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芻議上跨下穿施工對城市軌道交通既有隧道的影響的建筑工程論文
摘 要：在城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、建設中，對新建線路、市政管線等其它工程穿越既有線路的問題不可避免地會遇到，可能會嚴重威脅既有城市軌道交通線結(jié)構(gòu)。穿越盾構(gòu)隧道施工并不是新課題，不少學者已對數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方法進行了采用，并展開了研究。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法；上跨下穿；近接施工；有限元分析
文章從最小凈距和最大隆沉量方面對上海、廣州、深圳等地鐵隧道上跨下穿施工項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。文章以蘇州軌道交通1、2號線為工程背景，采用有限元方法，研究城市軌道交通新建線路、市政管線等其它工程穿越既有城市軌道交通線路時，既有城市軌道交通線路位移場及應力場的變化規(guī)律，為新建城市軌道交通線路的設計、施工和既有線路的安全保護提供參考。
1 穿越施工有限元模型
蘇州軌道交通的建設相對較晚，相應的研究較少。文獻[1]以蘇州軌道交通2號線為背景，研究了盾構(gòu)近鄰平行隧道對地層變形的影響。文獻[2]以蘇州軌道交通1號線為背景，模擬了盾構(gòu)隧道施工過程，得到了地表沉降槽曲線。文獻[3]結(jié)合蘇州軌道交通1號線臨頓路站—倉街站區(qū)間盾構(gòu)工程實例研究盾構(gòu)隧道管片壁后注漿材料、注漿參數(shù)、二次補漿、各項掘進參數(shù)對地表隆起和沉降變形的影響。隨著后續(xù)線路的建設不可避免地將要遇到新建線路、市政管網(wǎng)穿越城市軌道交通既有線路的難題。因此，結(jié)合蘇州地區(qū)的地質(zhì)特點開展近距離穿越城市軌道交通既有線路工程研究顯得尤為迫切。蘇州軌道交通1號線位于蘇州城區(qū)的東西軸向，線路全長約25.74km，平均埋深約15m。全線均為地下車站。2號線為南北向，線路全長26.6km，高架線路約7km，其余均為地下線。2號線盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌，盾構(gòu)管片外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、厚0.35m、環(huán)寬1.2m；每環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標準塊組成，采用錯縫式拼裝。
根據(jù)蘇州軌道交通的實際情況，建立新建隧道、市政管線上跨和下穿既有軌道交通線路的有限元計算模型。計算新建隧道（或市政管線）以不同外徑、不同豎向凈距穿越施工對既有隧道的影響。計算模型土層依據(jù)蘇州地區(qū)的某開發(fā)地塊項目的地層，共11層，土體采用摩爾-庫倫模型。具體參數(shù)。隧道管片采用線彈性模擬，彈性模量為35.5GPa，泊松比為0.16。土體和管片均采用8節(jié)點四面體實體單元模擬�？紤]到市政交通隧道上跨往往不能滿足上覆土的厚度要求，上跨的市政管線更容易滿足此項要求，因此上跨計算選擇外徑D=1m、3m、5m、6.2m四種，下穿僅計算D=6.2m。
盾構(gòu)隧道施工地層損失率一般在0.2%～2%，故計算中假定地層損失率為1%，不考慮地下水的影響。
2 上跨施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響
2.1 新建隧道或管線的外徑對既有隧道的影響
新建隧道和市政管線跨穿施工時，既有隧道沿縱向隆起形成“反沉降槽”；既有隧道被跨處隆起量最大，向兩端隆起量逐漸減小。隨著新建工程外徑的增大，既有隧道最大隆起量不斷增大，但均在10mm以內(nèi)；外徑6.2m時既有隧道最大隆起量為8.8mm，是外徑1m時既有隧道最大隆起量（0.5mm）的17.6倍。既有隧道的隆起量隨著新建隧道、市政管線的直徑增加而明顯增大。
既有隧道與新建隧道（管線）空間交叉處，既有隧道頂部拉應力明顯集中。既有隧道最大拉應力值隨著新建隧道或管線外徑的減小而減小，并且應力集中的范圍也隨著外徑的減小而減小。
2.2 豎向凈距對既有隧道的影響
新建隧道和不同外徑的市政管線上跨施工時，隨著豎向凈距的增加，既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢，但減小速率較慢，尤其是新建市政管線外徑較小時，減小速率更加緩慢。凈距對既有隧道隆起的影響較外徑的影響小。
新建隧道和市政管線以不同豎向凈距上跨施工時，既有隧道最大主應力變化曲線。既有隧道管片混凝土強度為C50，抗拉強度設計值為2.07MPa，施工中既有隧道最大拉應力不宜超過混凝土抗拉強度設計值。上跨施工時既有隧道最大拉應力隨著豎向凈距的增大而減小。
3 下穿施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響
由于市政管線下穿城市軌道交通既有隧道的情況極少，僅就新建隧道下穿城市軌道交通既有隧道進行分析。新建隧道下穿施工時，既有隧道沿縱向沉降且形成“沉降槽”；既有隧道在被下穿處的沉降量最大，到兩端沉降量不斷減小。隨新建隧道與既有隧道豎向凈距的增加，既有隧道沉降量減小。經(jīng)模擬分析，既有隧道沉降量均在10mm以內(nèi)。在既有隧道與新建隧道空間交叉處，既有隧道頂部拉應力集中，最大拉應力隨豎向凈距的增加而減小，但應力集中的范圍稍有增大。
下穿施工時既有隧道最大拉應力隨豎向凈距的變化曲線。新建隧道下穿施工的4種工況中，凈距為1m和2.5m的工況下既有隧道最大拉應力超過了混凝土抗拉強度設計值；當凈距>3m時，既有隧道最大拉應力均小于抗拉強度設計值。因此，在文章假定的既有隧道埋深15m，地層損失率為1%的情況下，應限制新建隧道在凈距3m以內(nèi)的下穿施工，凈距3m以上的下穿工程，應注意采取措施，嚴格控制地層損失率，以保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。
4 數(shù)值計算與工程實測對比
數(shù)值計算上跨施工的案例，既有隧道發(fā)生隆起，與實測規(guī)律一致；數(shù)值計算隆起量值均在10mm以內(nèi)，實測隧道隆起量一般在5mm以內(nèi)，兩者數(shù)量級一致。這說明數(shù)值計算結(jié)果可靠，而實際施工中對地層損失率的控制更加嚴格。
由實測值可見，下穿施工時既有隧道豎向位移最大值并不統(tǒng)一，有沉降也有隆起，但均控制在±10mm內(nèi)。數(shù)值模擬結(jié)果沉降控制在10mm以內(nèi)，與實測值接近，說明數(shù)值計算結(jié)果可靠。
5 結(jié)語
文章結(jié)合蘇州地區(qū)的地質(zhì)和城市軌道交通的特點，采用數(shù)值模擬方法研究上跨、下穿工程施工對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，新建隧道和市政管線上跨施工時，既有地鐵隧道豎向產(chǎn)生隆起，且沿縱向形成“反沉降槽”。新建隧道下穿施工時，既有地鐵隧道豎向產(chǎn)生沉降，且沿縱向形成“沉降槽”。隨豎向凈距的增加，既有地鐵隧道的沉降量減小。與新建隧道空間交叉處，既有地鐵隧道頂部拉應力集中，最大拉應力和應力集中范圍隨豎向凈距的增加而減小。上跨下穿既有隧道施工，由于地層損失引起既有隧道周邊位移場、應力場的重分布，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的安全影響。在工程施工中，應結(jié)合工程實際情況具體分析，并采取必要的保護措施，精心施工、加強管理尤其重要。
參考文獻
[1] 蘇曼.盾構(gòu)近鄰平行隧道對地層變形的影響研究[J].山西建筑， 2012，38（28）：198.
[2] 江帆，胡群芳，黃宏偉.盾構(gòu)隧道施工Plaxis2D數(shù)值模擬分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（增刊）：366.
[3] 王輝.蘇州地鐵盾構(gòu)工程地面隆沉控制分析[J].鐵道建筑技術(shù)， 2010（08）：53.
[4] 魏剛.盾構(gòu)隧道施工引起的土體損失率取值及分布研究[J].巖土工程學報，2010，32（09）：1354.
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