双线盾构隧道下穿对既有暗挖大断面隧道影响的数值分析

胡秋斌

(天津大学 建筑工程学院,天津 300072)

随着城市轨道交通的快速发展,地铁线路网逐渐密集,新建地铁周边环境趋于多样化,新建地铁线路与原有地铁线路交叉不可避免。新建地铁隧道施工引起周边土层的扰动对既有地铁结构产生影响,这一问题在下穿施工中更为明显。穿越工程较常规工程复杂度高、风险大、控制标准更为严格[1],下穿施工既要保证自身和既有结构的安全性,同时也要兼顾既有结构的功能性,因此对新建隧道穿越既有隧道的影响进行研究很有必要。

常规穿越工程中较多为隧道穿越既有盾构隧道、既有暗挖标准断面隧道、既有地铁车站结构等,既有结构均为新近建设钢筋混凝土结构,但对服役时间较久且内衬为素混凝土的隧道工程研究较少。本文依托北京地铁19号线盾构区间下穿既有地铁1号线区间工程开展研究,地铁1号线为国内首批建设的城市地铁线路,年代较久,且根据当时采用的设计标准,隧道初支采用钢骨架加喷射混凝土,内衬采用模筑素混凝土结构,大断面处隧道跨度达11.46 m,根据现场检测内衬结构多处出现裂缝,内衬混凝土结构带裂缝工作。穿越段1号线区间上方为复兴门内大街,复兴门内大街衔接长安街,为阅兵等重要仪式、活动通道。盾构区间下穿施工风险较大,对此穿越工程进行研究意义较大。

近年来,一些学者对新建隧道穿越既有建筑物的施工控制技术及其影响进行了研究,得出了一些宝贵的经验结论,但对于盾构隧道下穿既有暗挖大断面隧道的影响研究相对较少。刘士海等[2]分析了暗挖隧道斜交下穿施工各阶段既有盾构隧道的变形规律,提出了既有盾构隧道沉降理论公式,研究发现,增大拱脚受力面积的施工辅助措施对控制地层损失率有一定作用,穿越施工中既有盾构隧道变形以沉降为主,盾构隧道椭圆度变化与竖向净距有一定关系。FANG Q等[3]、刘欢等[4]研究了盾构隧道下穿对矿山法地铁车站和矿山法隧道的影响特征,结果表明:施工过程中盾构机的相关参数被控制在平均值之下可减小盾构开挖对周围地层的扰动;盾构下穿引起既有矿山法隧道沉降达11 mm,对既有隧道内力影响不大。李京承等[5]、孙伟良等[6]通过数值模拟研究了盾构隧道下穿既有盾构隧道的施工影响,阐明了既有隧道自身沉降、受力及地表沉降的规律,为工程实际提供了技术依据。甘晓露等[7]提出了双线隧道下穿作用下既有隧道纵向变形的简化计算方法,研究结果表明:增加双线隧道距离、减小土体损失、增加竖向净距均有利于既有隧道沉降和弯矩控制。阿卜杜拉等[8]开展了室内模型试验,模拟了盾构开挖对既有隧道内力的影响,试验结果表明,下穿过程中既有隧道纵向应力为上压下拉,弯矩最大值出现在既有隧道的中心断面处。一些学者对盾构施工及穿越过程中注浆加固措施进行了研究[9-11],结果表明,选取合理的盾构注浆参数及采取超前注浆加固措施可以有效控制盾构施工引起的地层变形。部分学者对隧道施工及服役过程中产生的变形进行了研究[12-13],分析了隧道变形产生的原因及相应修复措施,为实际工程提供指导。

本文依托北京地铁19号线盾构区间下穿既有地铁1号线区间工程,建立三维数值模型对盾构隧道下穿既有暗挖大断面隧道施工过程进行模拟,分析既有隧道的受力及变形特征和地层沉降的情况,并对比分析超前注浆加固、管棚加固、综合加固(同时采用注浆加固和管棚加固)3种防护措施对既有隧道的影响。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

北京地铁19号线牛街站—金融街站区间沿长椿街、闹市口大街向北敷设,在复兴门内大街路面下下穿地铁1号线复兴门站—西单站暗挖区间,复兴门内大街连接长安街,为重点工程。下穿段新建隧道采用盾构法施工,盾构管片外径6.40 m,内径5.80 m。1号线复兴门站—西单站区间建成于1987年,区间分为南线和北线,覆土厚度为南线11.60 m、北线12.40 m。南线为折返线暗挖区间(大断面隧道),断面尺寸为11.46 m×8.37 m,初支采用350 mm厚网格钢支撑和200号喷射混凝土(折合C18混凝土),内衬采用200号防水素混凝土,厚度400 mm。北线区间为标准暗挖区间(小断面隧道),断面尺寸为6.66 m×6.10 m,初支采用300 mm厚网格钢支撑和200号喷射混凝土,内衬采用350 mm厚200号防水素混凝土。既有隧道内衬均为素混凝土结构,穿越工程风险大。新建19号线区间与既有1号线区间关系如图1所示。

图1 19号线盾构区间穿越1号线暗挖区间位置关系

19号线牛街站—金融街站区间先下穿1号线区间南线大断面隧道,后下穿北线标准断面隧道,盾构区间与1号线区间南线大断面隧道竖向净距2.055 m,与1号线区间北线标准断面隧道竖向净距3.096 m。新建19 号线区间与既有1号线区间剖面关系如图2所示。

图2 19号线盾构区间穿越1号线暗挖区间剖面图

1.2 工程地质及水文地质条件

区间穿越段土层主要以粉质黏土、粉细砂、卵石为主,盾构区间覆土约21.00 m,主要穿越土层为卵石⑤层、卵石⑦层。1号线暗挖隧道所处土层为粉细砂②5层、粉质黏土③层、卵石⑤层,隧道底部所处土层为卵石⑤层。根据勘察结果,盾构区间所处范围内有一地下潜水层,盾构隧道进入潜水层约4.50 m。结合已有工程实践,卵石层内注浆阻水效果差,综合考虑采用盾构法施工。

2 数值模型及参数

2.1 模型介绍

本文采用地层-结构模型,以地下结构和周围岩土介质为分析对象,从地层的初始应力出发,采用岩体力学方法计算围岩和支护对围岩应力和位移场的作用。地层-结构模型适用于几何形状、围岩初始应力状态和地质条件等较为复杂的地下工程,尤其是对于需要考虑围岩的各种非线性特征和施工过程对结构稳定性影响的情况,采用地层-结构模型较为有利。采用Midas GTS有限元软件建立三维地层-结构模型,对盾构区间近距离下穿既有暗挖隧道施工过程进行模拟,以满足需要考虑的围岩非线性特性、盾构施工过程空间效应所形成的三维状态。

既有暗挖隧道初支、内衬采用三维实体单元模拟,盾构管片采用二维板单元模拟,土体、注浆加固土体和管棚加固区采用三维实体单元模拟。模拟假定土层呈水平层状分布、既有隧道初支与内衬结构变形协调、工作面不产生掘进方向的位移,采用“等代法”模拟盾构施工导致的地层损失。基于圣维南原理,充分考虑边界效应的影响,计算模型上边界为地表,竖向共取47.50 m,沿既有暗挖隧道方向取69.20 m,沿新建盾构隧道方向取71.40 m。由此建立的计算模型网格如图3所示。地表取为自由边界,其他5个面均约束其法向变形。

图3 计算模型及网格划分

2.2 材料参数

新建盾构区间与既有暗挖隧道的相对位置关系如图4所示。计算中采用不同的本构模型模拟不同的材料:混凝土材料及管棚加固采用线弹性模型;土体本构模型中的修正摩尔-库伦本构模型能较好地解决采用摩尔-库仑本构模型时地面隆起变形及卸载工况下土体隆起偏大的情况,能更为合理地反映地层变化趋势,且工程实践中采用修正摩尔-库伦本构模型进行数值计算的结构及土层变形与实测结果更加吻合[14-16],因此本文各层土体采用修正摩尔-库仑本构模型,其中各材料的物理和力学参数取值见表1。

图4 新建盾构区间与既有隧道相对位置关系图

表1 材料的物理力学参数

2.3 模拟步骤

为保证既有隧道结构的安全性及新建盾构隧道的顺利施工,拟采取在盾构隧道与既有暗挖隧道之间设管棚并对盾构隧道与既有暗挖隧道之间土体进行注浆加固的保护措施。为研究盾构隧道近距离下穿既有暗挖隧道的影响及注浆加固、管棚加固、综合加固(同时采用注浆和管棚加固)3种防护措施效果,本文针对加固情况建立4组模型进行模拟。根据盾构掘进施工全过程,对左、右线盾构隧道穿越过程按以下步骤进行模拟。

第1步:计算初始地应力,初始位移清零;

第2步:进行预加固措施施工;

第3步:盾构左线掘进至既有暗挖隧道下方;

第4步:盾构左线按每环掘进通过暗挖隧道下方;

第5步:盾构左线掘进完成;

第6步:盾构右线掘进至既有暗挖隧道下方;

第7步:盾构右线按每环掘进通过暗挖隧道下方;

第8步:盾构右线掘进完成。

盾构掘进分步开挖,以盾构管片宽度1.20 m为一个开挖步,荷载分步释放,然后逐步施做管片和注浆,硬化等代层[17]。既有隧道和盾构隧道上方考虑地面街道车辆荷载按20 kPa均布荷载施加在地表土层。

3 盾构下穿影响分析

3.1 既有暗挖隧道变形

无预加固措施工况下,左、右线盾构隧道先后掘进,既有暗挖大断面隧道底部沉降情况如图5所示。由图5可知:左线盾构掘进完成后,大断面隧道底部最大沉降发生在左线盾构正上方,沉降量为2.20 mm;右线盾构掘进完成后大断面隧道底部最大沉降发生在右线盾构正上方,沉降量为2.58 mm,同时左线盾构正上方大断面隧道底部的沉降量也相较于左线盾构贯穿后的稍有增大,为2.50 mm。可见既有隧道底部沉降同时受左、右线盾构掘进施工影响,既有隧道底部沉降曲线呈“双驼峰”形式,沉降最大位置分别为左、右线盾构正上方。

图5 既有大断面隧道底部沉降情况

该既有暗挖隧道分为南线的大断面隧道和北线的小断面隧道,小断面隧道为标准暗挖断面隧道,双线盾构掘进完成后大断面隧道和小断面隧道底部沉降情况如图6所示。

图6 既有隧道底部沉降情况

由图6可知:双线盾构贯穿后大、小断面隧道底部沉降曲线均为“双驼峰”形式,且大、小断面隧道底部产生的最大沉降量均约为2.60 mm;小断面隧道底部的沉降纵向变形趋势较大断面隧道的缓和,这是由于大断面隧道底板跨度大、弧度小,在既有隧道纵向单位宽度的刚度较小断面隧道底板的小,因此大断面隧道底板沉降曲线变化趋势更陡;隧道底板与列车轨道变形相协调,底板沉降差值更大,轨道纵向沉降差值也更大,更不利于行车安全。因此,在双线盾构下穿既有隧道时,大断面隧道产生的纵向变形对行车安全更为不利,应采取有效措施控制大断面隧道轨道面变形,减缓轨道纵向沉降差异,保证行车安全。

3.2 盾构隧道自身变形及地表沉降

左、右线盾构掘进完成后,隧道自身拱顶沉降曲线如图7所示。从图7可以看出,左、右线盾构拱顶沉降一致。盾构拱顶沉降量在其上方存在既有隧道处相较于其他位置处的小,这是由于盾构遂道上方既有隧道结构对盾构穿越造成的盾构遂道上部土体扰动起到隔离作用,盾构掘进通过既有隧道下方时主要造成盾构遂道与既有隧道之间土体的扰动,对既有隧道上方土层的扰动较小。所以,对盾构遂道与既有隧道之间的土层进行加固,在减小施工对既有隧道的影响方面更为明显。盾构遂道上方既有隧道结构对抑制盾构隧道自身变形是有利的,大断面隧道纵向整体刚度大,对土层扰动的隔离作用更明显,大断面隧道下方盾构拱顶沉降量最小。

图7 盾构隧道自身拱顶沉降

双线盾构掘进完成后地表各位置沉降曲线如图8所示。

图8 地表沉降曲线

由图8可知:地下存在既有隧道结构时,盾构贯穿形成的上方地面沉降槽的宽度并未改变,沉降槽均以双线盾构之间中线为对称轴呈抛物线展开;地下无既有隧道时,地表最大沉降量为3.20 mm,有既有隧道时,地表沉降量有所减小,大断面隧道上方地表沉降量最小为2.10 mm。这是由于既有隧道结构对盾构穿越造成的盾构遂道上部土体扰动起到隔离作用,使得盾构施工对土体的扰动主要发生在既有隧道结构下方的土层,而对既有隧道结构上方的土层扰动较小,盾构穿越引起的地面沉降因既有隧道结构的存在而减小。

4 不同加固措施对比分析

为研究不同预加固措施对双线盾构下穿既有暗挖隧道影响的改善效果,本文模拟了无加固措施、注浆加固措施、管棚加固措施、综合加固措施(同时采用注浆加固和管棚加固)4种工况下盾构下穿既有暗挖隧道的施工过程,对4种工况下盾构隧道自身和既有隧道的变形受力进行分析,其中加固措施均对盾构遂道与既有暗挖隧道之间的土层进行预加固。注浆采用深孔注浆,浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力控制在1.0～1.5 MPa,采用等代体修改土层参数的方法模拟注浆。管棚施工完成后应在管棚内充填水泥砂浆。

4.1 既有暗挖隧道变形

4种工况下双线盾构掘进完成后大、小断面隧道底部沉降曲线如图9所示。由图9可知,采取加固措施可减小既有隧道底部产生的沉降变形,加固措施对大、小断面隧道底部沉降变形的改善效果规律相同,综合加固方式对其的改善效果最为明显,管棚加固方式次之,且管棚加固方式的改善效果较注浆加固改善效果好。究其原因,注浆加固方式是改变土体的自身性质,可增大土体硬度,土层相较于无注浆情况下更加稳固;管棚加固措施是在盾构顶部与盾构上方土层之间施做一排隔离管幕结构,以隔离盾构掘进过程中对周围土层产生的扰动,管棚的隔离加固效果较注浆加固效果更为明显;综合加固措施工况下,大断面隧道底部最大沉降量由2.64 mm减小到1.70 mm,最大沉降量减小了35%,且隧道底部纵向沉降量差值从1.11 mm减小到1.00 mm。

图9 不同加固措施工况下既有隧道沉降

因此,在盾构隧道下穿既有暗挖隧道施工前,建议同时采用注浆加固和管棚加固的综合预加固措施来减弱盾构下穿对既有隧道的扰动。施工中常采用在地下开挖小导洞方式,然后在小导洞内对盾构与既有隧道之间土体进行注浆加固和管棚加固,此时还应考虑小导洞开挖对既有隧道的影响,合理选取开挖导洞尺寸。

4.2 盾构隧道自身变形及地表沉降

图10所示为各工况下左、右线盾构掘进完成后左线盾构拱顶的沉降情况。因左、右线盾构拱顶沉降大小一致,故只提取左线盾构拱顶沉降。

图10 不同加固措施工况下盾构自身拱顶沉降情况

由图10可知,各加固措施均可减小盾构隧道自身拱顶沉降量,且综合加固措施对盾构隧道自身拱顶沉降量减小幅度最大。在盾构掘进过程中既有隧道结构对其上方土层的扰动起到隔离作用,在盾构掘进过程中管棚对既有隧道与盾构隧道之间土层的扰动也能够起到隔离作用。因此,在双层隔离作用下盾构掘进对周围土层的扰动更小。

图11为各工况下双线盾构掘进完成后既有大断面隧道上方地表沉降曲线。从图11可以看出:加固措施均能减小加固区域附近地表沉降,其减小的沉降幅值由小到大的顺序为:注浆加固<管棚加固<综合加固。在综合加固工况下,大断面隧道上方地表沉降量最大为1.29 mm,既有隧道上方地面为城市主干道,满足地面行车安全要求。可见综合加固措施可有效改善盾构穿越对土层扰动的影响,降低地面凹陷风险。

图11 不同加固措施工况下地表沉降曲线

4.3 既有暗挖隧道受力

无加固措施工况下,双线盾构掘进完成后,大、小断面隧道水平方向应力如图12所示。由图12可知:大断面隧道内衬拱顶在下方有、无盾构穿越处均为拉应力,且拉应力超过混凝土抗拉强度,隧道内衬混凝土带裂缝工作;小断面隧道内衬拱顶应力较小,盾构下穿大断面隧道施工时风险更大。

图12 无加固措施工况下既有隧道水平应力

无加固措施工况下,双线盾构掘进完成后,大、小断面隧道内衬拱顶应变增量如图13所示。内衬结构材料采用线弹性本构模型模拟,根据材料弹性模量可得应力增量。由图13可知,盾构掘进完成后大断面隧道内衬拱顶最大拉应力增量为0.28 MPa,小断面隧道内衬拱顶最大拉应力增量为0.26 MPa,盾构下穿对大断面隧道受力变化的影响更大。从图13中还可以看出,大断面隧道内衬拱顶内表面最大拉应力均出现在双线盾构中间位置,在双线盾构正上方位置处,内衬拱顶内表面应力增量为负值,拱顶内表面拉应力减小,这是由隧道整个断面的变形协调引起的。

图13 无加固措施工况下既有隧道应变增量

无加固措施工况下,双线盾构掘进完成后,大断面隧道顶部和底部沉降曲线如图14所示。从图14可以看出:大断面隧道顶部沉降量最大位置发生在双线盾构中间位置,隧道顶部沉降量大于隧道底部的,隧道拱顶受拉趋势更大,拱顶内表面拉应力增大;在双线盾构正上方位置处,隧道顶部沉降量小于隧道底部的,造成拱顶趋于受压,拱顶内表面拉应力下降。

图14 无加固措施工况下既有大断面隧道顶部和底部的沉降曲线

双线盾构掘进完成后各加固措施工况下,大断面隧道内衬拱顶应变增量如图15所示,应力增量的变化规律与应变增量的相同。由图15可知,注浆加固工况下,隧道内衬拱顶最大拉应力的应力增量最大为0.32 MPa,管棚加固工况下为0.28 MPa,综合加固工况下为0.29 MPa。图16给出了各工况下大断面隧道顶部与底部沉降差值的变化情况。由图16可知,虽然各加固措施可以减小盾构穿越引起的既有大断面隧道底部沉降量,但在盾构穿越影响范围内,各加固措施工况下大断面隧道顶部与底部的沉降差值与无加固措施工况下的并无明显变化,隧道拱顶应力变化是由隧道断面变形协调导致应力重分布引起的,双线盾构中间位置处大断面隧道内力重分布后,其拱顶最大拉应力增量在有、无加固措施工况下无明显变化。有加固措施时,隧道内衬拱顶应力增量并未减小,可见加固措施对既有隧道受力改善效果并不明显。

图15 大断面隧道内衬拱顶应变增量

图16 不同加固措施工况下大断面隧道顶部与底部沉降差值

由于既有暗挖隧道内衬为素混凝土结构,内衬结构带裂缝工作,盾构下穿时增大了既有隧道内衬结构受力,建议在既有隧道上半断面内衬的内表面粘贴抗拉芳纶纤维布,防止内衬混凝土裂缝继续增大,保证既有隧道的安全性。根据既有隧道内衬拱顶的应力增量纵向开展范围可知,抗拉芳纶纤维布沿既有隧道纵向粘贴范围为从双线盾构之间中线至双线盾构外3倍盾构外径处较为合适。

4.4 实践结果

按照最终确定的综合加固措施,对盾构隧道与既有暗挖隧道之间的土层进行预加固。盾构穿越施工时,经过为期28 d的监测,暗挖大断面隧道轨道稳定沉降量为1.50 mm,暗挖小断面隧道轨道稳定沉降量为1.40 mm,有效验证了数值模拟的结果。在确定盾构洞内参数和注浆量、注浆压力方面起到了重要的指导作用。

5 结语

本文通过对双线盾构下穿既有暗挖隧道施工过程进行模拟,分析了双线盾构近距离下穿对既有暗挖隧道的影响,并对比分析了不同加固措施的改善效果,得出如下结论:

1)盾构下穿对既有暗挖隧道产生的影响主要为既有隧道沿纵向沉降,且大断面隧道的沉降曲线变化幅度相较于小断面隧道的更大,双线盾构下穿时暗挖大断面隧道产生的纵向变形对行车安全更为不利。

2)盾构下穿时,盾构隧道上方既有隧道结构对盾构隧道自身变形是有利的,其可以减小盾构穿越产生的地表沉降。

3)对盾构隧道与既有隧道之间土层进行预加固均能减小盾构下穿时既有隧道底部和上部地表的沉降量,其中综合加固措施的改善效果最为明显。

4)既有暗挖大断面隧道内衬素混凝土结构带裂缝工作,双线盾构下穿会使双线盾构之间的上方既有隧道内衬结构内力增大。加固措施对既有隧道受力的改善效果并不明显,建议在既有隧道上半断面内衬素混凝土结构的内表面粘贴抗拉芳纶纤维布,以防止内衬混凝土裂缝继续增大,保证既有隧道安全运行。