盾构隧道下穿既有电力隧道影响分析和控制措施

包书海,陈泽盟

(1.中国交建轨道交通分公司,北京 102200;2.中交二公局第四工程有限公司,河南 洛阳 471013)

随着轨道交通的快速发展,盾构隧道下穿各种既有构筑物的工程实例不断增多,例如盾构隧道下穿既有建筑、城市道路、既有隧道等[1-4]。盾构隧道近距离下穿既有构筑物,在下穿施工过程中极易对既有构筑物造成破坏,特别是下穿既有城市电力隧道,一旦造成破坏会严重影响城市电力系统。因此,研究盾构隧道近距离下穿城市既有电力隧道的影响尤为重要。

现阶段,国内学者对于盾构隧道下穿既有隧道以及控制措施的研究较为广泛。刘德军等[5]以某双线公路隧道下穿饮水隧洞为工程背景,运用数值模拟方法对不同条件下隧道爆破施工对饮水隧洞的沉降变形规律进行了分析,并提出了具体的控制方案。张建华等[6]以某城市地铁盾构下穿既有电力隧道为例,分析了盾构隧道下穿施工对既有电力隧道周围土体沉降的影响,提出了合理的工程措施。冯国辉等[7]利用Peck公式与弹性地基梁理论,分析了在考虑轴向内力的条件下盾构隧道下穿引起既有隧道变形的规律。高玉娟等[8]基于正交试验,运用有限元模拟方法,研究了盾构隧道下穿电力隧道施工过程中的变形控制措施,从不同角度分析了注浆加固措施对地层沉降的控制效果。赵东平等[9]以隧道下穿现有燃气管线工程为背景,对燃气管线的沉降曲线进行了模拟,并提出了燃气管线沉降值的计算方法。白鹏程[10]以某超浅埋暗挖隧道下穿既有隧道工程为例,优化了CRD法施工技术方案,并采取超前大管棚、超前小导管注浆等措施对既有隧道的沉降进行控制。管凌霄等[11]利用两阶段法推导了盾构隧道下穿施工引起的既有隧道竖向位移的理论解。

其他学者们也采用不同的方法和角度,对盾构隧道下穿施工引起的既有隧道位移变形进行了分析[12-15]。本文在以往研究的基础上,依托重庆市轨道交通15号线二期在建工程,采用Peck曲线方程与有限元模拟相结合的方法,对盾构隧道下穿施工引起既有电力隧道的影响进行分析,并提出控制措施。

1 工程概况

重庆市轨道交通15号线二期工程涵盖7站6区间+1联络线+1出入线+1车辆基地。由曾家站起,终站至物流园北站,线路全长约15.2 km。该项目位于川东南地区,施工区间穿越北碚向斜、观音峡背斜、磁器口向斜等多种地质构造区,围岩以节理、层面构造为主,大部分呈密闭型,少部分呈微张型,内部充填物稀少。

大学城南站至陈家桥站施工区间垂直下穿2.4 m×2.3 m的110 kV电力隧道,电力隧道距离施工区间管顶最小净距约5.7 m,穿越处区间拱顶埋深约11.74 m,覆岩厚度约2.79 m(见图1)。洞顶多为填土层和基岩强风化层,围岩等级为Ⅴ级,隧道成洞条件较差,施工时隧道顶板易受扰动发生塌落。

图1 拟建隧道与电力隧道位置关系

2 理论计算分析

采用Peck公式,对受开挖扰动引起的区间地表土体沉降和电力隧道周围土体沉降进行计算,计算公式为

(1)

式中:S(x)为盾构隧道施工所造成的地表沉降量;i为沉降槽宽度系数;Smax为最大地表沉降量。

Smax的计算公式为

(2)

式中:V1为盾构隧道施工造成的土体损失量;η为区间内盾构隧道施工造成的土体损失率;d为盾构隧道设计外半径。

3 三维模型建立

3.1 参数选取

依据项目前期地勘报告,结合相关规范确定围岩参数以及隧道其他结构材料参数,如表1所示。

表1 围岩及结构材料参数

3.2 有限元模型建立

采用有限元模拟软件Midas GTS Nx,建立注浆加固前后盾构隧道下穿既有电力隧道的施工模型,并分析两种工况下盾构隧道掘进过程中对既有电力隧道的影响程度。建立的模型宽度为120 m、高度为60 m,既有电力隧道与盾构隧道净距离为5 m,纵向尺寸为80 m,围岩采用莫尔库仑本构模型进行模拟,共划分58 979个实体单元、92 672个节点。模型如图2所示。

(a)模型外观 (b)盾构隧道与电力隧道位置

4 有限元模拟分析

4.1 土体沉降分析

盾构隧道施工过程中地表土体沉降曲线如图3所示。左右两线盾构隧道先后开挖,左侧隧道先开挖,当左侧隧道完全下穿电力隧道后右侧隧道开始施工。盾构隧道掘进过程中,掌子面周围土体的稳定性受施工扰动影响,进而产生破坏变形,再通过地层土体逐渐传递至地表,最终导致地表发生沉降。由图3(a)可知:当左侧隧道开挖完成时,在未对既有电力隧道周围土体注浆加固的工况下,左侧隧道顶部地表最大沉降为15.28 mm,最大土体沉降值出现在左侧隧道中轴线处,采用预加固措施的工况下,最大沉降为9.77 mm,加固前后两种工况下地表土体沉降规律基本相同。由图3(b)可知:当左右两侧盾构隧道全部下穿电力隧道后,地表沉降曲线呈现非对称双峰形状,未加固工况下右侧隧道中轴线位置处最大沉降为17.37 mm,注浆加固工况下最大沉降为10.31 mm,两种工况下地表沉降规律基本相同,两侧完全贯通加固后沉降量最大值降低37.9%,验证了注浆加固措施的有效性。

(a)左侧隧道贯通后地表沉降 (b)双侧隧道贯通后地表沉降图3 地表沉降曲线

4.2 电力隧道位移分析

随着盾构隧道下穿开挖不断推进,两种工况下既有电力隧道沿轴向方向累计位移曲线如图4所示,其中水平轴表示盾构隧道的施工进度。由图4可知,盾构隧道施工过程中,受开挖扰动的隧道周围土体应力得到释放,造成既有电力隧道产生与盾构开挖方向相反的不均匀位移。盾构隧道下穿前既有电力隧道周围土体处于平衡状态,当盾构隧道开始下穿施工时,隧道周围土体平衡状态被打破,因此在下穿初始时电力隧道周围土体应力会产生较大突变。左侧隧道施工时既有电力隧道的位移最大位置出现在左侧隧道中轴线上方,随着盾构开挖不断前进,既有电力隧道产生与开挖方向相反的位移,并且位移值不断增大。当左侧隧道完全贯通时,在未加固工况下电力隧道位移累计为15.31 mm,加固工况下电力隧道位移累计为3.81 mm,位移最大值降低75.1%,证明对电力隧道周围土体预注浆加固能够有效增强电力隧道抵抗变形的能力。

图4 加固前后电力隧道侧移值

4.3 计算结果对比

通过Peck公式对盾构隧道下穿既有电力隧道过程中的土体沉降数值进行计算,并与加固后工况下有限元模拟结果作对比,结果见表2。由表2可知,理论计算结果和有限元模拟结果虽然存在一定误差,但整体基本吻合,表明了有限元模拟的合理性和正确性。

表2 地表土体沉降值统计表 mm

5 控制加固措施

5.1 预加固措施

采用无收缩双浆液注浆技术,对既有电力隧道周围2 m范围内土体进行注浆加固,注浆加固深度至既有电力隧道底部以下1.5 m。依据工程实际确定注浆孔间距为1 m,注浆过程中合理控制注浆压力,并且根据实际需要动态调整注浆顺序,多孔注浆时需遵循间隔注浆的原则。注浆结束后可根据工程实际对浆液强度、硬化时间以及渗透性进行调整,保证浆液不流失、不对周围环境造成污染。在盾构隧道穿越施工过程中,控制掘进速度不得过快,加强动态监控,根据实际情况动态调整各项施工参数,及时跟进同步注浆、二次注浆,确保管片安装及注浆质量。

5.2 施工控制措施

盾构隧道下穿施工前,首先对既有电力隧道现状进行评估调查,核实相关资料,根据评估报告确定隧道沉降、水平位移等控制值,控制措施如下:

(1)确定正确的掘进土压力并通过渣土改良保证土仓压力的稳定。在盾构施工过程中,一方面,合理控制土压力能够降低因土压力波动过大造成对土体的反复扰动,进而避免较大的土体沉降;另一方面,通过合理控制注浆压力,能够有效降低盾构施工后的地层沉降。

(2)严格控制掘进速度。采取“匀速掘进、快速通过”原则,保证快速稳定地穿越既有隧道。

(3)保证盾构施工与注浆能够同步进行。盾构施工后及时对环形间隙进行注浆填充,能够使管片和周围土体快速结合,防止周围土体产生较大变形,从而影响地表构筑物。

(4)盾构施工过程中,通过管片注浆孔对周围土体进行二次注浆,对第一次注浆未填充的部分进行补充,降低隧道周围土体在盾构施工过后的沉降,提高盾构隧道的防水力。二次注浆以压力控制为主,注浆压力控制在0.3～0.4 MPa范围内,二次注浆采用双液浆。

(5)盾构施工过程中合理控制出渣量,保证开挖进尺与出渣量的平衡,严格按照试验段各项施工参数和地层状况,根据实际施工状况灵活调整施工措施,动态调整各项施工参数。

5.3 监测方案

运用精密电子水准仪对既有电力隧道沉降进行监测,测点位置的布设尽量能够控制电力隧道的变形。对下穿既有电力隧道前后布设分层沉降测点,准确掌握盾构下穿前后既有电力隧道周围地层变形情况,从而动态调整掘进参数。

在隧道节点、转角等变形较大部位要重点布设,主要影响区间的测点间距不超过5 m,次要影响区测点间距不超过15 m,以盾构开挖面为界每天测量2次,小于50 m每天测量1次,大于50 m每周测量1次。

6 结论

为分析盾构隧道近距离下穿既有电力隧道施工过程对既有电力隧道产生的影响,运用有限元软件Midas GTS Nx建立三维模型,分析了盾构施工过程中土体沉降和电力隧道侧移量,证明了在施工前对既有电力隧道采用注浆加固措施,能够有效控制施工引起的土体沉降,保障既有隧道结构安全,可为其他相似工程制定施工控制措施提供参考。