粉土地层盾构隧道近距上跨已建隧道技术研究

胡清茂

（徐州地铁集团有限公司，江苏 徐州 221000）

0 概述

轨道交通网络的完善会使新建线路与既有线路出现空间交叠，随着工程数量与建设强度的提升，这类交叠工程的穿越类型越来越多，保护要求越来越严格，施工难度越来越大。在很多的轨道交通穿越工程中，新建隧道多以下穿或上跨形式穿越既有隧道，对隧道的影响主要体现在纵向变形。其中，上跨工况中新建隧道单位长度管片的质量远小于挖除土体质量，使下部既有隧道在应力释放作用下产生隆起变形，同时，新旧隧道间净距越近，卸荷作用越明显。

1 国内外研究现状

国内外学者对上跨工程进行广泛研究，采用数值模拟、实测分析、理论分析、模型试验等手段取得了一系列的研究成果。刘树佳以上海地铁10号线上穿4号线工程为例，采用有限元模型研究了净距、土仓压力、注浆量对上跨隧道的影响，并总结出这三个因素对隧道变形的影响系数；陈亮根据上海地铁8号线上穿2号线隧道施工期的沉降监测数据，认为隧道纵向变形主要表现为隆起，可分为四个阶段，且主要变形发生在穿越之后；梁荣柱通过mindlin解估算新建隧道的开挖引起的竖向附加荷载，基于此建立隧道纵向变形的平衡微分方程并运用有限差分原理求解，得到了与实测数据吻合的理论计算结果；张晓清通过相似模型试验研究了多线交叠隧道施工引起的地表沉降及隧道变形，认为上跨施工对隧道结构影响小于下穿施工。

目前，隧道上跨问题已经得到广泛研究，但对小净距上跨的工况，相关研究滞后于工程实践。因此，该文以徐州市轨道交通3号线上跨1号线为背景，采用Midas GTX NX建立三维有限元数值模型，分别计算交叉穿越节点在直接穿越及洞内注浆工况下3号线盾构隧道施工对1号线隧道的内力变形影响，以此分析组合洞内注浆技术的加固效果，总结该安全防护措施的作用机理。

2 工程概况

2.1 线路几何关系

徐州市轨道交通3号线一期工程徐州火车站站近距离上跨地铁1号线盾构隧道，两线平面关系如图1所示。两线衬砌均采用内径5500mm，厚度350mm的6块管片错缝拼装而成，每环宽1.2m。两线隧道在交叠处的纵断面如图2所示，隧道结构间的竖向净距为1.42m~1.66m。

图1 地铁1号线及3号线平面关系示意图

图2 地铁1号线及3号线纵断面示意图

2.2 工程地质条件

工程所在地属冲积平原地貌类型中的冲积垅状高地，场地中广泛分布砂质粉土、粉质黏土、黏土。其中，地铁1号线隧道主要穿越黏土层，3号线隧道主要穿越粉质黏土、砂质粉土，两线之间所夹地层为砂质粉土和黏土。场地内地下水水位埋深约为2m，地下水类型主要为填土中的上层滞水、砂质粉土中的潜水、粉砂层中的承压水及基岩裂隙水。

2.3 地层加固措施

两线隧道最小净距仅1.42m，施工风险大。施工场地地处市区，地面交通疏解实施难度大且隧道交叠处上方存在多条地下管线，不具备迁改条件，因此涉及地面加固的手段难以开展，工程拟采用组合式洞内PVC袖阀管注浆进行加固，洞内袖阀管加固运用管片处的吊装孔布置注浆孔。在3号线施工之前，对1号线盾构隧道拱顶上方135°，结构边线外3m土体范围进行洞内注浆。在3号线隧道施工时，进行全环洞内补强注浆加固，盾构隧道上下左右加固3m，对两线夹土体竖向加固最小为1.2m。

3 模型建立

3.1 几何模型

采用Midas GTS NX软件建立三维有限元模型。模型尺寸为××= 75m×60m×34m。

3.2 材料参数

模型中的土体及结构均采用实体单元进行模拟，土体及注浆土体的破坏屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，混凝土结构采用线弹性本构关系。

3.3 研究方法

为分析加固效果，数值模拟分为两个计算工况，工况一不进行加固直接穿越，工况二进行加固后穿越。

4 计算结果及分析

4.1 工况一计算结果

两线贯通后，以1号线拱顶竖向变形为例，计算结果如图3所示。结果显示，位于上方的3号线盾构隧道拱顶最大沉降值为11.9mm，出现在两交叠节点之间的区间段；隧道拱底最大隆起值为9.5mm，出现在交叠节点处；隧道水平位移最大值为2.4mm。位于下方的1号线盾构隧道结构最大隆起值为6.9mm，出现在交叠节点处；1号线隧道结构最大水平位移值为1.5mm，出现在交叠节点之间的区间段。地表最大沉降为10.3mm。

图3 工况一1号线隧道拱顶竖向位移云图

4.2 工况二计算结果

经加固施工的两线贯通后，1号线变形计算结果如图4所示。结果显示，3号线盾构隧道拱顶及拱底变形较为均匀，最大沉降4.2mm、最大隆起5.3mm；隧道水平位移最大值为2.0mm，出现在加固段外。位于下方的1号线盾构隧道结构最大隆起值为2.2mm，出现在交叠节点处；1号线隧道结构最大水平位移值为0.4mm，出现在交叠节点处。地表最大沉降为3.9mm。

图4 工况二1号线隧道拱顶竖向位移云图

综合两个工况，隧道变形情况变化趋势如图5所示。

图5 未加固及加固工况计算结果对比图

4.3 结构竖向变形

数值模型计算的隆起变形在纵向上如图6所示，最大变形发生在交叠节点处，在整体上呈现两侧小，节点大，交叉段小的“M”型分布。通常来说，盾构隧道产生的这种不均匀沉降变形会显著影响结构的性能，1号线因3号线施工而产生的3个不均匀沉降槽分别分布在以两个交叉节点和交叉段反弯点为中心的区段，由此可使用高斯函数进行回归分析并拟合沉降曲线，计算出3个沉降U型槽中最小曲率半径均远大于15000m的规范要求，满足螺栓不进入塑性状态的理论模型计算结果。可以认为两种洞内加固组合的安全防护措施同时减小了隧道变形的绝对值与差异值，使隧道处于良好的服役状态。

图6 地铁1号线盾构隧道纵向变形曲线

5 结论

该文对徐州市轨道交通3号线上跨1号线工程进行了数值模拟与分析，研究了粉土地区盾构隧道近距离施工产生的影响效果，对比分析了组合式袖阀管注浆对隧道的安全防护效果，总结了相关工程的重点防护目标，得到主要结论如下：1）通过组合式洞内注浆加固能有效控制既有隧道及新建上跨隧道的结构变形。注浆加固对减少既有隧道的竖向及水平向位移均有明显作用，能有效控制隧道的绝对变形及不均匀沉降曲率。2）四线交叠时地表沉降发生的主要区域为新建上跨隧道之间的地表区域，同时在未加固土体的投影面上沉降量值最大。因此在施工及运营期间应重视此区域的相关市政管线及地面道路的变形情况。3）交叠隧道因受到不同荷载作用而产生不同的断面变形，上方隧道呈竖向收缩，水平拉伸的横鸭蛋型，下方隧道呈竖向拉伸，水平收缩的竖鸭蛋型，由此应注重不同变形模式下重点部位的构件受力安全，保证隧道的服役状态。