摘 要:為了研究地鐵盾構(gòu)隧道下穿對既有地鐵隧道的影響,本文基于某市地鐵盾構(gòu)隧道工程,利用數(shù)值模擬計算,分析了不同覆土層厚度、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降位移的影響。研究結(jié)果表明,既有地鐵隧道拱底的沉降位移,隨著覆土厚度增加而增加,當新建隧道下穿既有隧道時,選擇覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域,可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。隨著凈間距增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,當盾構(gòu)下穿施工時,距離既有地鐵隧道越遠,既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移越小。隨著圍巖參數(shù)減少,相對沉降位移先增加再減少,在這個階段,土體產(chǎn)生整體沉降。
關鍵詞:盾構(gòu)隧道;隧道下穿;沉降位移
中圖分類號:U 45 " 文獻標志碼:A
隨著城市地下交通的快速發(fā)展,隧道數(shù)量日益增加,會出現(xiàn)地下交通相互交叉現(xiàn)象。在新建隧道下穿既有隧道施工中,多次擾動地層會破壞既有隧道結(jié)構(gòu),嚴重威脅交通運營安全,為避免既有隧道結(jié)構(gòu)被破壞,學者們進行了多方面研究。施柳盛等[1]對大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道影響分析及控制進行了研究,分析了新建大直徑盾構(gòu)隧道施工斜交下穿既有運營地鐵區(qū)間隧道的影響;王明明等[2]對上軟下硬地層盾構(gòu)下穿既有隧道擾動變形進行了研究,研究結(jié)果表明,既有隧道沉降值受地層條件和隧道間距影響顯著;程良水等[3]對新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行了研究,研究結(jié)果表明,地鐵下穿對上部既有隧道會產(chǎn)生較大影響,會導致上部既有隧道變形;李旭[4]對盾構(gòu)近距下穿既有線地層力學響應和變形特性進行了分析,分析結(jié)果表明,盾構(gòu)下穿施工過程對既有應力影響較??;朱春柏等[5]研究了新建隧道對上覆既有隧道受力變形解析,研究結(jié)果表明,隨著新舊隧道豎向間距增加,既有隧道受到盾構(gòu)開挖的影響逐漸減少;周文杰等[6]對新建雙線盾構(gòu)隧道下穿既有隧道變形規(guī)律及控制技術進行了研究,研究結(jié)果表明,既有隧道變形主要集中在新建隧道上方,呈對稱分布。
基于此,本文通過數(shù)值模擬計算,對地鐵盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道的影響進行研究,分析不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。
1 工程概況
本工程為某市地鐵8號線盾構(gòu)隧道工程,掘進由北向南走向,全線長32.4km。掘進線路于城北郊區(qū)與既有地鐵6號線交叉,地鐵6號線為城市環(huán)城線,地鐵8號線盾構(gòu)隧道須下穿地鐵6號線隧道,兩隧道中心線相交平面角度約為87°,幾乎處于正交狀態(tài)。地鐵8號線盾構(gòu)隧道的拱頂與既有地鐵6號線隧道的拱底距離為5.3m,既有地鐵6號線隧道斷面寬7.2m,高度為6.8m,拱頂離地面距離為5.4m,管片采用C35鋼筋混凝土制成。地鐵8號線盾構(gòu)隧道管處內(nèi)徑為5.6m,外徑為6.4m,厚度為0.4m,每個管片的寬度為1.55m,采用C40鋼筋混凝土制成,兩個盾構(gòu)隧道中心間距為12.5m。地鐵盾構(gòu)隧道和既有地鐵隧道相互關系如圖1所示。由于地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道,盾構(gòu)施工過程中對土層的擾動會引起土體結(jié)構(gòu)變形塌陷,嚴重威脅既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全,因此,須對地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道的影響進行研究。
2 數(shù)值模型
2.1 數(shù)值模型建立
為減少模型邊界效應的影響,將盾構(gòu)隧道模型寬度設置為6~7倍的洞中心間距,即寬度(x方向)為76m,長度(y方向)為100m,高度(z方向)為56m。z方向的邊界范圍至地表,既有地鐵6號線的底部與盾構(gòu)地鐵8號線的拱頂距離5.3m,建立隧道模型示意如圖2所示。
2.2 參數(shù)設置
地鐵8號線盾構(gòu)隧道和既有地鐵6號線隧道交叉區(qū)域為城南郊區(qū),該地區(qū)為平原地貌。根據(jù)盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘測報告,該交叉區(qū)域上覆土為人工填土,土體局部為砂土和礫石,厚度為0.8m~4.6m,上覆土下依次為粉質(zhì)黏土、強風化粉質(zhì)砂巖、中風化粉質(zhì)砂巖。其中粉質(zhì)黏土層厚度為1.0m~8.7m,質(zhì)地軟,遇水易軟化,強風化粉質(zhì)砂巖層厚度為1.5m~12.6m,厚度變化大,中風化粉質(zhì)砂巖層厚度為1.8m~24.3m,粉細粒結(jié)構(gòu),遇水易軟化。地鐵盾構(gòu)隧道掘進區(qū)域位于中風化粉質(zhì)砂巖巖層內(nèi),各巖土層的物理力學參數(shù)見表1。
在建模過程中,設置巖土體和隧道管片為各向同性材料,圍巖是具有莫爾-庫侖準則的彈塑性材料,盾構(gòu)隧道注漿層和盾殼為彈性材料,各材料物理參數(shù)見表2。設置隧道模型兩側(cè)和模型前后約束水平方向(x方向)位移,模型底部約束豎直方向(y方向)位移,其他部位在各方向均為自由加載。邊界約束設置完成后,采用FLAC 3D軟件將巖土體按照不同材料進行分組,再對模型進行網(wǎng)格劃分,主受力區(qū)域網(wǎng)格稠密,其他區(qū)域網(wǎng)格稀疏,兩區(qū)域交界處進行過渡處理,通過8節(jié)點的六面體實體單元對建立的模型進行有限元離散,將該模型分解為204623個單元,214376個節(jié)點。
3 計算結(jié)果與分析
3.1 不同覆土層厚度的影響
在盾構(gòu)隧道下穿過程中,既有地鐵隧道的埋深是影響隧道結(jié)構(gòu)沉降的重要參數(shù)。設置既有6號線地鐵隧道的覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m,其余參數(shù)不變,盾構(gòu)下穿時,既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖3所示。
由圖3可知,隨著覆土厚度增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中,當覆土厚度從5.4m增至15m時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.76mm,當覆土厚度從15m增至20m時,最大沉降位移增加了0.76mm,當覆土厚度從20m增至25m時,最大沉降位移增加了0.86mm,覆土厚度增加,增加了土體質(zhì)量,在土體質(zhì)量和土壓力作用處,既有地鐵隧道拱底沉降位移增加。
當覆土厚度分別為5.4m、15m、20m、25m時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.64mm、-2.4mm、-3.16mm、-4.02mm,盾構(gòu)地鐵下穿時,覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響。
當覆土厚度從5.4m增至20m時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加趨勢處于平穩(wěn)狀態(tài),當覆土厚度大于20m時,最大沉降位移增加趨勢明顯。根據(jù)《高速鐵線路維修規(guī)則》,地鐵結(jié)構(gòu)設施絕對沉降量不大于20mm,將水平位移控制在±5mm,在不同覆土厚度條件下,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移均滿足施工要求,但覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響,因此,新建隧道須下穿既有隧道時,應選擇既有隧道覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域,可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。
3.2 不同凈間距的影響
凈間距為盾構(gòu)隧道的拱頂與既有隧道拱底之間的凈距離,它也是影響隧道結(jié)構(gòu)沉降的重要參數(shù),本次研究將地鐵8號線盾構(gòu)隧道與既有6號線地鐵隧道凈間距分別設置為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D,其余參數(shù)不變,其中,D為盾構(gòu)隧道外徑。盾構(gòu)下穿時,既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和變化如圖4所示。
由圖4可知,隨著凈間距增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加,最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中,當凈間距從0.3D增至0.6D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.7mm,當凈間距從0.6D增至1.2D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.29mm,當凈間距從1.2D增至1.8D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.38mm,當凈間距從1.8D增至3.2D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增加了0.3mm。當凈間距小于1.8D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅明顯,當凈間距大于1.8D時,最大沉降位移增幅減少,變化緩慢。
當凈間距分別為0.3D、0.6D、1.2D、1.8D、2.4D、3.2D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.71mm、-2.41mm、-2.7mm、-3.08mm、-3.21mm、-3.39mm。盾構(gòu)隧道下穿距離既有地鐵隧道越近,對既有地鐵隧道的影響越大。
由圖4可知,隨著凈間距增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響增加,當凈間距小于1.8D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移大幅度增加,變化顯著,當凈間距大于1.8D時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移增幅減少,變化緩慢,因此,盾構(gòu)隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道,對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響越大,當設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時,要盡量遠離既有地鐵隧道。
3.3 不同圍巖條件的影響
在本次研究中,現(xiàn)場地質(zhì)復雜,盾構(gòu)下穿施工過程中,須考慮不同地質(zhì)條件對隧道結(jié)構(gòu)沉降的影響。本次研究賦予既有地鐵6號線隧道圍巖不同參數(shù),見表3,保持其余參數(shù)不變,盾構(gòu)下穿時,既有地鐵隧道拱底沉降位移分布和相對沉降位移變化如圖5所示,其中,相對沉降位移為最大沉降位移值與邊界沉降位移差值。
由圖5(a)可知,隨著圍巖參數(shù)減少,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,最大位移位于盾構(gòu)隧道對稱面附近。在盾構(gòu)下穿過程中,當圍巖參數(shù)從工況1減至工況4時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移分別為-1.46mm、-3.15mm、-4.91mm、-7.62mm。當圍巖參數(shù)逐漸減少時,既有地鐵隧道拱底的最大沉降位移變化幅度增加,增加趨勢明顯。
由圖5(b)可知,隨著圍巖參數(shù)減少,既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移先逐漸增加再逐漸減少。在盾構(gòu)下穿過程中,當圍巖參數(shù)從工況1減至工況4時,既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移分別為-1.06mm、-2.56mm、-2.83mm、-2.3mm。在圍巖參數(shù)減至一定程度后,相對沉降位移增至峰值后逐漸減少,在此階段,土體的整體結(jié)構(gòu)被破壞,對既有地鐵隧道將產(chǎn)生不利的影響。
隨著圍巖參數(shù)減少,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,對既有地鐵隧道的影響范圍也逐漸擴大,既有地鐵隧道拱底的相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少,在圍巖參數(shù)減至一定程度后,相對沉降位移增至峰值后再減少,在此階段,既有地鐵隧道除局部產(chǎn)生不均勻沉降外,在一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生了整體沉降,既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)將被破壞。因此,設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時,須考慮不同地質(zhì)條件下,土體的整體沉降對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。
4 結(jié)論
本文采用數(shù)值模擬計算,對地鐵盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道的影響因素進行了研究,分析了不同覆土層厚度對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響、不同凈間距和不同圍巖條件對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響??傻贸鲆韵陆Y(jié)論。1)隨著覆土厚度增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移也逐漸增加,當覆土厚度小于20m時,隧道拱底最大沉降位移增加趨勢平穩(wěn),當覆土厚度大于20m時,最大沉降位移增加趨勢明顯,覆土厚度增加對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)有明顯影響,新建隧道須下穿既有隧道時,應該選擇既有隧道覆土厚度小的區(qū)域作為下穿區(qū)域,可減少既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降位移。2)隨著凈間距增加,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,當凈間距小于1.8D時,隧道拱底最大沉降位移大幅增加,當凈間距大于1.8D時,最大沉降位移增幅減少。盾構(gòu)隧道下穿距離越接近既有地鐵隧道,對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響越大,因此設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時,盡量遠離既有地鐵隧道。3)隨著圍巖參數(shù)減少,既有地鐵隧道拱底的沉降位移逐漸增加,而相對沉降位移則先逐漸增加再逐漸減少,在相對沉降位移減少階段,既有地鐵隧道除產(chǎn)生局部不均勻沉降外,在一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生了整體沉降。設計盾構(gòu)隧道下穿既有隧道時,須考慮不同地質(zhì)條件下,土體的整體沉降對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。
參考文獻
[1]施柳盛,程子聰,謝小創(chuàng).大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道影響分析及控制[J].建筑施工,2023,45(12):2386-2388,2392.
[2]王明明,王正慶,翟浪寶,等.上軟下硬地層盾構(gòu)下穿既有隧道擾動變形研究[J].水利水電快報,2023,27(12):1-14.
[3]程良水,葛金明.新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道的影響研究[J].地基處理,2023,5(增刊1):105-111.
[4]李旭.盾構(gòu)近距下穿既有線地層力學響應和變形特性分析[J].建筑技術開發(fā),2023,50(11):72-74.
[5]朱春柏,劉志賀,劉偉,等.新建隧道對上覆既有隧道受力變形解析[J].科學技術與工程,2023,23(30):13150-13156.
[6]周文杰,黃安,王銘芮,等.新建雙線盾構(gòu)隧道下穿既有隧道變形規(guī)律及控制技術研究[J].國防交通工程與技術,2023,21(5):51-55.