彭沉彬 郭郅威 姜瑜 劉明高

1.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司，北京 100071；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082

1 工程概況

北京市東六環(huán)（京哈高速—潞苑北大街）入地改造工程線路全長約16.3 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h。全線分為直接加寬段和入地改造段。其中京津公路南至潞苑二街北區(qū)段為入地改造段，該段總長約9.2 km，以分離式隧道形式布置于六環(huán)路西側(cè)綠化帶內(nèi)。

擬建隧道結(jié)構(gòu)主體工程采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段全長7 346 m，兩端以明挖暗埋段（閉合框架結(jié)構(gòu)）及敞口段（U形槽結(jié)構(gòu)）與地面道路順接。盾構(gòu)段隧道設(shè)計(jì)為單圓斷面，襯砌外徑D=15.4 m，內(nèi)徑14.1 m，采用壁厚0.65 m、環(huán)寬2.0 m的單層平板式鋼筋混凝土通用楔形管片，以斜螺栓連接、錯縫拼裝成環(huán)。

擬建隧道穿越沿線眾多既有風(fēng)險源，包括道路9條、河道3處、鐵路及軌道交通3處、燃?xì)夤芫€與既有建筑物多處。

1.1 下穿既有地鐵6號線概況

擬建隧道與地鐵6號線的位置關(guān)系如圖1所示。擬建隧道在K9+730—K9+760段下穿地鐵6號線北運(yùn)河?xùn)|站—郝家府站區(qū)間。該區(qū)間屬地鐵6號線二期工程，于2014年12月28日正式開通運(yùn)營，采用8B編組，最高運(yùn)營時速100 km。北運(yùn)河?xùn)|站—郝家府站區(qū)間［1］長527.671 m，最大線路縱坡為22.36‰，最小縱坡為5.00‰，豎曲線半徑為5 000 m；左右線隧道結(jié)構(gòu)水平凈距為9 m，頂覆土埋深約9 m。該隧道采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度t=0.3 m，環(huán)寬1.2 m，分塊數(shù)6塊，采用錯縫拼裝；管片為C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級P10；管片連接螺栓為C級M24，性能等級5.6級。

圖1 擬建隧道與地鐵6號線位置關(guān)系

擬建隧道頂距離地鐵6號線區(qū)間盾構(gòu)結(jié)構(gòu)底約20.5 m（1.3D），平面夾角約83°。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地處于北京市通州區(qū)東部，該區(qū)域大部分位于潮白河、溫榆河近代沖積平原，地形地貌較簡單，地勢較平坦，場地標(biāo)高19.85~26.08 m，地面坡度小于8°，其上部均有較厚的新近沉積土層，以粉土及黏性土交互層為主，下部為粉砂層。地層分人工堆積層（素填土）和第四紀(jì)沉積層。根據(jù)勘察資料［2］，穿越段盾構(gòu)隧道頂部地層為填土、粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂層；擬建隧道位于細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土層［參見圖1（b）］。

①素填土。褐黃色，稍濕～飽和，稍松～中密，以亞黏土、亞砂土、細(xì)砂為主，含有少量磚渣、灰渣，局部頂層為雜填土。厚度1.20~8.60 m。

②層粉、細(xì)砂。褐黃色、灰色，灰黑色，中密～密實(shí)，潮濕～飽和。標(biāo)高6 m以上，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)較低，礫砂及卵石含量較少，密實(shí)度較差，為中密；標(biāo)高6 m以下，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)較高，礫砂及卵石含量較多，密實(shí)度較好，為密實(shí)。成分由石英、長石組成，夾有②?1亞黏土層。層厚21.20~37.40 m。

②?1亞黏土?；疑?，飽和，軟塑～硬塑，含有云母、有機(jī)質(zhì)、姜石，局部夾有亞砂土層。層厚1.60~9.40 m。

③亞黏土?；疑?，飽和，硬塑，含有云母、有機(jī)質(zhì)、姜石，局部夾有亞砂土層。層厚4.40~10.00 m。

③?1細(xì)砂?；疑忻堋軐?shí)，飽和，由石英、長石組成，含有云母。層厚2.20~6.20 m。

④細(xì)、中砂?；疑?，密實(shí)，飽和，由石英、長石組成，含有云母、礫砂、卵石。層厚5.50~8.00 m。

⑤礫砂。雜色，密實(shí)，飽和，由石英、長石組成，含有卵石、中砂，卵石最大粒徑2~4 cm，卵石成分以火成巖為主，亞圓形。鉆至深度60.00 m時仍為此層。

參考DB 11/1067—2014《城市軌道交通土建工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險評估規(guī)范》，盾構(gòu)下穿該地鐵6號線區(qū)間段，環(huán)境風(fēng)險等級為特級。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定

1）假定盾構(gòu)掘進(jìn)過程中周圍的土體相對靜止，盾構(gòu)每次向前推進(jìn)的長度取2 m，即1個管片單元。

2）考慮到盾構(gòu)的刀盤外徑大于盾構(gòu)機(jī)的外徑，在盾構(gòu)機(jī)外圍有一定厚度的間隙，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)并考慮工程實(shí)際情況，采用開挖后隧道應(yīng)力釋放來模擬空隙對沉降的影響，應(yīng)力釋放率取20%。

3）盾構(gòu)管片的拼接方式采用錯縫拼接，縱向剛度較大，因此不考慮管片接頭及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的影響。

2.2 模型建立

擬建隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，板單元厚度為0.65 m；既有地鐵6號線襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，板單元厚度為0.3 m。在有限元軟件MIDAS/GTS/NX中，模擬隧道結(jié)構(gòu)的板單元等效為各向同性彈性材料。考慮盾構(gòu)管片接頭的存在，對盾構(gòu)管片的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)取0.85，彈性模量取30 GPa。

模型將土體簡化為8層，均采用實(shí)體單元模擬，土體等效為各向同性材料，其本構(gòu)模型采用D?P模型。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況并參考以往施工經(jīng)驗(yàn)，三維計(jì)算模型上邊界取到地表，豎向取70 m，寬度取140 m（盾構(gòu)隧道兩側(cè)各3D），縱向取52 m（地鐵6號線兩側(cè)各取約3D）；地鐵6號線埋深約為9 m，擬建隧道埋深約為35 m。模型以左下角為原點(diǎn)，水平向右為x軸方向，沿隧道軸向向內(nèi)為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向，整個模型在x、y、z方向大小分別為140、60、70 m。模型共劃分網(wǎng)格單元406 691個，節(jié)點(diǎn)72 704個。

有限元模型上表面為地表自由面，不設(shè)置約束，側(cè)面施加水平約束，底部施加豎向約束。模型網(wǎng)格劃分采用自動劃分四面體網(wǎng)格。豎直方向應(yīng)力按土層自重應(yīng)力，水平方向應(yīng)力按照自重應(yīng)力的側(cè)壓力系數(shù)換算。

2.3 數(shù)值模擬步驟

模型初始平衡后，6號線襯砌在初始階段激活，開始進(jìn)行擬建盾構(gòu)隧道的開挖。采用動態(tài)模擬，具體過程為：凍結(jié)需要開挖的土體單元，模擬盾構(gòu)開挖；激活相應(yīng)的管片單元，模擬管片襯砌。通過凍結(jié)開挖土體、激活管片單元模擬盾構(gòu)機(jī)開挖過程、盾構(gòu)管片拼裝等關(guān)鍵步驟，相同步驟多次循環(huán)進(jìn)行直到隧道貫通。由北向南掘進(jìn)，2 m為1個開挖步，兩條隧道掘進(jìn)共分為52個開挖步。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

模型中地表最大沉降處對應(yīng)的橫向沉降槽曲線見圖2?？芍?，地表最大沉降為3.19 mm，橫向沉降槽約為雙線隧道各自中軸線兩側(cè)各30 m范圍，且沉降較大范圍主要集中在雙線隧道各自中軸線兩側(cè)20 m范圍內(nèi)。

圖2 地表最大沉降處的橫向沉降槽曲線（單位：m）

地鐵6號線襯砌橫向沉降槽曲線見圖3?？芍?，盾構(gòu)隧道開挖過程中，地鐵6號線區(qū)間隧道頂部產(chǎn)生一定沉降，右線最大沉降為3.07 mm，左線最大沉降為2.82 mm，均滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)變形控制要求。

圖3 地鐵6號線襯砌橫向沉降槽曲線（單位：m）

3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，開挖過程中擬建隧道周邊沒有出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)。

綜上，擬建隧道下穿地鐵6號線施工過程中，地表沉降及6號線襯砌結(jié)構(gòu)沉降均在變形控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)且影響不大。

4 工程控制措施

4.1 設(shè)計(jì)原則

1）盾構(gòu)法施工地下工程要嚴(yán)格控制施工中引起的地面沉降量。對建筑物允許產(chǎn)生的沉降量和次應(yīng)力，應(yīng)根據(jù)不同建筑物按有關(guān)規(guī)程、規(guī)范及要求予以驗(yàn)算。

2）通過工程類比、數(shù)值模擬、解析法等分析并制定合理的控制指標(biāo)。

3）加固設(shè)計(jì)采取地面與地下相結(jié)合的原則。

4）采用信息化設(shè)計(jì)和施工方法，并建立相應(yīng)的監(jiān)控量測和信息反饋制度。

4.2 位移控制指標(biāo)及措施

根據(jù)相關(guān)安全性分析結(jié)論及GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》、DB 11/T 915—2012《穿越城市軌道交通設(shè)施檢測評估及監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范要求，提出下穿地鐵6號線位移控制標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 下穿地鐵6號線位移控制標(biāo)準(zhǔn)

借鑒國內(nèi)尤其是北京地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿軌道交通類似條件下的成功工程實(shí)踐［3-9］，在東六環(huán)改造項(xiàng)目擬建盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵6號線的工程中，主要采用以下控制措施。

1）在盾構(gòu)機(jī)穿越地鐵6號線前設(shè)置一定長度的試驗(yàn)段，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行全面試驗(yàn)與總結(jié)。同時做好監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，并取得原始數(shù)據(jù)。

2）盾構(gòu)隧道下穿地鐵6號線及其影響段采用加強(qiáng)管片配筋形式，預(yù)留管片應(yīng)急注漿孔。

3）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，及時調(diào)整泥水壓力，減小對土體的擾動，做到連續(xù)、均衡、平穩(wěn)推進(jìn)。

4）通過盾構(gòu)機(jī)殼體上的徑向預(yù)留孔向外側(cè)注入高濃度泥水材料及水玻璃漿液，盡可能多點(diǎn)同時注入以便及時填充開挖直徑和盾體之間的空隙。

5）盾構(gòu)施工注意控制掌子面壓力，及時填充開挖斷面和隧道的空隙，減少盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。選取快凝、早強(qiáng)、滲透好、止水性強(qiáng)的同步注漿材料，確保很好地起到填充、隔水作用。

6）管片脫離盾尾數(shù)環(huán)起，應(yīng)及時進(jìn)行二次補(bǔ)注漿及多次補(bǔ)注漿，注入量及注漿壓力由施工單位根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行控制。

7）合理進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整，應(yīng)當(dāng)采取勤糾偏、小糾偏方式，降低超挖量，合理排布管片，確保盾尾與管片的間隙均勻合理，避免間隙偏差過大造成漏水。

8）加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量控制。主要控制管片的縱向、環(huán)向錯臺，控制管片的橢圓度不超差，同時注意保護(hù)管片膠條的完整。

9）開展管片背后注漿填充效果監(jiān)測，注漿效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時應(yīng)及時補(bǔ)充注漿。

10）盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，加強(qiáng)地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)與軌道、地表等監(jiān)測，必要時進(jìn)行跟蹤注漿加固。

5 結(jié)論

1）擬建盾構(gòu)隧道下穿地鐵6號線時，地表沉降及6號線襯砌結(jié)構(gòu)沉降均在變形控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，且影響不大，安全風(fēng)險可控。

2）參照北京地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，擬建盾構(gòu)隧道通過設(shè)置試驗(yàn)段、加強(qiáng)中盾注漿、控制掘進(jìn)姿態(tài)、加強(qiáng)監(jiān)測、做好地鐵軌道防護(hù)等措施可大幅降低相關(guān)施工風(fēng)險。