地铁隧道上方开挖区域土体的加固性研究

陆 平

近年来伴随着我国城市的发展,在地铁建设中将会有越来越多的隧道下穿城市干道或在既有隧道上方开挖基坑。对这种工程情况如何进行前瞻性分析并确定合理的支护体系是地铁工程中的一个现实问题[1,2]。针对武汉地铁2号线汉口站—范湖站区间隧道在设计里程DK4+841.426～DK4+871.758范围内将有规划二环线下穿通道从上方穿过这一工程背景,借助分析软件FLAC3D,研究其间关系,预测施工中土体的应力及位移,及应采取的相应土体加固方案,作为今后施工的理论参考。

1 工程概况

武汉市地铁2号线盾构隧道在即将施工的二环线下穿道下方斜穿,其中地铁盾构右线隧道与下穿通道的结构净距为3.0 m～3.2 m;左线隧道与下穿通道的结构净距为2.3 m～2.7 m;盾构区间的纵坡为 25‰。地铁区间穿越二环线下穿通道的宽度为28.6 m～30.4 m,如图1所示。

2 计算模型与计算参数

2.1 计算模型

计算采用Itasca公司开发的有限差分软件FLAC3D。计算模型为:盾构隧道及新建下穿道[3,4],主要模拟分析新建下穿道的开挖对既有盾构隧道的形变影响。

模型大小:在X方向取58 m,Y方向取35.582 m,Z方向取65 m。共有实体六面体单元9 130个。需要开挖通道的进尺方向为X方向,既有盾构隧道的纵向方向为Z方向。新建下穿道埋深6 m～8 m,新建下穿道底部距离既有隧道顶部距离地表为2.3 m～3.2 m。既有隧道直径6 m,两盾构隧道中心间距15.74 m,下穿通道开挖宽度29 m。新建下穿道与既有隧道位置关系如图2所示。

2.2 计算参数

各土层与隧道衬砌管片的物理力学参数见表1,表2。

表1 土的物理力学性质指标

表2 衬砌和支护结构参数

3 下穿通道开挖模拟

3.1 新建下穿道施工流程

新建下穿道深为6 m～8 m,采用明挖法施工,分层开挖,分层厚度为1 m～2 m。荷载最不利工况为通道开挖到底,底板未做之前。

3.2 各种工况分析

1)土体不加固、不降水。下穿道在开挖前盾构隧道周边土体不采用任何加固措施。2)土体加固、不降水。a.方案一:将左、右线隧道两侧土体加固3 m,上覆土体加固到基坑底,盾构隧道基底以下加固2 m进行处理,采用旋喷桩加固。开挖通道两侧加固宽度为6 m,加固深度为16 m。b.方案二:将左、右线隧道两侧土体加固5 m,两隧道中间土体全部加固处理,上覆土体加固到基坑底,盾构隧道基底以下加固4 m进行处理,采用旋喷桩加固。开挖通道两侧加固宽度为6 m,加固深度为20 m。3)土体加固、降水。方案三:将左、右线隧道两侧土体加固3 m,两隧道中间土体全部加固处理,上覆土体加固到基坑底,盾构隧道基底以下加固2 m进行处理,采用旋喷桩加固。考虑流固耦合计算,考虑先加固土体,然后进行降水,水位降到需要开挖基坑底部以下2 m处,降水后进行下穿道的开挖。降水后会在降水井周围形成降水漏斗,降水使既有盾构隧道产生的下沉通过隧道下方的监测点时程曲线来体现。

4 计算结果统计分析

通过比较表3,表4中的数据,说明在下穿道的开挖施工前对隧道周围土体采取加固措施是必要的,同时也表明按方案三进行加固的效果最佳。按方案三在加固后进行降水将会引起接近1 cm的盾构下沉,开挖后盾构将会因为应力释放而产生盾构上抬,最终上抬量控制在1 cm以内,满足规范要求。

表3 左线盾构隧道断面位移统计对比表 mm

表4 右线盾构隧道断面位移统计对比表 mm

5 结论及建议

通过数值模拟计算表明:开挖下穿道,盾构隧道周围区域的土体需要采取加固处理。在不采取降水措施时,隧道两侧及开挖通道两侧土体加固范围越宽,隧道基底及开挖通道两侧土体加固深度越深,土体的加固效果越好,表现在开挖下穿道时盾构隧道上抬量的减少;采取降水措施后,将使土体最终加固效果大为改善,在土体中加固较小和较浅的范围即可达到需要的效果。建议施工时采用土体加固、降水的方案,盾构隧道周围以及左、右隧道之间的土体均应加固,以确保下穿道开挖施工中盾构隧道安全。

[1] 姜向红,乔恒昌.在运营的地铁隧道上方进行大面积基坑施工[J].上海建设科技,2007(6):28-30.

[2] 陶龙光,巴肇伦.城市地下工程[M].北京:科学出版社,1996.

[3] 杜建华,高 谦,宋卫东,等.北京地铁隧道下切穿越 1号线施工过程模拟研究[J].铁道建筑,2008(5):50-53.

[4] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.