

摘 要结合苏州轨道交通1、2号线,采用有限元数值模拟方法,研究城市轨道交通新建线路、市政管线等其它工程穿越城市轨道交通既有线隧道时,新建隧道和市政管线在不同外径和竖向净距的情况下,城市轨道交通既有线路位移场及应力场的变化规律。根据既有线隧道最大拉应力同抗拉强度设计值的关系,得到上跨下穿施工竖向净距控制标准,为新建城市轨道交通线路的设计和施工以及城市轨道交通既有线路的安全防护提供参考。

关键词盾构法;上跨下穿;近接施工;有限元分析

Author′s address Suzhou Railway Transit Group Co., Ltd.,215004,Suzhou,China

在城市轨道交通线网规划、建设中,不可避免地会遇到新建线路、市政管线等其它工程穿越既有线路的问题,可能会对既有城市轨道交通线结构带来严重威胁。

盾构隧道穿越施工并不是新课题,不少学者已采用数值模拟及现场监测等方法开展了相关研究。本文从最小净距和最大隆沉量方面统计了上海、广州、深圳等地铁隧道上跨下穿施工项目的监测数据,见表1和表2(表中未注明城市的线路均为上海的轨道交通线)。

表1　上跨施工案例统计

表2　下穿施工案例统计

苏州轨道交通的建设相对较晚,相应的研究较少。文献[13]以苏州轨道交通2号线为背景,研究了盾构近邻平行隧道对地层变形的影响。文献[14]以苏州轨道交通1号线为背景,模拟了盾构隧道施工过程,得到了地表沉降槽曲线。文献[15]结合苏州轨道交通1号线临顿路站—仓街站区间盾构工程实例研究盾构隧道管片壁后注浆材料、注浆参数、二次补浆、各项掘进参数对地表隆起和沉降变形的影响。随着后续线路的建设不可避免地将要遇到新建线路、市政管网穿越城市轨道交通既有线路的难题。因此,结合苏州地区的地质特点开展近距离穿越城市轨道交通既有线路工程研究显得尤为迫切。

本文以苏州轨道交通1、2号线为工程背景,采用有限元方法,研究城市轨道交通新建线路、市政管线等其它工程穿越既有城市轨道交通线路时,既有城市轨道交通线路位移场及应力场的变化规律,为新建城市轨道交通线路的设计、施工和既有线路的安全保护提供参考。

1　穿越施工有限元模型

苏州轨道交通1号线位于苏州城区的东西轴向,线路全长约25.74 km,平均埋深约15 m。全线均为地下车站。2号线为南北向,线路全长26.6 km,高架线路约7 km,其余均为地下线。2号线盾构区间隧道结构采用装配式C50钢筋混凝土管片衬砌,盾构管片外径6.2 m、内径5.5 m、厚0.35 m、环宽1.2 m;每环管片由1块封顶块、2块邻接块和3块标准块组成,采用错缝式拼装。

根据苏州轨道交通的实际情况,建立新建隧道、市政管线上跨和下穿既有轨道交通线路的有限元计算模型,见图1和图2。既有隧道横断面位于XZ平面内,纵轴平行于坐标Y轴,位于第⑥层粉质黏土层。新建隧道穿越既有隧道,横断面位于YZ平面内,纵轴平行于坐标X轴。X和Y方向的长度均为100 m,Z方向的长度为60 m。模型四周约束水平向位移,底部约束竖向位移,顶面为自由面。既有隧道顶部埋深15 m,外径6.2 m,管片厚度0.35 m,采用C50预制钢筋混凝土管片。计算新建隧道(或市政管线)以不同外径、不同竖向净距穿越施工对既有隧道的影响。

计算模型土层依据苏州地区的某开发地块项目的地层,共11层,土体采用摩尔-库伦模型,计算模型见图1、图2所示。具体参数见表3。隧道管片采用线弹性模拟,弹性模量为35.5 GPa,泊松比为0. 16。土体和管片均采用8节点四面体实体单元模拟。考虑到市政交通隧道上跨往往不能满足上覆土的厚度要求,上跨的市政管线更容易满足此项要求,因此上跨计算选择外径D=1 m、3 m、5 m、6.2 m四种,下穿仅计算D=6.2 m。

文献研究表明,盾构隧道施工地层损失率一般在0.2%～2%[14-16],故计算中假定地层损失率为1%,不考虑地下水的影响。模拟步骤如下:

(1)既有隧道和土体地应力平衡,经过平衡将模型的位移控制在10-5m数量级;

(2)新建隧道(管线)开挖,控制地层损失率为1%,每个分析步开挖3.6 m长,即3个管片环宽度。

图1　新建隧道和市政管线上跨既有隧道计算模型

图2　新建隧道下穿既有隧道计算模型

表3　土层参数表

2　上跨施工对既有隧道结构的影响

2.1新建隧道或管线的外径对既有隧道的影响

图3是新建隧道(D=6.2 m)和市政管线(D= 1 m、3 m、5 m)在竖向净距1 m上跨既有隧道施工时,既有隧道竖向位移分布曲线。图3中横坐标为既有隧道纵向长度,横坐标50 m处为新建隧道或管线跨越既有隧道处。

新建隧道和市政管线跨穿施工时,既有隧道沿纵向隆起形成“反沉降槽”;既有隧道被跨处隆起量最大,向两端隆起量逐渐减小。随着新建工程外径的增大,既有隧道最大隆起量不断增大,但均在10 mm以内;外径6.2m时既有隧道最大隆起量为8.8 mm,是外径1 m时既有隧道最大隆起量(0.5 mm)的17.6倍。既有隧道的隆起量随着新建隧道、市政管线的直径增加而明显增大。

图3　不同外径隧道或管线在净距1 m处上跨施工时既有隧道竖向位移分布曲线

图4为新建隧道和不同外径的市政管线在竖向净距1 m处上跨既有隧道时既有隧道的最大拉应力分布云图。

图4　不同外径隧道或管线净距1 m处上跨施工时既有隧道最大拉应力云图

由图4可见,既有隧道与新建隧道(管线)空间交叉处,既有隧道顶部拉应力明显集中。既有隧道最大拉应力值随着新建隧道或管线外径的减小而减小,并且应力集中的范围也随着外径的减小而减小。

2.2竖向净距对既有隧道的影响

图5是新建隧道(D=6.2 m)和市政管线(D= 1 m、3 m、5 m)以不同竖向净距上跨施工时,既有隧道竖向位移的变化曲线。

由图5可见,新建隧道和不同外径的市政管线上跨施工时,随着竖向净距的增加,既有隧道竖向位移均呈减小的趋势,但减小速率较慢,尤其是新建市政管线外径较小时,减小速率更加缓慢(如图中D =3 m的曲线)。净距对既有隧道隆起的影响较外径的影响小。

新建隧道和市政管线施工,改变了既有隧道受力状态,在承载能力极限状态下隧道设计时往往要求结构受力不超过混凝土强度设计值,由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度,因此,可根据最大拉应力与抗拉强度设计值的关系来判定不同工况下既有隧道是否处在安全状态。图6是新建隧道和市政管线以不同竖向净距上跨施工时,既有隧道最大主应力变化曲线。既有隧道管片混凝土强度为C50,抗拉强度设计值为2.07 MPa,施工中既有隧道最大拉应力不宜超过混凝土抗拉强度设计值。以下据此分析安全的穿越净距。

图5　上跨施工既有隧道竖向位移随竖向净距的变化

图6　上跨施工时既有隧道最大拉应力随竖向净距的变化

由图6可见,上跨施工时既有隧道最大拉应力随着竖向净距的增大而减小。外径6.2 m的隧道上跨施工时,应力变化曲线与抗拉强度设计值交点对应的竖向净距约为4.2 m。根据模拟分析结果,建议外径6.2 m或直径更大的隧道上跨施工时,净距应≥4.2 m,此时新建隧道上最大覆土厚度为4.6 m,不满足《地铁设计规范》中对隧道覆土厚度不宜小于隧道外轮廓直径的规定。在既有隧道埋深15 m,地层损失率1%的假定下,外径6.2 m或直径更大的隧道不宜上跨施工。同理,外径为5 m的管线上跨施工时应保证竖向净距≥2.6 m;外径≤3 m的管线在竖向净距≥1 m情况下可以上跨施工。

3　下穿施工对既有隧道结构的影响

由于市政管线下穿城市轨道交通既有隧道的情况极少,仅就新建隧道下穿城市轨道交通既有隧道进行分析。图7是新建隧道(D=6.2 m)以不同净距下穿施工时,既有隧道的竖向位移分布曲线。

图7　下穿施工时既有隧道竖向位移分布曲线

由图7可知:新建隧道下穿施工时,既有隧道沿纵向沉降且形成“沉降槽”;既有隧道在被下穿处的沉降量最大,到两端沉降量不断减小。随新建隧道与既有隧道竖向净距的增加,既有隧道沉降量减小。经模拟分析,既有隧道沉降量均在10 mm以内。

图8是新建隧道下穿施工时既有隧道的最大拉应力分布云图。由图8可见:在既有隧道与新建隧道空间交叉处,既有隧道顶部拉应力集中,最大拉应力随竖向净距的增加而减小,但应力集中的范围稍有增大。

图8　下穿施工既有隧道最大拉应力云图

图9是下穿施工时既有隧道最大拉应力随竖向净距的变化曲线。由图9可知,新建隧道下穿施工的4种工况中,净距为1 m和2.5 m的工况下既有隧道最大拉应力超过了混凝土抗拉强度设计值;当净距＞3 m时,既有隧道最大拉应力均小于抗拉强度设计值。因此,在本文假定的既有隧道埋深15 m,地层损失率为1%的情况下,应限制新建隧道在净距3 m以内的下穿施工,净距3 m以上的下穿工程,应注意采取措施,严格控制地层损失率,以保证既有隧道的结构安全。

图9　下穿施工既有隧道最大拉应力随竖向净距的变化

4　数值计算与工程实测对比

图10是隧道(D=6.2 m)上跨施工的数值计算结果与表1中实测数据的对比。数值计算上跨施工的案例,既有隧道发生隆起,与实测规律一致;数值计算隆起量值均在10 mm以内,实测隧道隆起量一般在5 mm以内,两者数量级一致。这说明数值计算结果可靠,而实际施工中对地层损失率的控制更加严格。

图10　上跨施工的数值计算与实测结果对比

图11是隧道(D=6.2 m)下穿施工数值计算与表2中实测数据的对比。由实测值可见,下穿施工时既有隧道竖向位移最大值并不统一,有沉降也有隆起,但均控制在±10 mm内。数值模拟结果既有隧道均为沉降,原因是实际下穿施工中,注浆施工将会引起既有隧道产生隆起变形,停止注浆后隧道又会发生沉降;当运营隧道沉降变形达到控制值后,需要再进行注浆控制,重复“沉降-注浆-隆起”这一工序,而数值模拟中没有考虑这一工序。数值模拟结果沉降控制在10 mm以内,与实测值接近,说明数值计算结果可靠。

图11　下穿施工数值计算与实测对比

5　结论

本文结合苏州地区的地质和城市轨道交通的特点,采用数值模拟方法研究上跨、下穿工程施工对既有地铁隧道结构稳定性的影响,可得出以下结论:

(1)新建隧道和市政管线上跨施工时,既有地铁隧道竖向产生隆起,且沿纵向形成“反沉降槽”。随新建隧道(市政管线)外径增大,既有地铁隧道的隆起量不断增大。与新建隧道交叉处,既有地铁隧道顶部拉应力集中,最大拉应力和应力集中范围随外径的减小而减小。随着竖向净距的增加,既有隧道竖向位移均呈减小的趋势。

(2)新建隧道下穿施工时,既有地铁隧道竖向产生沉降,且沿纵向形成“沉降槽”。随竖向净距的增加,既有地铁隧道的沉降量减小。与新建隧道空间交叉处,既有地铁隧道顶部拉应力集中,最大拉应力和应力集中范围随竖向净距的增加而减小。

(3)在既有隧道区间埋深为15 m、地层损失率为1%的假定下:外径6.2 m的新建隧道不宜上跨该区间施工;外径为5 m的管线上跨施工应保证竖向净距≥2.6 m,外径≤3 m的管线在竖向净距≥1 m情况下可以上跨施工。外径6.2 m的隧道下穿该区间时,竖向净距应大于3 m。

(4)数值计算和实测对比表明,数值结算结果可靠,新建隧道上跨下穿施工时既有隧道隆起(沉降)量一般可控制在±10 mm。

(5)上跨下穿既有隧道施工,由于地层损失引起既有隧道周边位移场、应力场的重分布,从而对结构产生较大的安全影响。在工程施工中,应结合工程实际情况具体分析,并采取必要的保护措施,精心施工、加强管理尤其重要。

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Influence of Shield Tunnels Crossing over or below the Adjacent Rail Transit Tunnels

Liu Jianguo,Zhang Bolu,Wang Jialei

AbstractAccording to the practical operation of Suzhou Metro Line 1 and Line 2,afinite element numerical simulation is used to study the changing law of the displacement field and stress field of the existing metro lines,when a new metro line is built above and under the existing lines or the municipal pipelines constructed with different outer diameters and vertical distance.According to the relationship between the maximum tensile stress and the design value of tensile strength,control standards of crossing over or below the adjacent tunnels are obtained.This research can provide a reference for the design and construction of new metro lines,and provide security protection circuit for the existing lines.

Key wordsshield method;crossing over or below;adjacent construction;finite element analysis

(收稿日期:2014-04-01)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.019

中图分类号TU 433;U 456.3+1