盾构近距离下穿地下通道的数值分析及加固措施

蒙 蛟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

盾构近距离下穿地下通道的数值分析及加固措施

蒙 蛟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

针对天津地铁4号线盾构隧道近距离下穿泰达R3地下通道，引起地下通道不满足设计要求的变形和内力问题，提出采用低成本的中立柱+满堂桩组合形式进行同步加固方案，并采用有限元软件，数值模拟了因盾构施工引起的地下通道变形和内力，为类似工程设计提供了思路。

盾构隧道，地下通道，中立柱，满堂桩

0 引言

新建地铁盾构区间隧道近距离穿越既有隧道、地下管线、地下通道等的现象越来越普遍，施工过程可能产生对既有结构的损害[1-3]。

本文对天津地铁4号线盾构隧道近距离下穿泰达R3地下通道进行了模拟计算，提出有效的低成本加固措施，保证地下通道的变形和内力满足设计要求，为相关工程提供了技术积累。

1 工程概况

天津地铁4号线工程北起北辰双街，南至民航学院。线路大致呈西北东南走向，正线规划全长41.16 km，全部为地下线。

4号线河北大街站—东北角站盾构区间隧道下穿泰达R3一、二期之间的地下通道，如图1，图2所示。泰达R3地下通道先期施工，预计盾构下穿将在地下通道投入使用2年后进行。双线盾构隧道中心间距约16 m，盾构内径5.5 m，盾构管片厚350 mm，盾构隧道顶部距离地面10.07 m～13.82 m，盾构隧道顶部距离地下通道底部最近距离为6.962 m，地下通道总长度54 m，净高5.25 m，横断面跨度14 m。

2 设计方案

原设计地下通道围护结构为拉森Ⅳ型钢板桩；顶板厚400 mm，底板厚500 mm，覆土厚约2 m，回填后地面为街道。

经计算，若不采取措施，后期盾构施工将造成地下通道的沉降，最大值为27.34 mm，地表最大竖向位移沉降值为32.63 mm。盾构隧道下穿地下通道产生的附加内力，跨中处弯矩最大值为769.5 kN·m，支座处弯矩最大值为1 321.1 kN·m，都发生在顶板部位。顶板将由于剧烈变形和强度不足而破坏，造成严重的经济财产损失，后果不堪设想[4，5]。

因此，需要在盾构隧道下穿地下通道施工之前采取有效的措施，减轻盾构下穿对地下通道的影响。常规下穿地下通道的做法是在盾构施工同时采用加强注浆、冻结法或土层置换，这些方案势必会增加投资和延长工期，并且影响地面交通。本工程由于地下通道尚未进行施工，为预留工程加固提供了有利条件，经过比选，提出成本最低、工期最短方案，如图3所示。

1)地下通道中部设置5根直径为800 mm的圆形混凝土柱，柱距分别为9 m，14 m，14 m，9 m；

2)地下通道在底板以下设置加固区，厚4 m，采用φ850@600满堂桩加固，总加固体积3 024 m3。

3 计算模型

模型计算采用MIDAS-GTS NX数值计算软件。为减小边界约束对计算结果的影响，使模拟结果更接近实际情况，建模范围取X方向(线路方向)70 m(约12D)，Y方向(垂直于线路方向)54 m(9D)，Z方向(竖直方向)47 m(约7D)，地应力场按自重应力场考虑；除了要考虑土体的自重，还必须考虑地下通道及加固区的自重。模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制垂直移动，上面为地表，取为自由面。为便于模拟，不考虑管片环向、纵向的连接，而整体作为一环管片考虑，计算时按修正惯用法对管片刚度进行折减，折减系数为0.8。模型中土体为弹塑性材料，采用M-C(摩尔—库仑)本构模型进行模拟。结构计算模型如图4，图5所示，土层和结构材料参数见表1。

表1 土层和结构材料参数

4 计算结果及分析

隧道下穿对地下通道产生的附加弯矩如图6，图7所示，从计算结果可以看到，地下通道在下穿过程中受垂直下穿隧道线路方向(地下通道走向)的弯矩控制。跨中处弯矩最大值为186.6 kN·m，支座处弯矩最大值为424.1 kN·m，都发生在顶板部位，受到加固区的保护作用，底板处附加内力值比较小。

隧道下穿对地下通道产生的变形如图8～图10所示。经模拟计算分析，盾构隧道下穿地下通道施工期间，地下通道的沉降最大值为8.75 mm，倾斜率为0.083‰，加固区沉降最大值为8.76 mm，地表最大竖向位移沉降值为15.26 mm，开挖产生的附加内力可控，沉降值和倾斜率均满足控制要求。

对设置混凝土柱和满堂桩基础两类加固措施单独分析，如表2所示。结果表明：只增设中立柱的方案并不能有效限制盾构引起的变形；只增设满堂桩的方案并不能满足地下通道的受力要求；而采用中立柱+满堂桩组合加固形式，能有效减少后期盾构隧道施工造成的结构变形和附加内力，完全满足结构对变形和强度的要求。

表2 加固效果比较

5 结语

1)只加设中立柱的方案并不能有效限制盾构引起的变形；只采用满堂桩的方案并不能满足地下通道的受力要求；而采用中立柱+满堂桩组合加固形式，能有效减少后期盾构隧道施工造成的结构变形和附加内力，完全满足结构对变形和强度的要求。2)考虑远期地铁盾构隧道可能会下穿而在正在进行的工程施工中预留适当的保护措施，能够有效节省后期工程费用，并减少后期盾构施工对地面交通带来的影响。3)盾构隧道近距离下穿地下结构，受力特征复杂，除了进行软件分析风险评估之外，在施工中应加强监测，以有效数据作为反馈，做到信息化施工。

[1] 霍军帅,王炳龙,周顺华.地铁盾构隧道下穿城际铁路地基加固方案安全性分析[J].中国铁道科学,2011,32(5):71-77.

[2] 马 伟.盾构下穿人行通道施工方案研究[D].北京：中国地质大学,2014.

[3] 常 岐.盾构下穿人行通道沉降影响分析[J].山西建筑,2013,39(4):204-205.

[4] GB 50157—2013,地铁设计规范[S].

[5] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

Numerical analysis and reinforcement measures of shield under passing underground passage

Meng Jiao

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

The shield tunnel of Tianjin metro line 4 closely passes under the Tai-Da R3 underground passage, which leads to the unsatisfied deformation or internal force of underground passage. The low-cost reinforcement measures are taken synchronously which combines the middle column and the raft piles, and the finite element software is adopted for the deformation and internal force of underground passage, which offers the experience for a similar engineering design.

shield tunnel, underground passage, middle column, raft pile

1009-6825(2017)01-0186-02

2016-10-27

蒙 蛟(1989- )，男，硕士，助理工程师

U457.3

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