盾构隧道下穿明挖矩形市政隧道工程措施及施工影响分析

赵 伟

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

随着城市的发展，城市的空间资源越来越紧张。地铁、市政道路隧道、管廊等城市地下大型基础设施越来越多，各种地下建(构)筑物之间相互穿越的情况越来越多。本项目地处沈阳市主城区，多次穿越地铁、市政隧道等地下建(构)筑物，穿越区段主要采用盾构法施工，其中下穿南北二干线隧道净距较小，为本项目重大风险。杨成永[1]、杨志勇等[2]对盾构隧道下穿既有隧道结构沉降控制及沉降规律进行研究，赵青[3]、方勇[4]、胡众等[5]对盾构隧道有限元模拟进行了研究。主要对盾构区间施工下穿既有南北二干线隧道的工程措施及施工影响进行分析研究。

1 工程概况及主要工程措施

1.1 下穿工程概况

区间隧道采用盾构法施工，盾构隧道下穿南北二干线隧道，两者夹角约为67°。南北二干线采用盖挖法施工，为两层箱形结构，覆土3.0m、埋深17.16m。盾构区间下穿处管廊覆土20.41～21.41m，与隧道竖向净距3.25～4.25m，见图1。

图1 盾构区间与二干线隧道工程平面图

盾构隧道均采用C50混凝土，隧道外径6m，内径5.4m，隧道衬砌厚300mm。衬砌管片分为6块：3块标准管片，2块邻接管片，1块封顶管片，每环的宽度为1200mm，管片采用错缝拼装。设计断面见图2。

图2 出入口隧道设计图

南北二干线隧道采用盖挖法施工，为两层箱形结构。隧道围护桩为Φ800@1200mm，长度为23.2～23.8m，中间立柱桩直径为Φ1200mm，桩长为坑底下30m。南北二干线主体结构下层为车行隧道，结构高度约8.4m，结构宽度约26.5m；南北二干线主体结构上层为5.76m，宽度约26.4m。设计断面见图3。

图3 二干线隧道断面图

1.2 下穿位置风险源处理措施

1.2.1南北二干线隧道为盾构管廊下穿预留条件

(1)隧道栈桥板立柱位置为管廊预留盾构下穿条件，盾构下穿范围两侧立柱桩与底板连接，起到抗隆起和抗沉降作用。

(2)盾构下穿范围的隧道围护桩底部采用玻璃纤维筋，便于盾构破除。

(3)盾构下穿两侧围护桩已加大桩径及桩长，桩径采用1.2m。

(4)盾构斜向破除围护桩，为保证盾构姿态，已对盾构破桩处土体局部进行加固。加固范围平剖面如图4及图5所示。

图4 处理措施平面图

图5 处理措施剖面图

1.2.2盾构管廊通过时，采取以下措施降低施工风险

(1)盾构区间下穿隧道主体施工之前需告知南北快速路指挥部，隧道需要根据监测情况，进行配重防止隧道隆起。盾构破桩过程中，此范围冠梁上禁止行车。

(2)盾构下穿过程中及穿过后，需对其南北快速干道影响范围内的基坑及栈桥板体系进行安全监控。

(3)在盾构下穿过程中应保证盾构机注浆效果，防止后期沉降。

(4)采用盾构自身控制措施控制变形。

2 有限元计算分析

2.1 三维有限元模型建立

盾构区间隧道下穿南北二干线隧道下穿角度约为67°，下穿段长度约为35m。建立考虑新建盾构区间隧道及南北二干线隧道现有结构的三维有限元模型，模型宽度为92m，模型总高度为58.5m，模型纵向长度取100m。各岩土层、地层加固均采用弹塑性材料模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，三维实体单元；围护桩采用弹性材料模型，三维实体单元；南北二干线隧道结构板、墙及南运河管廊盾构区间隧道管片均采用弹性材料模型，板单元。在模型底部施加竖向约束，模型四个侧面分别施加垂直侧面方向的水平位移约束，模型施加重力荷载。模型见图6、图7。

图6 计算整体模型(m)

图7 结构模型详图(m)

2.2 计算模型主要参数

(1)岩土参数

根据钻探揭露，按照其沉积年代、成因类型及岩性，此范围内自上而下的地层为：①-1杂填土、③-4砾砂、③-5圆砾、③-5-5圆砾、⑤-5圆砾等。土体参数见表1。

表1 地层参数表

(2)结构参数

主要结构有南北二干线公路隧道，南北二干线管廊，南运河管廊。结构参数见表2。

表2 南北二干线隧道及南运河管廊结构构件力学参数表

2.3 施工过程模拟

区间隧道施工前，将既有南北二干线结构激活，模型位移清零。区间隧道施工先进行左线盾构区间开挖，左线施工完成后进行右线盾构区间开挖。盾构隧道推进过程模拟分为土体开挖、盾构机的顶进、衬砌环的拼装、推进面压力模拟及壁后注浆模拟等。盾构施工过程模拟每一施工步施工一环管片宽度，即1.2m。

3 计算结果分析

计算得到了盾构区间隧道施工过程中，既有南北二干线隧道的沉降情况，通过对既有结构沉降及内力的分析，确定施工工法的可行性和既有结构的安全性。

3.1 南北二干线隧道沉降结果

南北二干线隧道水平变形量较小，主要对竖向沉降量进行分析，见图8、图9。区间左线开挖完成后，南北二干线隧道最大沉降量为0.91mm，最大沉降位置位于左线隧道正上方南北二干线隧道底板；区间右线隧道施工完成后，南北二干线隧道最大沉降量为1.35mm，最大沉降位置位于区间左右线中心位置南北二干线隧道底板。南北二干线隧道总最大沉降量为1.35mm，未超过《公路技术状况评定标准》规定的10mm变形指标，见表3。

图8 左线施工完成既有隧道沉降云图(单位：mm)

图9 右线施工完成既有隧道沉降云图(单位：mm)

表3 各阶段沉降量统计表

3.2 南北二干线隧道内力结果

提取南运河管廊施工前和施工结束阶段南北二干线隧道主受力方向弯矩，结果对比见表4，结果显示，南运河管廊施工前后南北二干线隧道受力模式完全相同，内力数值略有变化，下层隧道衬砌内力稍有增加，上层隧道衬砌内力略有减少，隧道内力变化在10%以内。南运河管廊施工对南北二干线隧道内力影响较小，结构受力满足安全要求。

表4 各阶段沉降量统计表

3.3 南北二干线隧道沉降随施工步变化曲线

对南北二干线隧道底板上位于区间左线正上方沉降分析点1、分析点2及位于右线正上方沉降分析点3、分析点4沉降量随施工步的变化进行分析，如图10所示。计算结果显示：

图10 沉降分析点沉降随施工步变化曲线图

(1)管廊区间开挖对正上方沉降分析点的影响最大。

(2)当开挖面至沉降分析点前方约20m位置，沉降分析点沉降速度明显加快。

(3)当开挖面通过沉降分析点约20m后，开挖对隧道沉降影响较小。

(4)管廊区间左右线范围内管廊底板各点最终沉降相差不大。

4 结论与建议

采用数值分析方法对新建管廊区间施工对既有南北二干线隧道的影响进行分析，分析了施工对车站结构沉降、内力、结构沉降随施工步的变化情况，得出如下结论：

(1)南运河管廊盾构区间施工对南北二干线隧道影响较小，最大沉降量仅为1.35mm，南北二干线隧道沉降及内力均满足规范要求，盾构区间施工安全风险可控。

(2)当开挖面至监测点前方约20m位置，监测点沉降速度明显加快。当开挖面通过监测点约20m后，开挖对隧道沉降影响较小。在此范围内施工时应注意加强对既有南北二干线结构的监测及施工控制。

(3)各种地下工程相互穿越在所难免，应做好城市建设规划，预留后期施工项目条件，减少后期施工风险及造价。