浅埋暗挖隧道穿越既有地铁加固方案优化分析

浅埋暗挖隧道穿越既有地铁车站加固方案优化分析马永峰 (中石油华东勘察设计研究院，山东 青岛 266071)摘要：主要针对越来越多的浅埋暗挖隧道近距离下穿越既有地铁工程，结合某地铁车站下穿既有地铁车站区间隧道工程，为控制新建隧道施工引起的既有地铁车站沉降变形，采取土体加固控制措施，对不同加固方案下既有地铁变形进行了优化分析。研究结论可为类似工程提供借鉴与参考。关键词：浅埋暗挖；穿越；既有车站；加固方案；优化分析 中图分类号：O 319.56 文献标识码：A 文章编号：Optimal analysis of reinforcement scheme on shallow embedded tunnel constructioned beneath existing subway stationMA Yongfeng(East China Design Institute of CNPC，Qingdao，Shandong 266071，China)Abstract：With respect to more and more shallow embedded tunnel constructed beneath existing subway tunnel, the effects of shallow embedded tunnel construction on existing subway tunnel are discussed. Combined with the engineering practice of one metro line constructed beneath existing metro line, measures of soil reinforcement have been taken to control the deformation of the existing tunnel. And optimal analysis of different reinforcement schemes, which are about different reinforcement zone, is done. Some conclusions have been drawn. The experience and conclusions presented can be referred in the design, construction and site monitoring of similar projects.Key words：shallow embedded；crossing；existing tunnel；reinforcement scheme；optimal analysis5 / 51 引 言随着城市地铁建设速度的加快以及地下空间开发力度的加大，新建地铁隧道近距既有地铁施工的情况日益增多14。然而，新建浅埋暗挖隧道的施工不可避免要引起邻近既有地铁隧道结构和轨道结构的变形和内力增加，超过其承受能力或允许值时，就可能引起结构破坏，甚至危及列车运营安全；此外，由于隧道结构和轨道结构的变形，还可能导致净空限界不足而影响列车运营安全。因此，新建浅埋暗挖隧道近距下船既有地铁隧道施工时，必须根据既有地铁的保护要求，采取科学的方案和有效措施以减小新建隧道周围土体和既有地铁结构的变形，确保既有地铁的安全运营。主要针对越来越多的浅埋暗挖隧道近距离下穿越既有地铁工程，结合某地铁车站下穿既有地铁车站区间隧道工程，为控制新建隧道施工引起的既有地铁车站沉降变形，采取土体加固控制措施，对不同加固方案下既有地铁变形进行了优化分析。研究结论可为类似工程提供借鉴与参考。2 工程概况依托工程为穿越既有地铁车站的暗挖隧道工程，两站成“十”字交叉。既有线为地下两层端厅式车站，南、北两端为明挖两层站厅，底板埋深16.6m；中部为单层三连拱暗挖段，长28.54m，断面总宽度221.m，总高度9.9m，顶部覆土厚度约7.5m。既有线车站暗挖段预留了新线下穿的条件，即底板为厚度1.1m平板，底纵梁尺寸1.32.5m，底板纵向分布钢筋加强。新建车站需在既有线暗挖段下方穿越既有线车站，两车站结构净距0.15m，位置关系分别见图1。场地内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪晚更新世冲洪积层三大类，不同土层物理力学参数见表1。表1 岩土物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters of soil编号名称c(kPa)()Es（MPa）1填土0-2-1粉细砂020123卵石035354卵石040434-1粉质粘土5916.8104-2细中砂035225卵石045505-1粘质粉土5115.711.55-2细中砂03533 (a) 纵剖面 (b) 横断面图1 穿越隧道与既有车站位置图Fig.1 Longitudinal plan of the embedded and existing tunnel 3 数值分析模型3.1 数值分析模型根据地质纵剖面图、暗挖隧道与既有车站相对位置关系建立数值模型。模型横向两侧各留约3倍洞径，纵向取至两侧明挖竖井，整体模型宽80 m，长35 m，高41.5 m。不同土层厚度做了适当简化，地层采用实体单元、摩尔材料模拟，既有车站采用实体单元、线弹性材料模拟，暗挖隧道初期支护采用壳（shell）单元、线弹性材料模拟。浅埋暗挖隧道设计支护参数为：初期支护厚度0.35m、格栅钢架间距0.5m及二次衬砌厚度0.6m。(a) 俯视图(b) 正视图图2 三维数值分析模型Fig.2 3D numerical model 3.2 施工工序新线暗挖隧道开挖面宽度10.1m，开挖面高度9.3m，面积77.7m2，两洞间净距3.65m。开挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分六次开挖，平均每次开挖暴露掌子面面积12.95m2。每次开挖进尺按0.5m控制，开挖分部间纵向步长不小于5m。图3 施工工序示意图Fig.3 Construction procedure 3.3 加固工况为控制既有地铁车展的沉降变形，对暗挖隧道的地层进行注浆加固。图4 全断面注浆加固图Fig.4 Place of grouting reinforcement加固体参数取值说明：设计加固体无侧限抗压强度1.0 MPa，根据不同标号混凝土弹性模量与抗压强度关系、弹性模量与抗拉强度关系进行拟合插值，得出加固体弹性模量为1.18GPa，抗拉强度95KPa，结合经验，加固体初始参数弹性模量1.18GPa，泊松比0.3，内摩擦角50（砂卵石地层可达40以上，取值大于砂卵石地层），粘聚力95KPa（参照抗拉强度）。计算模拟时考虑一定的安全系数，根据初始参数进行不同比例折减。工况1：加固范围（图5）为隧道两侧和下部各1.5m，加固参数根据无侧限抗压强度1MPa插值取定后取0.2折减；工况2：加固体只取上台阶部分注浆圈和核心土，加固参数根据无侧限抗压强度1MPa插值取定后取0.2折减；工况3：加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土，加固参数根据无侧限抗压强度1MPa插值取定后取0.2折减。4 计算结果与分析4.1 既有隧道变形随开挖步变化不同加固方案下浅埋暗挖隧道开挖引起的各个监测点的既有地铁沉降变形基本一致，以中间点监测点5为例，既有隧道在不同加固方案变形情况如图5所示。由图5可知：相比于不加固下既有地铁车站变形量，3种加固方案都能较好地控制既有地铁车站的沉降变形，也能达到相关的控制标准。3种方案中，工况3加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土时，既有隧道沉降变形量最小，该方案下隧道变形的控制效果最好。图5 监测点4沉降变形Fig.5 Settlement of monitoring point 44.2 土体变形随开挖步变化(a)不加固(b)工况1(c)工况2(d)工况3图6 不同加固方案下土体沉随开挖步变化Fig.6 Soil settlement with different excavation steps under different reinforcement schemes不同加固方案下浅埋暗挖隧道开挖引起土体沉降槽随不同开挖步变化情况如图6所示，既有隧道在不同加固方案变形情况如图4所示。由图6可知：相比于不加固下既有地铁车站变形量，工况1和工况3都能较好地控制暗挖隧道开挖引起的土体沉降变形，而工况2对土体变形控制与不加固时相差不大，土体变形控制效果不好。此外，控制效果相对较好的工况1和工况3，2种方案中，工况3加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土除了对土体变形量的控制效果更好外，该方案能使得不同施工步下土体变形量差异较小，而工况1中左洞左导洞和右洞右导洞上台阶开挖引起的土体变形量较其它开挖步大很多。5 结 论通过有限元方法对新建隧道施工对既有地铁影响进行预测分析，并对不同加固方案进行优化分析，得出一些结论：(1) 既有地铁车站隧道变形值超过允许值，需控制地铁区间隧道沉降，数值分析表明，适当的暗挖隧道土体加固可控制既有地铁车站沉降变形。 (2) 综合比较分析，加固体取整个注浆圈和上台阶部分核心土的方案对土体及既有地铁车站的比沉降变形控制效果最好。参考文献(References)：1 王占生，张顶立. 浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术J.岩石力学与工程学报，2007，12(Supp.2):4208-4214.(WANG Zhansheng, ZHANG Dingli. Key techniques on shallow embedded tunnel constructioned beneath existing subway tunnel J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，12(Sup.2):4208-4214. (in Chinese)2 张成平，张顶立，吴介普，等. 暗挖地铁车展下穿既有地铁隧道施工控制J.中国铁道科学，2009，30(1):69-73.(ZHANG Chengping, ZHANG Dingli,WU Jiepu, etc. Construction Control of a Newly-Built Subway Station Undercrossing the Existing Subway Tunnel J.Chinese Railway Science，2009，30(1):69-73. (in Chinese)3 孔庆凯，刘化图.新建隧道穿越施工对既有双线地铁隧道的影响J. 地下空间与工程学报，2010，6(Supp.1):1448- 1451.(KONG Qingkai, LIU Huatu. Influence of new bored tunnel driven in close proximity on existing subway tunnelsJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6(Supp.1):1448- 1451. (in Chinese)4 李东海，刘 军，萧 岩，等. 盾构隧道斜交下穿地铁车展的影响与监测研究J.岩石力学与工程学报，2009，28(Supp.1):3186-3182.(LI Donghai, LIU Jun, XIAO Yan, etc. Research on influence and monitoring of shield tunnel obliquely crossing beneath existing subway station J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(Supp.1):3186-3182. (in Chinese)