崔蓬勃，朱永全，陶祥令，靳 達，丁 謇

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214131)

近年來盾構(gòu)法因具有工藝先進、地層適應(yīng)性強等優(yōu)點，成為地鐵隧道施工的主流方法。而在實際地鐵施工中由于線路周圍往往存在既有建(構(gòu))筑物，常出現(xiàn)小凈距疊交情況。小凈距疊交隧道施工影響較為復(fù)雜，目前國內(nèi)外學(xué)者從理論分析及數(shù)值計算2方面對此問題進行了大量研究。文獻[1]根據(jù)開挖引起的地層損失提出符合正態(tài)分布的地表橫向沉降計算公式。文獻[2-4]對Peck公式進行了深入研究。文獻[5]針對新建隧道近距離下穿既有地鐵進行了施工方案優(yōu)化研究。文獻[6]對上海地鐵疊交盾構(gòu)隧道施工過程進行了有限元分析，研究了隧道相對位置及間距對既有結(jié)構(gòu)的影響。文獻[7]采用FLAC 3D軟件對地鐵區(qū)間隧道下穿橋群施工進行了計算分析，提出了控制措施。文獻[8]通過對疊交隧道的計算分析，發(fā)現(xiàn)最大地表沉降值與盾構(gòu)機開挖面位置有關(guān)。

針對小凈距盾構(gòu)隧道穿越施工問題，國內(nèi)外多針對正交形式開展研究，對斜交形式研究不多。本文以無錫地鐵3號線出入段隧道斜交上穿地鐵3號線長江路站—機場站區(qū)間隧道及既有電力隧道為工程背景，采用三維有限差分軟件進行數(shù)值模擬，分析不同施工順序?qū)Φ乇沓两导八淼澜Y(jié)構(gòu)豎向變形的影響。

1 工程概況

無錫地鐵3號線出入段隧道起訖里程為CDK0+109.600—CDK1+202.444，于CDK0+462.700處上穿3號線長江路站—機場站區(qū)間(以下簡稱長機區(qū)間)右線隧道，隧道外徑6.2 m，管片設(shè)計為厚0.35 m寬1.2 m 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，疊交段埋深約21.0 m。在這一范圍內(nèi)同時下穿一既有高壓電力隧道，疊交區(qū)域平面位置關(guān)系如圖1所示。3號線出入段左、右線隧道與3號線長機區(qū)間右線隧道管片的垂直凈距分別為1.68 m 和1.99 m。

圖1 疊交區(qū)域平面位置關(guān)系

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型和計算參數(shù)

采用FLAC 3D 5.0有限差分軟件建立計算模型，根據(jù)《隧道力學(xué)》[9]中關(guān)于邊界效應(yīng)的闡述，模型計算邊界至隧道中線取3倍洞徑以上。模型尺寸取90 m(x方向)×96 m(y方向)×43 m(z方向)，模型頂面為自由邊界，其余5個面均施加法向約束。土體、管片、注漿層、盾構(gòu)機殼均采用八節(jié)點實體單元模擬。計算模型及區(qū)間隧道與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖2所示。計算中土層采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，既有電力隧道結(jié)構(gòu)、管片及盾殼采用彈性模型。根據(jù)地勘資料及現(xiàn)行規(guī)范[10-11]確定材料的物理力學(xué)指標，見表1。

圖2 計算模型及隧道與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

2.2 計算過程及工況

采用動態(tài)變剛度法實現(xiàn)盾構(gòu)開挖過程，盾構(gòu)機長7.2 m，每次推進1.2 m，管片拼裝距開挖面6 m，同步注漿層在管片脫出后激活，向前推進直至貫通。首先施工上方電力隧道并作為既有結(jié)構(gòu)。設(shè)計2種工況：工況1，先開挖下部長機區(qū)間隧道后開挖上部出入段隧道；工況2，先開挖上部出入段隧道后開挖下部長機區(qū)間隧道。

表1 土層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能指標

2.3 土倉壓力設(shè)定

對于盾構(gòu)開挖而言，土倉壓力對地層穩(wěn)定至關(guān)重要。其大小與隧道埋深密切相關(guān)。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[10]中深、淺埋隧道分界的臨界深度H計算公式為

H=(2.0-2.5)ha

(1)

式中：ha為隧道塌方體平均高度，取0.45×2S-1×ω，S為圍巖級別，ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)，B為隧道寬度，i為B每增減1 m 時圍巖壓力增減率，i取0.1。

計算得臨界埋深為32.26～40.32 m，因此本工程屬淺埋隧道。取土倉壓力為靜止土壓力σx。在深度h處土體豎向自重應(yīng)力σz與靜止土壓力σx計算公式為

σz=γh

(2)

σx=Kσz=Kγh

(3)

式中：γ為土體重度;K為側(cè)向土壓力系數(shù)，K=ν/(1-ν)，ν為土體的泊松比。

由式(2)、式(3)計算得長機區(qū)間隧道靜止土壓力為0.18 MPa，出入段隧道靜止土壓力為0.15 MPa。管片從盾尾脫出后，需對管片與土層的環(huán)狀間隙進行同步注漿，以控制地層沉降。注漿壓力取對應(yīng)的靜止土壓力。

2.4 計算結(jié)果與分析

2.4.1 地表沉降

沿著x方向布置2個地表沉降監(jiān)測斷面，參見圖2(a)。2種工況不同階段的地表沉降曲線見圖3。由圖3(a)和圖3(b)可知:由于監(jiān)測斷面1處先開挖，斷面1處地表沉降比斷面2處大，工況1施工過程中3個 階段監(jiān)測斷面1處最大地表沉降分別為6.12，8.04，9.33 mm，且地表沉降槽中心隨開挖的進行會發(fā)生移動，總體上隨隧道中心線變化。由圖3(c)和圖3(d)可知：工況2地表沉降規(guī)律與工況1類似，3個 階段監(jiān)測斷面1最大地表沉降分別為6.5，7.9，13.1 mm，最大地表沉降明顯大于工況1，工況2最大地表沉降比工況1高出40%。

圖3 2種工況不同階段地表沉降曲線

圖4 2種工況隧道結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

2.4.2 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

2種工況隧道結(jié)構(gòu)豎向變形云圖見圖4?？芍汗r2隧道結(jié)構(gòu)豎向變形比工況1大。工況1隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為23.0 mm，出現(xiàn)在長機區(qū)間右線隧道拱頂處；工況2隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形為33.8 mm，與工況1相比增大47%，出現(xiàn)在長機區(qū)間右線隧道拱頂和出入段右線隧道拱頂。2種工況下既有電力隧道變形量均不大，分別為6.8，9.9 mm。規(guī)范[12]中隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形允許值為30 mm。工況2隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形已超過允許值12%。

3 現(xiàn)場施工建議措施

根據(jù)上述2種工況地表沉降及隧道結(jié)構(gòu)豎向變形計算結(jié)果，建議選取工況1作為小凈距疊交隧道的合理施工順序。另外在疊交段施工過程中，應(yīng)嚴格控制盾構(gòu)機掘進速度，并保持盾構(gòu)土倉壓力穩(wěn)定，嚴格控制同步注漿量及注漿壓力。為避免疊交段隧道結(jié)構(gòu)變形超限，可在疊交段先期施工的長機區(qū)間右線隧道內(nèi)部設(shè)置臨時鋼支撐，防止其出現(xiàn)較大的拱頂沉降，同時應(yīng)做好監(jiān)控量測工作，加密監(jiān)測點并提高監(jiān)測頻率。

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本文建議，隧道采用先下部后上部的施工順序，于2017年11月27日全部貫通。施工期間疊交段共設(shè)70個地表沉降監(jiān)測點，隧道內(nèi)共布設(shè)5個監(jiān)測斷面。疊交段最大地表沉降7.84 mm，既有電力隧道拱頂最大沉降6.17 mm，長機區(qū)間右線隧道拱頂最大沉降16.00 mm，地表沉降與隧道拱頂沉降實測值與工況1數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，但數(shù)值模擬結(jié)果偏大，具有一定安全儲備。

5 結(jié)論

1)土倉壓力對軟土地層小凈距疊交盾構(gòu)隧道施工影響顯著，土倉壓力應(yīng)嚴格控制。應(yīng)根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范確定臨界埋深。本工程為淺埋隧道，土倉壓力設(shè)定為靜止土壓力。

2)工況1地表最大沉降9.33 mm，隧道最大豎向變形23.0 mm;工況2地表最大沉降13.10 mm，隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形33.8 mm。工況2地表沉降及隧道結(jié)構(gòu)豎向變形較工況1分別提高40%和47%。工況2隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形超過規(guī)范允許值12%。從控制地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)豎向變形來看，建議采用先下后上施工順序?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與模擬計算結(jié)果比較吻合。