重叠隧道施工对邻近运营中重叠隧道的影响分析

辛亚辉

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司,650200,昆明//工程师)

重叠隧道施工对邻近运营中重叠隧道的影响分析

辛亚辉

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司,650200,昆明//工程师)

四条隧道平行重叠近接施工的影响越来越明显,需对其进行分析。结合昆明地铁2号线上下重叠盾构隧道区间穿越既有1号线上下交错重叠隧道区段工程实例,根据平面和剖面位置关系,判定外部作业影响等级,提出变形控制标准及相应的工程措施。通过有限元ANSYS数值模拟分析,计算出重叠隧道盾构施工影响邻近运营重叠隧道的位移及内力大小分布,以判断重叠隧道盾构施工是否影响运营隧道的安全性。数值模拟结果表明,2号线重叠隧道盾构施工对1号线运营重叠隧道的影响是可控的。将数值模拟计算结果与监测数据进行对比,两者结果基本一致,表明所提工程措施是可行的,可保证运营隧道的安全,其对类似工程有借鉴作用。

重叠隧道; 盾构施工; 影响分析; 数值模拟

Author′s address China Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co.,Ltd.,650200,Kunming,China

随着城市轨道交通的发展和线网细化连接,轨道交通网络众多节点的工程建设中不可避免地会出现2条隧道上下重叠、4条隧道平行重叠以及交叉穿越等较为复杂的施工情况,当4个隧道的距离越来越小,平行重叠隧道近接施工的影响越来越明显,因此,需研究分析4条隧道平行重叠中后建重叠隧道施工对已运营重叠隧道的影响程度。施工中对既有运营隧道的影响和自身近接施工的相互影响问题,日本将其定义为近接施工影响问题[1],近接施工问题一直以来都是地下工程关注的热点。

昆明地铁2号线出现左右线上下完全重叠隧道,且该重叠隧道要穿越已运营的1号线上下交错重叠隧道区段,需评估2号线重叠隧道施工对已运营的1号线重叠隧道的影响,并把相互影响减小到最低限度。

1 工程概况

昆明地铁2号线昆明火车站站—环城南路站(以下简为“昆-环”)区间为左线上方、右线下方的地下重叠盾构区间,其左、右线分别长449.260 m和448.960 m,最大坡度为9.282‰,最小坡度为2.00‰,覆土厚度为8.04～17.72 m,主要穿越圆砾、粉土粉砂及黏土层。设计管片采用通用型管片,错缝拼装。管片设计参数为:C50混凝土,内径5.5 m,外径6.2 m,厚度0.35 m。

昆明地铁1号线环城南路站—昆明火车站站(以下简为“环-昆”)区间已于2014年4月30日试运营,其在北京路上局部变为上下行交错重叠隧道。重叠段长723.796 m。重叠段保护区范围内存在即将掘进的2号线昆-环区间重叠隧道。

2号线昆-环盾构区间里程右ⅡDK13+084.940～右ⅡDK13+534.200为上下重叠隧道,1号线环-昆运营隧道右ⅡDK13+065.900～右ⅡDK13+789.696为上下重叠隧道,2号线昆-环重叠盾构区间与1号线环-昆运营重叠隧道在北京路上平行相距6.3～10.8 m,平行长度为366 m,最近水平距离为6.3 m,如图1所示。其F-F剖面位置关系如图2所示。

图1 2号线昆-环盾构隧道与1号线环-昆运营隧道平面位置关系

图2 2号线昆-环盾构隧道与1号线环-昆运营隧道F-F剖面位置关系

2 外部作业影响等级和变形控制标准及相应工程措施

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[5],2号线昆-环区间在控制保护区(隧道周边50 m)内。1号线环-昆运营隧道采用盾构施工,盾构外径(D)为6.2 m。2号线昆-环区间与1号线环-昆区间相对净距大于1D(6.2 m),小于2D(12.4 m),接近程度为接近;2号线昆-环隧道基底埋深(h)为21.68 m,1号线环-昆区间在2号线昆-环隧道外侧0.7h(15.2 m)范围内,工程影响分区为强烈影响区(A),因此2号线昆-环盾构隧道施工对1号线环-昆运营隧道的影响等级为特级,应对其影响的城市轨道交通结构进行监测。

结合昆明地区类似工程经验,总结运营线路结构安全控制指标值如表1所示。1号线环-昆运营隧道从铺轨至2014年11月30日,左、右线道床最大累计沉降为0.58 mm和0.51 mm,现阶段道床及结构的变形均在规范允许的范围内,且有较大的富余量。

表1 运营线路结构安全控制指标值

2号线昆-环重叠隧道施工遵循先下后上的原则,为确保上方盾构机顺利通过重叠段及确保下方隧道安全稳定,在重叠隧道范围内采用增设注浆孔管片的方式。下方盾构机先行通过重叠段,并及时采用洞内注浆对重叠隧道夹层土体进行加固,经加固后的土体达到0.8 MPa,提高了土体的承载力和整体性,为上方盾构机提供支撑。上方盾构机通过时再次以洞内注浆的方式对重叠隧道夹层土体进行加固,控制重叠近接隧道长期运营引起的隧道变形和沉降。洞内加固注浆范围为下方隧道拱顶180°范围,上方隧道底部120°、径向3 m的扇形区域,如图3所示。

3 数值模拟计算结果

采用有限元ANSYS软件,分析土体的位移场和隧道管片内力分布情况,研究2号线昆-环重叠隧道盾构施工对地铁1号线环-昆运营重叠隧道的影响。本次模拟计算选取最不利F-F剖面(86.200 m×50.825 m),计算区域侧面边界水平位移被约束;底面沿竖直方向位移被约束;土体采用4节点PLANE42实体单元;盾构隧道管片采用BEAM3梁单元。有限元网格模型如图4所示。

图3 2号线昆-环重叠隧道注浆加固范围

图4 有限元网格模型

3.1 隧道管片位移计算结果

第三步2号线昆-环右线隧道开挖后,引起1号线环-昆左线运营隧道拱底竖向附加位移为0.998 mm,拱顶竖向附加位移为1.28 mm,左线轨道两端竖向附加位移为1.14 mm和0.96 mm,运营右线隧道拱底竖向附加位移为1.25 mm,拱顶竖向附加位移为1.4 mm,右线轨道两端竖向附加位移为1.47 mm和1.04 mm (见图5);引起1号线环-昆左线隧道的最大、最小水平附加位移为1.78 mm和1.43 mm,右线隧道的最大、最小水平附加位移为2.07 mm和1.09 mm (见图6);2号线昆-环右线隧道最大竖向位移为9.72 mm。

从位移结果可知,第三步2号线昆-环右线隧道开挖后,引起1号线环-昆左线隧道最大竖向附加位移收敛值为0.282 mm,右线隧道最大竖向附加位移收敛值为0.15 mm;左线隧道最大水平附加位移收敛值为0.35 mm,右线隧道最大水平附加位移收敛值为0.98 mm。因此,运营左线和右线隧道的最大总附加位移分别为2.12 mm和2.53 mm,小于城市轨道交通结构安全控制值10 mm;运营左线和右线轨道两端竖向附加位移高差分别为0.18 mm和0.43 mm,满足城市轨道交通结构安全轨道高差控制值4 mm。

图5 第三步2号线昆-环右线隧道开挖后引起管片的Y方向附加竖向位移

图6 第三步2号线昆-环右线隧道开挖后引起管片的X方向附加水平位移

第五步2号线昆-环左线隧道开挖后,引起1号线环-昆左线隧道拱底竖向附加位移为2.19 mm,拱顶竖向附加位移为2.96 mm,左线轨道两端竖向附加位移为2.96 mm和1.88 mm,右线隧道拱底竖向附加位移为3.32 mm,拱顶竖向附加位移为4.24 mm,右线轨道两端竖向附加位移为3.32 mm和4.24 mm (见图7);引起1号线环-昆左线隧道的最大、最小水平附加位移为2.28 mm和0.93 mm,右线隧道的最大、最小水平附加位移为2.07 mm和-0.83 mm (见图8);2号线昆-环右线、左线隧道最大竖向位移分别为6.94 mm和11.73 mm。

图7 第五步2号线昆-环左线隧道开挖后引起管片的Y方向附加竖向位移

图8 第五步2号线昆-环左线隧道开挖后引起管片的X方向附加水平位移

从位移结果可知,第五步2号线昆-环左线隧道开挖后引起1号线环-昆左线隧道最大竖向附加位移收敛值为0.77 mm,右线隧道最大竖向附加位移收敛值为0.92 mm;左线隧道最大水平附加位移收敛值为1.35 mm,右线隧道最大水平附加位移收敛值为2.9 mm。引起附加总位移云图如图9所示。因此,1号线环-昆左线、右线隧道的最大总附加位移分别为3.79 mm和4.51 mm,小于城市轨道交通结构安全控制值10 mm;运营左线、右线轨道两端竖向附加位移高差分别为1.08 mm和0.92 mm,满足城市轨道交通结构安全轨道高差控制值4 mm。

2号线昆-环隧道开挖引起运营1号线环-昆左右线隧道位移的时程曲线如图10、11所示。

图9 第五步2号线昆-环左线隧道开挖后引起的附加总位移

图10 2号线隧道开挖引起运营1号线左线隧道位移的时程曲线

图11 2号线隧道开挖引起运营1号线右线隧道位移的时程曲线

3.2 隧道管片内力计算结果

第二步1号线环-昆右线、左线隧道开挖后自身管片的最大轴力分别为1 290 kN和613.25 kN,最大剪力分别为133.4 kN和80.5 kN,最大弯矩分别为188.4 kN和105.95 kN。

第三步2号线昆-环右线隧道开挖后,引起运营1号线环-昆右线、左线盾构隧道管片的最大轴力分别为1 550 kN和627.8 kN,最大剪力分别为150.3 kN和96.67 kN,最大弯矩分别为200.2 kNm和86.65 kNm;自身最大轴力、剪力、弯矩分别为1 120 kN、132.8 kN和175.9 kNm (见图12)。

图12 第三步2号线昆-环右线隧道开挖后引起隧道管片的弯矩

第五步2号线昆-环左线隧道开挖后,引起1号线环-昆右线、左线盾构隧道管片的最大轴力分别为1 460 kN和616.2 kN,最大剪力分别为134.8 kN和95.3 kN,最大弯矩分别为193.86 kNm和88.4 kNm (见图13)。

从内力结果可知,第三步2号线昆-环右线隧道开挖和第五步左线隧道开挖后,引起运营1号线环-昆左右线盾构隧道管片的弯矩、剪力和轴力变化幅度不大,均在配筋要求范围内。

图13 第五步2号线昆-环左线隧道开挖后引起隧道管片的弯矩

3.3 模拟计算小结

综上计算结果,不同工况后隧道管片的位移及内力值见表2。

表2 F-F剖面2号线昆-环重叠盾构区间隧道施工的计算结果汇总表

由表2可知,计算分析结果均在规范允许的范围内,且有较大的富余量。因此,2号线昆-环重叠隧道盾构施工对既有1号线环-昆重叠隧道的影响是可控的,但在盾构施工过程中需对1号线隧道做好监测。

4 监测结果

2014年12月底,对运营1号线环-昆重叠隧道保护区进行了自动化测点布设及初始值采集。2015年7月上旬,2号线昆-环重叠隧道左右线盾构顺利贯通。1号线环-昆重叠隧道自动化监测最大数据值统计如表3所示。

由表3可知,隧道结构竖向位移最大累计变形值为3.6 mm,隧道结构水平位移最大累计变形值为2.4 mm。ANSYS数值模拟计算的隧道结构竖向最大位移为4.24 mm,隧道结构水平最大位移为2.28 mm,数值模拟计算结果与监测数据结果基本一致。

5 结论

(1) 数值模拟计算的运营隧道管片收敛值较小,最大值小于2 mm,运营隧道管片竖向和水平位移最大累计变形分别为3.6 mm和2.4 mm,小于变形控制值10 mm,结构安全;运营隧道轨道高差最大变化为1.08 mm,小于轨道高差控制值4 mm,从列车运营角度来看也是安全的。因此,2号线昆-环重叠隧道盾构施工对运营1号线环-昆重叠隧道的影响是可控的。

表3 1号线环-昆重叠隧道自动化监测最大数据值统计表(截至2015年10月8日)

(2) 数值模拟计算结果与监测数据结果基本一致,说明数值模拟计算是可行的。

(3) 重叠隧道施工遵循先下后上的原则,并及时采用洞内注浆对重叠隧道夹层土体进行加固等相关措施,可控制重叠隧道施工引起的周边运营重叠隧道的变形,保证运营隧道的安全。该施工方法对类似工程有借鉴作用。

[1] 铁路综合技术研究所.既有隧道近接施工指南[M].东京:土木工程学会出版社,1997.

[2] 李恒一.深圳地铁9号线盾构区间近接既有隧道施工力学行为研究[J].湖南城市学院学报(自然科学版),2015,24(1):30-33.

[3] 周明亮.上下重叠盾构隧道设计施工关键技术[J].现代隧道技术,2011,48(3):105-111.

[4] 仇文革,张志强.深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析[J].铁道标准设计,2000,20(6):41-42.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通结构安全保护技术规范:CJJ/T202—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014:4.

Impact of Overlapping Tunnel Construction on the Adjacent Operation Overlapped Tunnels

XIN Yahui

The influence of the construction of four parallel nearby tunnels is become more and more obvious,and a specific research is needed.In this paper,based on the real engineering example of Kunming metro Line 2,the influence level of external work is determined according to the position relationship between the plane and sections on Line 1,the deformation control standards and the corresponding engineering measures are put forward.Then,through the finite ANSYS numerical simulation analysis,the level of displacement and the distribution of internal force in overlapped tunnels are calculated,which are caused by the shield construction of the overlapped tunnels nearby.The result of numerical simulation shows that the influence during the construction of overlapped tunnels on Line 2 over Line 1 is controllable.The data from ANSYS analysis basically meets the monitoring data,and the safety of the overlapped tunnels in construction could be ensured.The research will serve as a reference to similar projects.

overlapped tunnel; shield construction; impact analysis; numerical simulation

U456.3

10.16037/j.1007-869x.2017.04.022

2016-05-11)