道路隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵隧道的影響研究

道路隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵隧道的影響研究

1號(hào)線西動(dòng)區(qū)間北京的高梁橋街從南車公莊街開(kāi)始，從廣告街到北京西路和高梁橋街。建設(shè)項(xiàng)目的目標(biāo)是改善西直門地區(qū)的交通狀況。其地下段將下穿地鐵四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間(見(jiàn)圖1),擬采用盾構(gòu)施工。四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間上跨展西路盾構(gòu)段為單線雙洞馬蹄形斷面,由于展西路盾構(gòu)段斷面較大、城市中地層環(huán)境復(fù)雜、地表變形控制要求極其嚴(yán)格,為保證展西路施工期間四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間運(yùn)營(yíng)安全,需采取相應(yīng)措施達(dá)到此目的。為此,本文對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中地鐵隧道及盾構(gòu)隧道的位移和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析,對(duì)地層加固措施及其效果進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算結(jié)果可作為同類工程的參考依據(jù)。2ll3單元的模擬采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維開(kāi)挖分析。有限元計(jì)算范圍為長(zhǎng)96m、寬60m、高80m的三維模型,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的網(wǎng)格如圖2所示,共有30704個(gè)單元,35037個(gè)節(jié)點(diǎn),除盾殼單元用Shell63單元模擬外,其余單元用的是Solid45三維8節(jié)點(diǎn)等參單元。盾構(gòu)外徑為12.5m,盾殼厚度取為10cm,兩條盾構(gòu)隧道線間凈距為12.5m,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂距四號(hào)線區(qū)間隧道凈距為8.75m。四號(hào)線西動(dòng)區(qū)間上跨展西路盾構(gòu)段為單線雙洞馬蹄形斷面,初期支護(hù)厚度0.3m,二襯厚度0.5m。四號(hào)線隧道下部地層進(jìn)行了加固設(shè)計(jì),其加固范圍為自四號(hào)線初支結(jié)構(gòu)底板向下對(duì)展西路盾構(gòu)段與四號(hào)線之間土體進(jìn)行水泥漿加固。新隧道和既有隧道位置及地層加固范圍如圖1所示。計(jì)算模型約束條件為左右兩側(cè),前后兩側(cè)施加水平方向的單向約束,下側(cè)施加豎直方向的單向約束,上側(cè)為自由端,也就是地面。施加荷載為重力荷載。3計(jì)算參數(shù)和計(jì)算條件3.1材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及相應(yīng)的規(guī)范,計(jì)算中采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。3.2縱向連接(1)假設(shè)地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布。(2)計(jì)算中不考慮襯砌管片分塊之間的橫向連接及各管片環(huán)之間的縱向連接。(3)計(jì)算時(shí)在盾構(gòu)作業(yè)開(kāi)挖面處施加P=1MPa的推力,以模擬切削刀盤變化的推進(jìn)力效應(yīng)。(4)盾構(gòu)每推進(jìn)步長(zhǎng)為3m。(5)采用不同特性材料模擬盾尾空隙,以反映注漿材料各齡期的不同強(qiáng)度。(6)對(duì)受施工擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的土體參數(shù)進(jìn)行了不同程度的折減,并考慮了注漿初期強(qiáng)度和盾尾空隙來(lái)綜合反映盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生的地層損失。3.3開(kāi)挖步及開(kāi)挖土體單元(1)為了簡(jiǎn)化計(jì)算,縮短計(jì)算時(shí)間,上層隧道采用全斷面一次性開(kāi)挖模擬,并且一次性做好襯砌的方法,即先計(jì)算初始靜力場(chǎng),然后全斷面(全長(zhǎng))開(kāi)挖,然后再修筑襯砌的過(guò)程。(2)下層隧道先開(kāi)挖左線,再開(kāi)挖右線,并且兩條同方向進(jìn)行開(kāi)挖,每次開(kāi)挖進(jìn)尺為3m,每條線開(kāi)挖需20個(gè)開(kāi)挖步,左右線共需40個(gè)開(kāi)挖步。(3)由于盾構(gòu)開(kāi)挖,管片是處于盾殼的保護(hù)下拼裝完畢的,所以本次模擬開(kāi)始需要先模擬盾殼支護(hù)的作用,即改變材料為鋼殼材料;同時(shí)開(kāi)挖工作平面上施加壓力P來(lái)模擬盾構(gòu)的推進(jìn)力,然后進(jìn)行開(kāi)挖,開(kāi)挖部分為管片和管片內(nèi)部所在的土體,ANSYS軟件是通過(guò)殺死所要開(kāi)挖土體所在單元的方法,也就是對(duì)所挖土體的單元的剛度條件以“活化減退”來(lái)模擬,即通過(guò)降低這些單元的彈性模量為一很小的量,來(lái)模擬出盾構(gòu)工作平面的推進(jìn)。(4)當(dāng)盾構(gòu)向前行進(jìn)的時(shí)候,盾殼抽出向前,而此時(shí)盾尾處的管片會(huì)露出來(lái),而此時(shí)需要對(duì)盾尾留出的空隙進(jìn)行注漿填充,以防止上部隧道沉降,此步需要重新激活被殺死的管片單元,并且改變此部分單元的材料為混凝土材料,也同時(shí)需要改變盾尾空隙的材料為填充材料。3.4土體加固模擬為了明確注漿加固的效果,對(duì)該工程進(jìn)行三種不同的工況計(jì)算分析。對(duì)加固范圍內(nèi)的土體取不同的參數(shù)以模擬加固過(guò)程,地層加固參數(shù)見(jiàn)表1。工況一:對(duì)土體未進(jìn)行任何加固措施,土體參數(shù)按原始地層選取。工況二:對(duì)土層進(jìn)行加固,具體加固后的參數(shù)見(jiàn)表1中注漿加固層一。工況三:對(duì)土層進(jìn)行加固,具體加固后的參數(shù)見(jiàn)表1中注漿加固層二。4圍巖應(yīng)力分析為便于分析,選取上層隧道5個(gè)斷面,每個(gè)斷面相距12.5m,如圖3所示。圖4～圖7為2號(hào)截面在三種工況下產(chǎn)生的最大主應(yīng)力及位移隨開(kāi)挖步變化的關(guān)系曲線。其他截面也有相同的規(guī)律,限于篇幅未給出圖形。由圖及分析可知,在三種工況下,各條曲線的變化趨勢(shì)是基本相同的,但是在加固地層后的反應(yīng)均有所減小。表2給出了2號(hào)截面應(yīng)力及位移最大值及下降幅度。限于篇幅未給出其他截面的情況。通過(guò)以上圖表可以看出,地層加固前,既有隧道2號(hào)截面的第一主應(yīng)力達(dá)到了3.31MPa,發(fā)生在右線左側(cè)拱腳,第三主應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱腰內(nèi)側(cè),達(dá)到了-7.86MPa,4號(hào)截面的最大拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力分別為3.83MPa和-8.10MPa;既有隧道最大豎向位移和最大水平位移在整個(gè)兩條線的開(kāi)挖過(guò)程中是一直增加的,其中豎向沉降值達(dá)到了42.3mm,水平位移也達(dá)到了18.9mm。根據(jù)四號(hào)線設(shè)計(jì)的要求,在展西路盾構(gòu)施工時(shí)四號(hào)線的沉降變形值及水平距離變形值宜控制在10mm,這樣過(guò)大的位移值要求必須進(jìn)行地層加固。分析中可以看出,下層隧道開(kāi)挖對(duì)于上層既有隧道的影響范圍主要位于下層隧道的正上方及中間部分,并且在沿隧道縱向50m左右范圍內(nèi)是影響范圍較大的。地層加固后,在工況二的情況下,除水平位移外,主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力以及豎向位移相比工況一已經(jīng)有了顯著的下降,在工況三的情況下,水平位移也有了明顯的下降。其中主拉應(yīng)力下降最大幅度達(dá)到79.7%,主壓應(yīng)力最大下降幅度為48.7%,豎向位移最大下降幅度為62.7%,水平位移最大下降幅度為56.7%。說(shuō)明加固土體對(duì)于減小盾構(gòu)開(kāi)挖所引起的既有隧道的反應(yīng)是有顯著的作用的。在工況三的情況下,結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力下降到了1.25MPa,這樣就有效地阻止了混凝土裂縫的產(chǎn)生。另外既有隧道的豎向沉降最大值仍有16.7mm,要在盾構(gòu)施工通過(guò)交叉段的過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)以減小既有隧道的沉降。5地層對(duì)隧道應(yīng)力和位移的影響通過(guò)以上分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)在未對(duì)地層進(jìn)行加固的情況下,下層隧道盾構(gòu)施工引起既有隧道的最大變形超出了限定值。對(duì)地層進(jìn)行加固后,既有隧道應(yīng)力和位移都有較大幅度的下降,說(shuō)明加固土體對(duì)于減小盾構(gòu)開(kāi)挖所引起的既有