当前,随着城市轨道交通的快速发展,城市地铁网不断扩大,新建地铁线路势必会对既有地下管线、隧道、桥桩以及邻近建筑物产生影响。其中新建地铁隧道穿越既有地铁线路是线路施工中较为常见的问题。
Burland和Sharma等将地下工程近接穿越方式划分为上穿、下穿和侧穿三种,并指出了各穿越方式的特点。杨宇恒等运用数值模拟方法,预测分析了穿越施工对既有隧道及周边环境的扰动。刘树佳等针对上海地铁11号线上下穿既有4号线的多线叠加复杂工况,建立三维弹塑性有限元模型,研究了新建隧道对既有线管片变形的影响。
方晓慧对交叉、并行、交叠隧道3种不同工况进行三维静力数值模拟,得到了既有隧道变形和结构内力的变化规律。周向阳等结合现场施工条件,发现隧道线内施加混凝土配重块能有效减小下部既有隧道的隆起变形。张书丰和杨世东等在隧道内增设土袋配重有效控制了施工期隧道的隆起变形等问题。季昌等发现随着盾构自重增大,抵抗隧道上浮的能力不断增强。
可见,现有研究对叠交隧道的近接施工分析大多未考虑盾构配重对施工的影响。本文结合工程实际,针对杭州地铁6号线近接上跨4号线而形成的四线叠交特殊工况,建立有限差分数值模型,分析考虑盾构配重工况下既有线的位移变形规律,研究盾构配重对既有线位移变形的控制效果,为今后类似工程提供施工参考。
工程概况
杭州地铁6号线中医药大学站~伟业路站区间盾构隧道从中医药大学站始发,于下穿东信大道、浙赣铁路后近接上跨地铁4号线隧道区间,新建6号线区间大致为西北-东西走向,全长1550m,采用盾构法施工,为双线单圆盾构,隧道内径5.5m,外径6.1m,注浆圈厚0.2m。
地铁6号线左右线隧道水平间距为10.6m,左右线距地表距离分别为8.48m和7.36m。6号线与4号线夹角为26°,6号线右线与4号线左线竖向间距为6.021m,4号线双线水平间距为12m。
根据中医药大学站—伟业路站区间纵断面设计图及工程地质详勘报告可知,砂质粉土层为地铁6号线区间隧道主要穿越地层,而4号线下卧于淤泥质粉土层,新建6号线施工顺序为先左线后右线,研究段主要地层情况如下:素填土层1.5m、砂质粉土层14m、淤泥质粉土层12.9m、粉质黏土层1.3m、粉砂层5.7m以及圆砾层26.2m。地下水位线标高6.13m,近似地,本文将水位线标高取至地表(标高6.33m)。
模型建立及参数选取
(1)模型建立与网格划分
本文采用有限差分软件FLAC3D对不同施工顺序下近接上跨既有线的变形进行了研究。有限差分法与有限元法相比,其理论和应用比较成熟,具有容易收敛、计算成本低的优点,且其离散误差一般低于有限元法的离散误差。
根据新建6号线与既有4号线的相对位置关系以及相应的地层情况,本文数值仿真模型中土体、管片、注浆层均采用实体单元进行模拟,利用MIDASGTSNX建立单元网格模型,模型尺寸大小为100m×120m×60m,然后导入FLAC3D中进行三维流固耦合计算。
(2)边界条件确定与模型参数的确定
对于三维问题,每个节点均具有3个独立的自由度,为减少边界效应,使之更好地模拟实际工程的情况,计算分析时,在模型x向边界施加x向位移约束,在模型y向施加y向位移约束,在模型z向下边界施加z向位移约束,z向上边界取为自由边界。
对于模型的流体边界,设定隧道掌子面为透水边界,注浆层固结需要时间,也设为透水边界,管片衬砌设为不透水边界,本文计算所涉及的地层参数及水力学参数可见。
数值模拟过程及结果分析
(1)盾构掘进模拟过程
在该模型中,管片幅宽为1.2m,盾构掘进步长取2.4m,单线隧道共需开挖100环,即共需开挖50步,每开挖两环则进行一次流固耦合平衡计算,开挖面超前管片拼装2.4m,而盾尾内包含在拼环与正在脱环的管片,共两环管片衬砌,每完成一步开挖,则同时进行壁后注浆和盾尾管片拼装,掌子面的自适应平衡通过反向施加开挖后掌子面的最大不平衡力来实现。
本文对考虑盾构机配重及未考虑盾构机配重两种不同工况下近接上跨既有线隧道进行数值模拟分析,对于每种施工方案,数值模型6号线每个开挖步计算完成后,均提取4号线隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰各位置处的位移值,采用时空分布等值线图呈现各开挖步下各位置处的位移大小,等值线疏密表示位移变化趋势,即等值线密集表示位移幅度大,等值线稀疏表示位移变化幅度小。
为方便分析,对不同工况下的4号线左右线隧道进行符号约定,T4L和T4R分别表示4号线左线和右线隧道,T6L和T6R则分别代表6号线左线和右线隧道,TOP、BOT、LEF、RIG分别表示隧道拱顶、拱底竖向位移和左右拱腰水平,T6L-T4L则表示6号左线盾构掘进时的4号线左线隧道,其他工况的命名规则与之相同。
盾构参数按照HRB400钢材取值,配重荷载考虑为施工过程中的台车及沙袋自重5t/m。盾构机配重施加在盾壳下半环节点上,换算得到均布荷载为2175.35Pa。
(2)考虑盾构机配重施工引起既有线变形规律
4号线左线隧道拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰的变形沿隧道纵向及随6号线隧道开挖步变化的时空分布规律。
1)6号线左线近接施工初始段(开挖步1~18),4号线左线隧道的拱顶、拱底、左右拱腰的变形均较小,当6号线左线隧道开挖至第21~36步时(6号线与4号线近接距离较近的区域),4号线左线纵向坐标55~75m范围内的变形急剧增大,当6号线左线通过该区域时,4号线左线隧道变形的变化率逐渐减小,且竖向变形总体表现为上浮变形,而水平变形则朝6号线侧变形。由此可见,6号线隧道开挖面距4号线隧道越近,对4号线隧道的影响越大。显然6号线左线隧道开挖第21~36步为相对危险的工况,4号线左线隧道纵向坐标55~75m的范围为近接施工强影响区;
2)若从隧道左右拱腰水平变形的角度分析,6号线左线施工时的危险开挖步约为第11~21步,对应4号线右线隧道纵坐标15~45m的范围为近接施工强影响区;
3)后开挖的6号线右线隧道掘进施工同样会使4号线左线隧道产生持续增大变形,但变形增大速率较小;
4)当6号线右线完全通过该近接施工段时,4号线左线隧道各横断面的变形均达到峰值,其中沿4号线左线纵向坐标为50m的横断面竖向变形最大,此时该横断面的最大拱顶上浮量约为6.23mm,最大拱底上浮量约为5.39mm,纵向坐标为25m的横断面的侧向变形最大,左拱腰水平位移最大值约为-4.92mm,右拱腰水平位移最大值约为-5.19mm,向6号线侧变形。
4号线右线隧道拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰的变形沿隧道纵向及随6号线隧道开挖步变化的时空分布规律所示。
6号线施工对4号线右线隧道时空分布规律的影响与对4号线左线的影响相似,不同之处表现在以下几点:
(1)从隧道拱顶和拱底竖向变形的角度分析,6号线左线隧道施工的危险开挖步约为第31~41步,4号线右线隧道纵向坐标74~99m的范围为近接施工强影响区;
(2)若从隧道左右拱腰水平变形的角度分析,6号线左线施工时的危险开挖步约为第21~36步,对应4号线右线隧道纵坐标50~87m的范围为近接施工强影响区;
(3)当6号线右线完全通过该近接施工段时,4号线右线隧道各横断面的变形均达到峰值。沿4号线右线隧道纵向坐标为72m的横断面变形最大,此时该横断面的最大拱顶上浮量约为6.49mm,最大拱底上浮量约为5.73mm,纵向坐标为40m的横断面侧向变形最大,最大左拱腰水平位移值约为-5.31mm,最大右拱腰水平位移值约为-5.39mm,向6号线侧移。
(3)地表变形分析
图9为考虑盾构配重及未考虑盾构机配重工况下施工完后地表的竖向位移云图及竖向位移等值线图。由图可知,沿新建隧道纵向地表隆起值逐渐减小,且后开挖的隧道线上方地表变形较先开挖隧道线上方地表变形更小,考虑盾构机配重情况下始发段地表最大隆起变形为12.41mm,最大沉降变形为-9.33mm。
结论
本文采用数值模拟的方法, 对盾构隧道不同施工顺序下上跨近接既有线的位移影响进行了研究,主要结论如下:
(1)从隧道拱顶和拱底竖向变形的角度来看,6号线左线施工时,既有4号线左线隧道纵向坐标55~75m的范围为近接施工强影响区,4号线右线隧道纵向坐标74~99m的范围为近接施工强影响区;
(2)从隧道左右拱腰水平变形的角度来看,6号线左线施工时,既有4号线右线隧道纵坐标15~45m的范围为近接施工强影响区,4号线右线隧道纵坐标50~87m的范围为近接施工强影响区;
(3) 6号线右线完全通过该近接施工段时,4号线左右线隧道各横断面的变形均达到峰值,其中沿4号线左线纵向坐标为50m的横断面竖向变形最大,沿4号线右线隧道纵向坐标为72m的横断面变形最大;
(4)沿新建隧道纵向地表隆起值逐渐减小,且后开挖的隧道线上方地表变形较先开挖隧道线上方地表变形更小,考虑盾构机配重情况下始发段地表最大隆起变形为12.41mm,最大沉降变形为-9.33mm。