任爱媛
北京广得安工程有限责任公司 100060
摘要:
以某地铁工程为应用背景，利用有限元软件数值计算模型和实测数据，研究了盾构隧道施工对城市快速路隧道的影响规律。数值计算结果表明:富水地层中盾构下穿城市快速路隧道时，结构处于安全状态。现场实测数据分析表明:盾构掘进引起的实测沉降，其横断面沉降呈漏斗型，与Peck公式形态相似;双线掘进引起结构沉降最大值位置由单线隧道中心位置向双隧道中心位置偏移;三轴搅拌桩预先加固有效提高了结构的抗变形能力。
关键词:盾构;城市快速路隧道;粉砂地层;数值模拟;影响分析
随着我国经济的快速增长，城市的规模和人口密度越来越大，交通问题也日益突出，地铁凭借其独特的优势成为解决城市交通难题的有效方式之一。盾构法因施工方便、自动化程度高、节省人力、对地面交通干扰小等优势，近些年被广泛应用于地铁工程建设中。受城市复杂环境及自身工法制约，盾构施工面临众多交叉穿越既有建筑物、隧道、市政管线等问题，成为工程建设的难点，其引起的沉降受到外界日益关注，成为很多学者研究的热点。
虽然现有的关于盾构隧道穿越各类建构筑物的研究成果较多，但是针对常州地层特点的相关研究还较少。本文以A市地铁工程为应用背景，利用有限元软件建立数值计算模型，模拟1号线市民广场站—奥体中心站区间盾构隧道下穿龙城大道地下通道，结合工程实测数据分析，研究盾构隧道施工对城市快速路隧道的影响规律。
1.工程背景
1．1工程概况
A市地铁1号线市民广场站—奥体中心站盾构区间采用泥水盾构施工。盾构区间与龙城大道地下通道的位置关系如图1所示。管环由6块管片组成，外径为6．2m，环宽为1．2m，管片厚0.35m。
盾构下穿的城市快速路隧道为明挖矩形通道，双向六车道地道，全长约1666m，采用单箱双室矩形框架结构，标准段结构净宽28．4m，结构净高为6．15m，底板埋深约12m。由于城市快速路隧道先于地铁建设，考虑后期盾构掘进施工的难度，在城市快速路隧道基坑底采用三轴搅拌桩满堂加固，加固深度3m，并于底板上预留了注浆管，控制风险。
地铁1号线市民广场站—奥体中心站区间左线、右线隧道中心线间距13m。地铁线路与龙城大道地下通道路线斜交，交角为71°。下穿处地铁隧道拱顶覆土15．0～16．2m，隧道顶距通道底最小竖向净距约3．4m。
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1．2地质情况
根据勘察资料，盾构区间下穿龙城大道地下通道处地层从上至下依次为①填土、③－2
黏土、③－3粉质黏土、⑤－2粉砂、⑥－2粉质黏土、⑥－3黏土、⑥－4粉质黏土、⑧－2粉砂。各土层物理力学参数见表1。
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2.数值模拟分析
2．1数值模型建立
根据地铁隧道和龙城大道地下通道的空间位置关系，建立三维数值模拟计算模型。为确保计算结果的准确性，减小边界条件的影响，采用有限元软件建立地铁隧道方向300m、龙城大道地下通道方向150m、深度41m的模型，如图2所示。模型边界条件底部竖向约束，左右侧、前后侧水平约束。
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土体采用实体单元，采用Mohr-Coulomb模型;龙城大道地下通道、隧道管片为弹性模型。隧道管片采用C50混凝土，地下通道采用C35混凝土。土层参数见表1。
数值模拟主要分为以下几步:围岩自重应力场的模拟;模型位移清零;盾构隧道开挖，施加盾构管片;模型运算，计算至平衡状态。
2．2计算结果分析
盾构掘进引起的土体位移如图3，下穿地下通道时，地下通道结构竖向变形如图4所示。
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由图3、图4可知，盾构掘进时引起土体变形，盾构隧道中心线地表沉降最大，随着与盾构隧道中心线距离的增大，土体变形逐渐变小，呈漏斗型。隧道左线先掘进施工，盾构掘进引起地表沉降约为6．2mm;隧道右线掘进时，地表沉降量增大，最大达到7．25mm。
当左线隧道盾构掘进通过龙城大道地下通道结构后，结构沉降约为4．65mm;右线隧道掘进通过后，结构沉降为5．5mm。盾构隧道的施工会使地下隧道结构内力产生变化，最大主应力为0.066MPa，最小主应力为0.0034MPa，变化值较小，结构不会出现开裂，满足结构的安全要求。
3.工程实例分析
A市地铁1号线下穿地下通道施工时，按照数值模拟计算结果指导施工。进行1号线盾构施工时，地下通道已建成运营，如图5所示。
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图5地下通道运营实景图
在地下通道建设时，结构底板以下3m深度范围内，采用三轴搅拌桩进行加固。同时，在底板底部预埋注浆管，为盾构预留穿越条件。在进行盾构管片设计时，穿越构筑物段采用增设预埋注浆孔管片，盾构掘进过程中多点同步注浆，且与盾构推进速度保持一致。盾构过程中，掘进速度控制在40～60mm/min，盾构推力控制在5000～13000kN，刀盘扭矩控制在2500kN·m以内。对管片、龙城大道地下通道及地表变形布设监测点，隧道开挖过程中对监测点实时测量，结果如图6所示。
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图6中，一般地段为距离地下通道中心约100m位置处断面，下穿地段为地下通道中心断面。由图6可知，盾构掘进引起的沉降呈漏斗型。对于一般地段，左线掘进完成时，地表沉降最大为7．54mm，约为数值计算结果的1．2倍，位于左线隧道中心附近;双线掘进完成时，地表沉降量变大，约为10．15mm，约为数值计算值的1．4倍，最大值位置发生偏移，接近两隧道中心位置。由此可见，由于盾构掘进的速度与同步注浆的原因，使实测值比计算值大。
对于穿越地段，盾构掘进引起的沉降比一般地段小。当左线掘进完成时，结构沉降最大为5.14mm，约为数值计算结果的1．1倍;双线掘进完成时，地表沉降量变大，约为5．48mm，接近计算值，最大值位置向两隧道中心位置发生偏移，但是偏移的程度比一般地段小。这说明盾构二次下穿地下通道引起的附加沉降量较小，主要原因是，地下通道底板底部满堂加固的三轴搅拌桩有效提高了土体的强度和抗变形能力，使得盾构穿越地下通道安全性显著增大。
结束语：
本文以A市地铁1号线工程为应用背景，利用有限元软件建立数值计算模型，模拟粉砂地层盾构隧道下穿城市快速路隧道，结合工程实测数据分析，研究了盾构隧道施工对城市快速路隧道的影响规律，主要结论如下:
1)数值计算结果表明，富水地层中盾构下穿城市快速路隧道时，结构沉降较小，结构处于安全状态。
2)盾构掘进引起的实测沉降，横断面沉降呈漏斗型，与Peck公式形态相似;单线盾构穿越城市快速路隧道引起的沉降仅为5．14mm，显著小于盾构在一般地段引起的地表沉降;双线掘进完成时，结构沉降最大值约为5．48mm，接近计算值，最大值位置向两隧道中心位置发生偏移，但是偏移的程度比一般地段小，盾构二次下穿城市快速路隧道引起的附加沉降量较小。
3)在富水地层，盾构下穿类似建构筑物时，可采用三轴搅拌桩提前加固，提高结构基底整体刚度，使得结构有足够的抵御部分沉降变形的能力。
参考文献：
［1］谢雄耀，张永来，周彪，等．盾构隧道下穿老旧建筑物群微沉降控制技术研究［J］．岩土工程学报，2019，41(10):1781－1789．
［2］杨成永，马文辉，彭华，等．地铁双线盾构近距下穿盾构隧道施工沉降控制［J］．地道工程学报，2018(7):91－98．
［3］杨俊龙，门燕青，廖少明，等．大直径盾构浅覆土下穿铁路桥涵的影响分析及施工控制［J］．上海交通大学学报(自然版)，2019，53(3):297－304．
［4］石杰红，史聪灵，刘晶晶．双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究［J］．中国安全生产科学技术，2019，15(8):113－117