广州地铁设计研究院有限公司 510030
摘要：为确保盾构安全顺利下穿地铁运营隧道，避免下穿过程中引起运营隧道过沉降，影响既有线运营安全。以城际盾构隧道下穿广州既有地铁某区间为工程背景，对下穿各工况进行了有限元分析。研究结果表明：通过采取一定施工措施，可有效减小运营隧道的机构沉降；有限元分析也能较好地预测既有隧道结构的沉降变形。研究结果具有一定的工程实用价值，可为国内外类似工程提供借鉴。
关键词：盾构施工；运营隧道；变形规律
1、引言
随着城市建设的快速发展，城市轨道交通系统网络密布城市地下空间。为了提高地下空间的利用率和线网规划的需要，新建盾构隧道和既有的地铁隧道之间相互穿越的工程问题也日益增加。盾构隧道下穿地铁隧道时，安全控制等级要求高，社会影响面大。地铁隧道底部土体扰动会引起既有地铁隧道产生附加应力，当既有隧道产生的变形及内力变化过大时，将影响地铁结构的安全甚至影响地铁运营的安全。所以，为了保证既有地铁隧道的结构安全，研究下穿地铁的盾构隧道施工对地铁隧道结构安全的影响变得非常重要。
国内外学者对盾构隧道施工引起地层变形规律和施工控制措施进行了大量的研究工作，取得了较为良好的效果。近几年盾构隧道下穿既有地铁工程的案例增长较快，对盾构下穿既有地铁工程的研究也取得一定的成果。研究发现盾构穿越既有线施工中隧道变形与地质条件、盾构机型号、注浆措施和姿态调整等密切相关。张志强、何川以南京地铁盾构下穿玄武湖隧道为工程背景，对盾构施工参数与玄武湖隧道结构沉降关系进行了深入的研究，提出了盾构下穿玄武湖隧道应采用低推力-缓慢掘进的推进模式。本文以新建城际盾构隧道下穿广州地铁某区间为工程背景，研究了盾构下穿运营隧道应采取的施工措施及既有隧道沉降规律，研究结果可为国内外类似工程提供借鉴。
2、盾构隧道施工中保护既有隧道的措施
2.1严格控制土压力
在施工中严格管理，使实际土压略大于计算值。根据地面沉降的结果来实时调整土压力计算过程中的各种参数、安全系数，使得将土压在盾构掘进过程中控制在一合理范围内。
2.2保证开挖面稳定
由于隧道施工过程中，容易出现粘性土附着在刀盘上致使刀盘扭矩增大，或土体进入土仓后被压密固化，形成开挖、排土很难达到平衡的状况。因此需向刀盘前方土体注入泡沫，在增大土体流动性的同时，降低其附着力，防止开挖土附着在刀头和土仓内壁；同时利用刀盘辐条上的搅拌翼将泡沫和切削下来的土体加以搅拌，使之充分混合，变得较为蓬松，增大可排性。
2.3严格控制注浆施工
注浆作为盾构施工的一个关键工序，必须严格按“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，紧密结合施工监控量测的反馈信息，不断优化注浆压力的设定，保证注浆量一定要超过理论计算值，在实际平均注浆量的合理范围内波动。
3、工程实例有限元分析
本文以广州地铁三号线某区间隧道为研究对象，通过有限元分析，研究新建隧道下穿对隧道结构安全的影响。
3.1工程概况
城际盾构隧道以夹角23°的斜交下穿运营中的地铁某区间隧道，下穿段城际隧道埋深约20~22m。城际隧道穿越地层为全风化花岗岩，拱顶以上分布有约10m全风化岩层、8m的硬塑状粉质粘土及填土层。
3.2有限元建模
本次三维分析选择MIDAS-GTS计算软件，采用板单元模拟隧道结构，四面体单元模拟地层。计算模型中基坑与区间的位置关系见图所示。
3.3分析工况
城际隧道正上方的地铁结构跨度约为16m，将城际隧道掘进对地铁结构的影响分为主要影响区和次要影响区，主要影响区范围取地铁结构跨度的三倍，即110m的范围，其余范围为次要影响区范围。控制土仓内压力为0.15MPa。
本次分析针对城际隧道施工的全过程进行数值模拟，共分37个工况即37个施工步骤，具体如表。
3.4有限元分析结果
随着城际隧道的开挖，地铁隧道发生了一定沉降。最大沉降值为3.44mm，发生在城际隧道开挖的正上方的地铁结构处。在实际监测中的最大沉降为2.68mm，对应模型的最大竖向位移为3.14mm，按照最不利的情况叠加结果为5.82mm。右线处发生最大沉降的监测点的位移为2.25mm，现有监测数据显示已经有11.52mm的沉降值，即总的沉降量为11.52+2.25=13.77mm＜15mm；左线处发生最大沉降的监测点的位移为0.49mm，现有监测数据显示已经有8.43mm的沉降值，既总的沉降量为8.43+0.49=8.92mm＜15mm。均满足＜15mm的控制要求。故建议将本次城际隧道下穿地铁区间隧道的沉降值控制在3.44mm以内。
4、小结
本文通过总结国内外盾构隧道下穿既有地铁对隧道结构影响的研究成果，以城际隧道下穿广州地铁某区间为研究对象，采用三维有限元分析方法，得出以下结论：
1.盾构下穿既有地铁隧道可采取的施工方法较多，实际工程中应该根据每个地区的土层特征选取合适的组合方式，从而减小盾构掘进对地铁隧道的影响。
2.三维有限元分析可以较为准确地预测地铁区间的盾构施工过程中，地铁隧道变形变化和内力变化趋势，其结果表明：新建盾构隧道会引起地铁区间隧道产生的沉降变形，而采取一定的施工措施可以将地铁隧道的变形和内力变化控制在合理的范围之内。
参考文献：
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[2]徐前卫，尤春安，李大勇．盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析［J］．岩土力学，2004，25（增）：95－98．
作者简介：
刘鑫，男（1991~），湖南省益阳市，硕士研究生，现从事轨道交通工程及地下工程设计及建设工作；简历：2015～至今 广州地铁设计研究院有限公司 结构设计。
论文作者:刘鑫
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：隧道论文; 盾构论文; 地铁论文; 结构论文; 工程论文; 城际论文; 玄武湖论文; 《基层建设》2017年第10期论文;