劉歡，韓娟

(1．中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院地下工程所，湖北 武漢 430063;2．鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064)

目前，軌道交通已成為各大城市發(fā)展公共交通、解決交通擁堵問題的首選． 新建隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道的情況越來越多． 既有隧道在施工時(shí)已經(jīng)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，新建隧道在下穿施工過程中又將會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)，使土體的沉降和變形進(jìn)一步加劇，若預(yù)防措施不利，將造成既有運(yùn)營(yíng)隧道襯砌破壞或變形過大，影響既有地鐵運(yùn)營(yíng)的安全． 因此，為保證既有運(yùn)營(yíng)隧道的安全，新建隧道下穿施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響成為主要的研究課題．

國(guó)內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響的研究取得顯著成果． 李庭平等［1］采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)上海市西藏南路新建越江隧道下穿既有隧道(M8線)施工引起的既有隧道及地表變形進(jìn)行了分析;趙林［2］采用Midas －GTS 軟件建立力學(xué)模型，模擬了深圳地鐵7 號(hào)線新建盾構(gòu)隧道下穿既有1 號(hào)線礦山法隧道的施工過程，分析了盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道的影響;張海彥等［3］以蘇州某新建隧道垂直下穿既有地鐵1 號(hào)線隧道為例，采用ANSYS 對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值模擬，分析不同間距時(shí)新建隧道垂直下穿對(duì)既有地鐵隧道的影響．目前，從位移、沉降角度來分析新建隧道下穿施工對(duì)既有隧道影響的研究成果較多［4－6］，而對(duì)隧道襯砌內(nèi)力的研究較少．本文以鄭州地鐵1 號(hào)線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿1 號(hào)線一期出、入段線礦山法隧道為例，應(yīng)用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D 模擬盾構(gòu)施工過程，分析新建隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)出、入段線礦山法隧道襯砌內(nèi)力及土層位移的影響．

1 工程概況

鄭州地鐵1 號(hào)線一期出、入段線礦山法隧道為既有運(yùn)營(yíng)隧道，1 號(hào)線二期市體育中心站—龍子湖中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道為新建隧道．既有出、入段線礦山法隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用300 mm厚C25 網(wǎng)噴混凝土，二次襯砌模筑采用350 mm厚C30 防水鋼筋混凝土．新建區(qū)間隧道右線采用盾構(gòu)法施工，管片采用外徑6．0 m，內(nèi)徑5．4 m，環(huán)寬1．5 m，厚300 mm 的鋼筋混凝土平板型單層結(jié)構(gòu)．下穿區(qū)段位于主干路交叉口下方，所屬地貌單元為黃河沖積泛濫平原，按照地層巖性及工程特性，自上而下劃分為:①雜填土、②黏質(zhì)粉土、⑨粉質(zhì)黏土、⑧－1 細(xì)砂、瑏瑦細(xì)砂、瑏瑧－2 細(xì)砂、瑏瑧中砂等． 既有礦山法隧道埋深為6．1 ～6．8 m，位于⑧－1 細(xì)砂、⑨粉質(zhì)黏土、瑏瑦細(xì)砂地層中;新建盾構(gòu)隧道埋深為17．9 ～18．2 m，位于瑏瑧－2 細(xì)砂地層中．新建盾構(gòu)隧道與既有礦山法隧道入段線夾角約為27°，豎向凈距為4．35 m，與出段線夾角約為32°，豎向凈距為5．34 m，二者相互位置關(guān)系如圖1 和圖2 所示．

圖1 新建隧道與既有隧道平面關(guān)系圖(單位:m)

圖2 新建隧道與既有隧道剖面關(guān)系圖(單位:m)

2 控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)，新建隧道下穿既有礦山法隧道允許沉降值取10 mm，允許水平位移取5 mm，主干道路基沉降控制值為30 mm． 為了有效控制既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形和主干道路基的沉降，取二者允許變形和沉降的80%作為警戒值，取其40%作為預(yù)警值．制定的控制標(biāo)準(zhǔn)見表1．

表1 控制標(biāo)準(zhǔn)mm

3 施工影響預(yù)測(cè)

3．1 工程地質(zhì)及材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程所處場(chǎng)地為黃河沖積泛濫平原，地形平坦，土層分布及各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表2．

表2 模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

3．2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型采用直角坐標(biāo)系，其中x 方向長(zhǎng)度為129．9 m(0．0 ～129．9 m)，y 方向長(zhǎng)度為67．0 m(0．0 ～67．0 m)，z 方向長(zhǎng)度為35．0 m(－35．0 ～0．0 m)，模型寬度大于5d(d 為孔洞直徑)．土質(zhì)圍巖采用8 節(jié)點(diǎn)6 面體單元(brick)． 模型中，取z 方向?yàn)橹亓Ψ较?，?duì)模型左右、四周和下部邊界設(shè)定節(jié)點(diǎn)速度為零進(jìn)行位移邊界約束，模型上部為自由邊界，并對(duì)邊界上結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行相應(yīng)的位移、彎矩約束．模型計(jì)算網(wǎng)格如圖3 所示．模擬過程為:初始地壓條件創(chuàng)建→人工邊界設(shè)置和材料屬性賦值→對(duì)所有土體單元賦予重力以實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力→位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零→模擬橋樁施工影響→位移場(chǎng)清零→盾構(gòu)隧道掘進(jìn)與管片施作→數(shù)據(jù)提取與結(jié)果分析．

圖3 三維計(jì)算模型網(wǎng)格

3．3 結(jié)果分析

3．3．1 工況一:既有出、入段線礦山法隧道施工

由于礦山法隧道開挖引起地層擾動(dòng)，導(dǎo)致隧道縱向所在區(qū)域正上方一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生沉降，地表最大沉降量達(dá)到10．26 mm，礦山法隧道結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生一定的變形． 計(jì)算所得既有礦山法隧道周邊土體的位移云圖如圖4 所示．

圖4 既有隧道通過后地表豎向位移圖

3．3．2 工況二:新建盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工

新建盾構(gòu)隧道開挖引起地層二次擾動(dòng)，導(dǎo)致隧道縱向正上方土體沉降加劇，地表最大沉降量達(dá)到11．51 mm．周邊土體的位移云圖如圖5 所示．

圖5 新建隧道通過后地表豎向位移圖

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移如圖6 所示．由圖6 可知，既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)沿隧道縱向?yàn)槔熳冃危浞逯党霈F(xiàn)在新建隧道正上方的既有礦山法隧道仰拱襯砌上．既有隧道襯砌豎向位移與水平位移分別如圖7 和圖8 所示．從圖7—8 中可以看出，新建盾構(gòu)隧道通過后，既有出、入段線礦山法隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律基本相同． 在新建盾構(gòu)隧道通過既有礦山法隧道正下方時(shí)，既有礦山法隧道襯砌的豎向位移和水平位移達(dá)到峰值，分別為3．13、0．52 mm．

圖6 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移圖

圖7 既有礦山法隧道襯砌豎向位移

圖8 既有礦山法隧道襯砌水平位移

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和軸力分別如圖9 和圖10 所示． 從圖9—10 可以看出，新建盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工完成后，既有礦山法隧道襯砌彎矩和軸力云圖變化不大，說明既有隧道襯砌內(nèi)力受盾構(gòu)掘進(jìn)施工的影響較?。?/p>

圖9 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖10 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖

新建盾構(gòu)隧道施工完成后，既有礦山法隧道襯砌變形與受力結(jié)果見表3．

表3 既有礦山法隧道變形與內(nèi)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3 可知，新建盾構(gòu)隧道施工完成后，既有礦山法隧道襯砌的水平和豎向變形分別為0． 52、3．13 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求． 經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，新建盾構(gòu)隧道下穿施工產(chǎn)生的彎矩和軸力均滿足結(jié)構(gòu)裂縫寬度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求．

4 結(jié) 語

1)新建盾構(gòu)隧道的施工對(duì)既有礦山法隧道周邊土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)，加劇了土體的進(jìn)一步沉降，最大地表沉降量達(dá)到11．51 mm，但在主干道路基沉降的控制要求范圍內(nèi)．

2)新建盾構(gòu)隧道的施工對(duì)既有礦山法隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均產(chǎn)生一定的影響，豎向和水平變形分別為3．13、0．52 mm，內(nèi)力變化不大，滿足對(duì)既有隧道保護(hù)的控制要求．

3)對(duì)于該研究區(qū)，在砂層土質(zhì)條件下，新建盾構(gòu)隧道下穿既有礦山法隧道，在不采取加固措施的情況下，既有隧道和周邊土體的變形在允許范圍內(nèi)，可保證既有隧道的正常運(yùn)營(yíng)．

［1］李庭平，周俊峰，劉平旺． 新建隧道下穿既有隧道的施工影響分析［J］． 低溫建筑技術(shù)，2008，125(5):104－105．

［2］趙林．盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵區(qū)間隧道變形影響分析［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，26(增刊2):261 －264．

［3］張海彥，何平，秦東平，等．新建盾構(gòu)隧道垂直下穿對(duì)既有隧道的影響［J］． 中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34(2):66－69．

［4］Addenbrooke T I，Potts D M． Two tunnel interaction:Surface and subsurface efects［J］．The International Journal of Geomechanics，2001，1(2):249 －271．

［5］陳先國(guó)，高波． 地鐵近距離平行隧道有限元數(shù)值模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1330 －1334．

［6］宿鐘鳴，薛曉輝．小凈距隧道洞口段施工方法優(yōu)化分析［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(6):23 －26．