新建城際鐵路盾構小凈距下穿既有地鐵隧道沉降控制研究*

葛佳佳 董衛(wèi)國 江蘇洋 李海波 張會堅

(1.浙江杭海城際鐵路有限公司,314400,海寧; 2.河海大學土木與交通學院,210024,南京;3.中國中鐵四局集團第二工程有限公司,215131,蘇州∥第一作者,高級工程師)

0 引言

隨著我國城市軌道交通網(wǎng)絡化的迅速發(fā)展,不可避免地會出現(xiàn)新建線路隧道下穿既有線路隧道的情況[1-2]。新建線路盾構近距離下穿既有線隧道時,不僅會引起地層沉降和變形,還會引起既有線隧道的不均勻沉降、開裂,甚至破壞[3-5],給既有線的安全運營帶來較大的風險[6-7]。因此,有必要針對新建線路盾構穿越既有線隧道工程開展沉降控制措施研究,以減小施工風險,確保既有線的安全運營。

目前,國內學者針對這類工程所采用的研究方法主要有數(shù)值模擬、模型試驗及現(xiàn)場實測。在數(shù)值模擬方面,文獻[8]通過建立三維數(shù)值模型并結合經(jīng)驗計算公式,研究了盾構隧道施工引起的地面沉降,以及新建線路隧道施工影響既有線隧道的規(guī)律;文獻[9]以某新建地鐵2號線雙線盾構隧道下穿既有地鐵1號線隧道為例,運用ANSYS軟件對土體注漿和未注漿情況下盾構施工進行模擬,得出土體注漿情況下既有線隧道結構的變形明顯減小;文獻[10]采用三維有限元方法,研究了交叉隧道施工時隧道結構與其鄰近不同位置建筑物之間的相互影響規(guī)律。在模型試驗方面,文獻[2]通過室內模型試驗,研究了新建線路盾構隧道在不同圍巖條件、凈距和頂推力作用的情況下,正交下穿既有線隧道引起既有線隧道結構變形及附加應力變化規(guī)律;文獻[11]采用離心模擬試驗,揭示了新建線路盾構隧道多次近距離穿越既有線隧道施工引起既有線隧道結構變形及其受力變化機理。在現(xiàn)場監(jiān)測方面,文獻[12]通過對上海軌道交通7號線下穿2號線施工期間既有線隧道結構變形情況的實測數(shù)據(jù)的分析,得出對既有線隧道結構的橫向、縱向影響范圍分別為4d(d為新建線路盾構隧道外徑)、3d～5d的結論;文獻[13]通過對新建線路盾構隧道近距離下穿杭州地鐵1號線隧道施工過程進行監(jiān)測,研究了盾構機與既有線隧道相對位置關系不同時,既有線隧道的隆沉、水平位移及收斂位移的變化規(guī)律。

上述文獻的研究主要針對新建線路盾構隧道施工對既有線隧道結構的影響進行分析,而針對富水粉細砂條件下新建線路盾構隧道小凈距下穿既有線隧道的研究鮮有。本文以上述研究為基礎,結合杭海(杭州至海寧)城際鐵路余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站區(qū)間(以下簡稱“余許區(qū)間”)隧道工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法,研究其小凈距下穿杭州地鐵1號線時1號線隧道結構的沉降規(guī)律及施工控制措施。

1 工程概況及風險分析

1.1 工程概況

新建杭海城際鐵路余許區(qū)間隧道盾構段左線長度為3 126.220 m,右線長度為3 126.555 m;采用土壓平衡式盾構,刀盤直徑為6.92 m,管片外徑為6.70 m、內徑為6.00 m,隧道凈距約為9.9 m。既有杭州地鐵1號線隧道管片外徑為6.20 m、內徑為5.50 m,隧道凈距約為8.75 m。兩線穿越處平面交角約為60°,最小豎向凈距為3.2 m;穿越處新建線路盾構隧道覆土厚度為18 m,新建線路盾構隧道左線先于右線實施。兩線平面位置如圖1所示。結合杭州地鐵1號線隧道結構安全性能評估,要求新建線路盾構隧道下穿1號線隧道過程中,1號線隧道豎向位移控制值為15 mm,地面沉降控制值為20 mm。

圖1 杭海城際鐵路余許區(qū)間隧道下穿杭州地鐵1號線隧道平面圖

兩線穿越區(qū)域主要土層為粉砂層,穿越區(qū)域剖面圖如圖2所示。各土層物理參數(shù)如表1所示。穿越范圍內地下水位埋深為0.1～3.0 m,動態(tài)變幅一般為1.0～1.5 m,承壓水水位為地面下6.5 m左右。

表1 兩線穿越區(qū)域土層基本物理參數(shù)表

圖2 兩線穿越區(qū)域剖面圖

1.2 風險分析

杭海城際鐵路余許區(qū)間盾構隧道小凈距下穿杭州地鐵1號線隧道,盾構施工對1號線隧道的擾動不可避免,容易引起地層沉降和1號線隧道結構變形。若地層沉降過大將會導致軌道豎向變形,在列車荷載的反復作用下甚至可能會引發(fā)列車脫軌等嚴重事故。而且穿越區(qū)域的富水粉砂層自穩(wěn)能力差,容易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象,可能會造成開挖面前方土體坍塌,導致杭州地鐵1號線隧道結構開裂、滲水。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型建立

本文采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬計算,根據(jù)實際工況建立計算模型,模型尺寸為100.0 m(長)×62.5 m(寬)×47.0 m(高),如圖3所示。新建隧道縱軸平行于坐標軸y軸,既有隧道縱軸與坐標軸x軸形成30°平面交角。計算模型采用Mohr-Coulomb強度準則及相關聯(lián)的流動法則,用實體單元模擬土體,用shell殼結構單元模擬隧道管片。將模型側面和底面設為位移邊界,側面限制水平位移,底面限制水平位移和垂直位移,將模型上表面設為自由邊界。

a) 模型正視圖

2.2 數(shù)值模擬計算過程

由于盾構掘進時刀盤會對周圍地層造成擾動,導致土體強度下降,而且具體的擾動范圍及強度下降程度較難確定,本次計算時將擾動范圍設置為0.5d,即3.46 m。數(shù)值模擬計算時,假定隧道頂部3.46 m范圍內的地層彈性模量減少25%,以模擬盾構掘進造成的擾動。數(shù)值模擬計算中的盾殼及管片參數(shù)取值如表2所示。為模擬漿液時變性對地層沉降的影響,將漿液彈性模量的時變性過程分為初期、早期、中期和中后期4個階段,各階段彈性模量取值如表3所示。

表2 數(shù)值模擬計算中的盾殼及管片參數(shù)取值

表3 不同階段漿液彈性模量時變性參數(shù)

在實際工程中,注漿壓力會在3 h[14]左右消散至與周圍地層土水壓力一致。在該工程中,盾構下穿既有線隧道時,掘進速度設置為2.5～3.0 cm/min,而管片一環(huán)長度為1.5 m,盾構通過一環(huán)管片的時間在1 h左右,再考慮到管片拼裝時間,因此假定注漿壓力在掘進兩環(huán)后完全消散。根據(jù)上述計算參數(shù)取值及施工過程設定,模擬數(shù)值計算過程示意圖如圖4所示。

圖4 兩線穿越工程模擬數(shù)值計算過程示意圖

2.3 測點布置

為研究盾構下穿既有線隧道對地層沉降的影響規(guī)律,結合現(xiàn)場地面監(jiān)測點布設情況(見圖5),對計算模型中的監(jiān)測點進行合理布設:監(jiān)測盾構掘進過程中左右兩條新建隧道軸線上的地面沉降,左線取監(jiān)測點ZD1、ZD3和ZD5(ZD1對應盾構機剛開始下穿左線第一條隧道時的位置,ZD3對應盾構機下穿至左線第二條隧道時的位置,ZD5為盾構機左線穿越完成時的位置),右線取監(jiān)測點YD2、YD4和YD6(YD1對應盾構機剛開始下穿右線第一條隧道時的位置,ZD3對應盾構機下穿至右線第二條隧道時的位置,ZD5為盾構機右線穿越完成時的位置)。同時,對既有線隧道的拱頂沉降進行監(jiān)測,在既有線隧道拱頂沿隧道橫向方向(x方向)每隔5 m設置一個監(jiān)測點,如圖6所示。

圖5 兩線穿越工程現(xiàn)場地面監(jiān)測點布設示意圖

圖6 兩線穿越工程計算模型測點布設示意圖

2.4 計算結果分析

2.4.1 地面沉降計算結果分析

地面沉降計算結果如圖7—圖8所示。由圖7—圖8可見:當盾構開挖面未到達起始穿越點(ZD1、YD2)時,既有線隧道上方的地面已經(jīng)開始表現(xiàn)出少量沉降,但是沉降變化相對平緩;當盾構開挖面到達起始穿越點(ZD1、YD2)并開始下穿后,地面沉降顯著增加;監(jiān)測點ZD3、ZD5、YD4、YD6的沉降曲線也表現(xiàn)出類似的規(guī)律,盾構開挖面到達起始穿越點前的地面沉降在0～2 mm之間,盾構開挖面到達起始穿越點后的地面最大沉降為5.8 mm。這表明:盾構施工存在少量的前期擾動,盾構開挖面到達起始穿越點后引起的地面沉降加大,最終的地面沉降在控制值范圍內。

圖7 新建線路左線隧道下穿施工時地面沉降曲線

圖8 新建線路右線隧道下穿施工時地面沉降曲線

2.4.2 既有線隧道拱頂沉降計算結果

為進一步研究盾構下穿過程對既有線隧道結構變形的影響,以盾構開挖面為基準,根據(jù)盾構開挖面與既有線隧道之間的軸向距離(y方向),把下穿過程劃分為8個關鍵點:①1號線左線前2d位置處;②1號線左線前1d位置處;③下穿1號線左線(此時開挖面位于1號線左線軸線處);④下穿1號線左右線中部;⑤下穿1號線右線;⑥下穿1號線右線后1d位置處;⑦下穿1號線右線后2d位置處;⑧開挖結束。既有線隧道拱頂沉降計算結果如圖9—圖10所示。

a) 既有線左線隧道拱頂

a) 既有線左線隧道拱頂

從圖9—圖10可見:當新建線左線隧道下穿時,既有線隧道的最大沉降點位于新建線左線隧道軸線處;新建線右線隧道下穿時,最大沉降點向新建線左右兩線中點處偏移;新建線左右兩線隧道下穿過程中,在關鍵點④至關鍵點⑤以及關鍵點⑦至關鍵點⑧,既有線隧道拱頂沉降迅速增加。同時,既有線左右兩線隧道拱頂沉降最大值約為10.5 mm,拱頂最大沉降約是地面最大沉降的1.81倍。

由以上計算結果可知,地面沉降及既有線隧道拱頂沉降均在允許范圍之內?？紤]模擬數(shù)值計算過程進行了一定簡化,不可避免地與工程實際存在差異,為確保工程安全,需結合現(xiàn)場試驗段掘進情況對掘進參數(shù)進行優(yōu)化,對穿越過程中風險較大的兩個時段采取控制措施。

3 現(xiàn)場施工措施

3.1 試驗段施工措施

選擇地層、埋深與穿越段相似的區(qū)域作為模擬試驗段,使試驗段土層環(huán)境與穿越段有很好的相似性。試驗段盾構掘進參數(shù)設定及沉降控制措施如下:

試掘進過程中,總土壓力取值為盾構中心處1.1～1.2倍的主動土壓力值,設定為240～250 kPa;為控制盾構掘進對土體的擾動,總推力設定為25 000～30 000 kN;每環(huán)出土量控制在57～63 m3,并根據(jù)土壓力控制需求進行實時調整;盾構掘進速度控制在2.5～3.0 cm/min,并保持穩(wěn)定連續(xù);同步注漿采用水泥砂漿(消石灰80 kg、粉煤灰350 kg、細砂1 050 kg、膨潤土80 kg、水350 kg、水泥50 kg),注漿量保證為盾尾空隙體積的140%以上,控制在每環(huán)5.0～5.5 m3,注漿壓力設定為0.3 MPa以內;為有效防止渣土噴涌以及促進渣土流動性,使用泡沫劑和膨潤土溶液進行渣土改良,其中泡沫劑發(fā)泡倍率為10%～15%,膨潤土泥漿按膨水比1∶4～1∶6進行配比。

對試驗段盾構掘進完成后的情況分析發(fā)現(xiàn),試驗段左線地面最大沉降為8.9 mm,右線地面最大沉降為13.4 mm,滿足地面沉降控制標準。但根據(jù)模擬數(shù)值計算結果,新建線盾構隧道施工引起的既有線隧道沉降約為地面沉降的1.81倍,因此如按試驗段進行參數(shù)控制,則可能引起既有線隧道沉降達24.3 mm,超過既有線的位移控制值。

3.2 施工措施優(yōu)化

為進一步減小盾構穿越施工對既有線隧道的影響,在盾構正式下穿既有線隧道施工時,基于試驗段實施情況對施工參數(shù)進行優(yōu)化調整。

1) 土壓力調整。試驗段土壓力基本保持為240～250 kPa。穿越過程中為減少既有線隧道沉降,適當增加土壓力,使得掘進時開挖面略微隆起,抵消盾構穿越過程中的部分下沉量。新建左線盾構下穿過程中土壓力保持在260 kPa左右,新建右線盾構下穿過程中土壓力調整至260～270 kPa。

2) 同步注漿調整。根據(jù)計算所得結果,新建線盾構穿越既有線隧道施工過程中引起沉降較大的時段為:新建盾構刀盤從既有線左右線隧道中部下方穿越至既有線右線隧道下方,新建線盾構刀盤離開既有線右線隧道后2d位置處至施工結束。前一時段主要由同步注漿壓力控制,后一時段主要由同步注漿量及材料性能控制。因此,盾構下穿期間將每環(huán)注漿量增加至5.7 m3,同時將注漿壓力調整至0.3～0.4 MPa。

3) 渣土改良調整。試驗段掘進過程中出現(xiàn)了輕微螺旋機噴涌現(xiàn)象。為解決該問題,在穿越段施工時添加速凝劑進行渣土改良。速凝劑為膨潤土溶液和高分子溶液混合配置,注入量為10%～20%。

4) 施工控制措施調整。①為確保注漿效果,穿越施工時開展二次補漿,每掘進2環(huán)進行一次補漿,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,配比為水∶水泥∶水玻璃=0.5∶1∶1,漿液凝固時間控制在20 s。②從盾構內部向盾殼與周圍土層間注入克泥效漿液。克泥效槳液為A、B液混合制成。A液為特殊膨潤土液,質量配比為膨潤土∶水=400∶825;B液為水玻璃和水的混合液,體積配比為水玻璃∶水=1∶1,克泥效槳液體積配比為A液∶B液=12.5∶1,掘進每環(huán)的注入量控制在0.3～0.5 m3。③為保證沉降控制效果,加強對計算中沉降較大時段的監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測值對施工參數(shù)進行動態(tài)調整。

4 監(jiān)測結果分析

盾構施工完成后,新建線路地面沉降監(jiān)測結果如圖11—圖12所示。由圖11—圖12可知:盾構施工完成后,新建線路左線地面監(jiān)測點的最大沉降為6.3 mm,新建線路右線地面監(jiān)測點YD4、YD6處最終沉降均為8.0 mm,滿足地面沉降要求。

圖11 新建線路左線地面沉降監(jiān)測結果

圖12 新建線路右線地面沉降監(jiān)測結果

經(jīng)持續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),盾構施工完成后,既有線左線隧道拱頂最大沉降為13.8 mm,既有線右線隧道拱頂最大沉降為11.3 mm,既有線隧道最大沉降約為地面最大沉降的1.73倍,與模擬數(shù)值計算結果相近。

5 結論

1) 新建線路盾構穿越既有線隧道,引起既有線隧道最大沉降約為地面最大沉降值的1.81倍。

2) 新建線路盾構下穿既有線隧道施工過程中引起沉降較大的時段為:新建盾構刀盤從既有線左右線隧道中部下方穿越至既有線右線隧道下方,新建線路盾構刀盤離開既有線右線隧道后2d位置處至施工結束。

3) 盾尾空隙是引起地層沉降的主要因素,盾構下穿過程中將注漿量提升至5.7 m3,將注漿壓力調整至0.3～0.4 MPa,可提供較好的沉降控制效果;每掘進2環(huán)進行一次二次注漿,并且對沉降較大區(qū)域每環(huán)注入0.3～0.5 m3克泥效漿液,可減少掘進后的后續(xù)沉降影響。

4) 盾構下穿期間,設置較高的盾構土壓力,新建左線盾構下穿過程中土壓力保持在260 kPa左右,新建右線盾構下穿過程中土壓力調整至260～270 kPa;同時,控制排土量在57～63 m3范圍內,盾構掘進速度控制在2.5～3.0 cm/min,可提高沉降控制效果。