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苏州河深隧穿越重要节点的数值分析

作者:励翔,王晓鹏,顾赟,倪建华  发布:2019/9/27  浏览:
单位:上海城投水务工程项目管理公司

摘 要:目前上海市拟建的苏州河深隧,其主隧与在建的北横通道空间距离较近。鉴于上述大直径盾构隧道结构和深层软土地层场地的复杂条件,对深隧主线隧道与北横通道并行区域的最不利位置进行数值模拟分析,对深隧穿越情况下的北横通道、中山西路桥桩基的变形的进行了分析评估。针对既有盾构隧道穿越的工程经验,提出了相应风险控制措施以保证深隧的顺利贯通和北横的安全运营。

1 工程概况

为了提高上海市苏州河地区排水防涝安全保障能力, 上海市拟建设“苏州河深层排水调蓄管道工程”。

北横通道作为上海市在建的重要地下道路, 与拟建的深隧主线段空间距离较近。因此, 将北横通道作为深隧主线穿越地下道路工程的典型开展分析和评估。深隧主线隧道工程与北横通道共有4处交叉及1处长距离并行, 其中3处交叉北横通道为桥梁, 1处交叉及1处并行北横通道为盾构隧道。因此, 有必要对深隧主线隧道与北横通道并行段内, 空间距离最近的区域进行重点研究。

2 穿越与并行工况介绍

由图1可见, 中山西路内环高架桥处深隧主线隧道与北横通道纵向并行, 且与其他处并行、交叉处相比, 该处二者空间距离最小, 仅12.38m, 具体二者的位置关系如表1所示。此外, 该处建设条件复杂:深隧主线隧道和北横通道地层顶部为苏州河河道, 主线隧道除与北横通道空间距离较近外, 与中山西路桥水平距离7.6m, 垂直距离更小, 具体位置关系如图1所示。


图1 深隧与北横并行段剖面

表1 中山西路内环高架桥处深隧与北横通道位置关系

该处深隧主线隧道穿越地层为 (8) 1-1层;中山西路桥基桩伸入 (7) 2层, 甚至进入 (8) 1-1层;北横通道跨越 (5) 1, (6) , (7) 1, (7) 2层, 地质条件非常复杂。

鉴于上述结构和场地的复杂条件, 可判断该处为深隧主线隧道与北横通道并行区域的不利位置。因此, 有必要研究该处深隧主线隧道的施工对周围环境的影响, 评估盾构开挖过程中中山西路桥桩基和北横通道的安全性。

3 数值模拟分析

使用Midas/GTS对深隧与北横通道平行区段典型节点位置建立有限元模型。该处深隧一边外侧距离北横通道最近距离12.38m, 水平距离7.6m;另一侧距离中山西路桥桩基水平距离最小亦为7.6m;该处场地顶面为苏州河, 数值建模时一并考虑。

数值模型如图2所示, 为减小边界效应的影响, 模型水平范围200m, 场地土层厚度158m。北横通道、深隧和桥梁桩基位置与实际状况一致, 场地土体分为17层, 采用, 其物理参数如表2所示。模型底部水平和竖向均固定, 两侧限制水平方向位移;河道处按河床现状走势建模, 河水简化为静水压力作用在河道位置。由于北横通道与深隧平行, 将该处节点简化为平面应变问题, 本模型场地和结构均采用二维平面应变单元。数值模拟流程为:先假定北横通道和中山西路桥桩基为既有存在结构, 然后在深隧所处位置模拟土体开挖, 最后生成衬砌。

图2 深层调蓄隧道下穿北横通道模型

表2 穿越北横通道节点土层参数

深隧主线盾构隧道穿越后, 北横通道水平位移很小, 最大只有0.4mm, 竖向最大位移达到8.5mm;中山路桥左侧桩基变形略大于右侧, 达到8.3mm, 而右侧桩基变形为5.0mm。计算结果如表3所示。

表3 穿越北横通道计算结果汇总 

如表3所示, 在地层损失率=0.50%时, 深隧穿越北横通道后, 既有隧道变形和桩基沉降可满足北横通道和桥梁桩基的保护标准。因此, 深隧穿越北横通道具有可行性。

根据沿线与北横通道并行的苏州河防汛墙 (北横通道顶埋深约30m, 距离防汛墙平面最小平面距离6.5m) 的监测数据可知, 防汛墙的最大变形在5mm左右, 深隧主线隧道外径 (D=11.3m) 小于北横通道隧道外径 (D=15m) 、埋深大于北横通道、线路平面最小曲线半径R均为500m (北横通道的R/D更小、更不利) , 且深隧主线穿越土层主要位于黏性土层, 从工程类比的角度可知, 正常情况下深隧主线穿越对北横通道及中山西路桥的影响较小, 风险可控。

4 风险控制措施

结合既有盾构隧道相互穿越的成功经验, 拟采取以下措施确保北横通道的安全。

4.1 设计措施

1) 在穿越段管片间设置剪力销, 提高隧道的纵向整体刚度, 减少不均匀沉降对北横的影响。

2) 根据相关隧道穿越经验, 盾构通过后的二次注浆可有效减小地铁隧道后期沉降, 并尽快稳定地铁隧道变形。因此在穿越范围内采用设置增设注浆孔的管片, 根据监测情况进行二次注浆, 以减小北横通道的变形。

3) 北横通道管片设置剪力销, 以减小深隧穿越对北横的影响。

4.2 施工措施

1) 改进盾构施工工艺, 在管片拼装期间增加盾尾注浆、加强泥水压力, 减小在管片拼装期间造成的地层损失, 从而减小对隧道的变形。

2) 加强施工控制 (1) 控制盾构的泥水平衡压力、注浆量、注浆压力、排泥量等参数, 控制好盾构的姿态。 (2) 减少盾构的超挖和欠挖, 使盾构匀速推进, 减少对土体的扰动。 (3) 下穿北横通道区段控制地层损失率≤0.4%, 与北横并行段控制盾构掘进时的地层损失率≤0.5%。 (4) 降低推进速度, 严格控制盾构方向, 减少纠偏, 特别是杜绝大量纠偏, 保证盾构机的穿越。

3) 长风竖井距离北横通道较近, 建议该处盾构机采用进洞的形式进入竖井。

4.3 加强施工监测

加强对北横通道的监测, 并根据监测数据及时调整隧道施工参数, 以减小隧道变形。

5 结语

本文对深隧主线隧道与北横通道并行区域的最不利位置进行数值模拟分析, 对深隧穿越情况下的北横通道、中山西路桥桩基的变形的进行了分析评估, 证明正常情况下深隧主线穿越对北横通道及中山西路桥的影响较小, 风险可控。另一方面, 结合既有盾构隧道相互穿越的成功经验, 从设计措施和施工措施两个方面阐述了工程风险控制措施, 以确保深隧的顺利贯通和北横通道的安全运营。

摘自《施工技术》

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