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浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特性分析

张 凡
(江苏城乡建设职业学院 江苏省 常州市 213147)
  摘 要:近年来,我国城市交通压力不断加重,为了使城市交通压力得到有效缓解,大规模开展地铁建设势在必行,而在地铁建设过程中,却经常会遇到线路穿越问题,如果应用浅埋暗挖法进行下穿时存在盾构隧道,势必会扰动隧道中的既有结构,进而给隧道开挖带来很大影响,甚至还会因此影响到周边建筑物安全。 鉴于此,本文便以北京地铁6号线和4号线的平安里到北海北站区间为工程实例,对浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特性进行深入的分析,以期能够降低施工安全风险,确保地铁建设的顺利完成,并为其他类似工程提供相应的借鉴。
关键词:浅埋暗挖法;盾构隧道;变形特性
1 工程概况
  该工程位于北京地铁4号线和6号线的北海北站至平安里站区间,该区间中的线路走向呈EW,在区间施工过程中,主要应用浅埋暗挖法。盾构隧道为复合衬砌结构,其顶板埋深范围在 16.6~20.32m之间。该盾构隧道所处地层主要为粉细砂层和圆砾卵石层,在施工过程中,计划在地铁4号线的盾构隧道上方垂直穿过6号线的隧道,其下穿段为K8+495~K8+510,使该下穿段能够与下方的地铁4号线盾构隧道处于正交状态。在4号线的盾构隧道中,其外径尺寸是6m,而且盾构隧道的底板埋深达到17.27m,在下穿过程中,既有结构的仰拱距离新建的隧道拱顶只有2.6m。该工程是应用浅埋暗挖法对4号线中既有的盾构隧道进行近距离下穿,由于在国内尚未出现类似工程,这也使下穿施工存在很大的安全风险,其周边建筑物数量较多,再加上地质环境复杂,新建隧道和既有盾构隧道之间的距离较近,有着很明显的相互影响,因此如何应用浅埋暗挖法来进行顺利下穿的同时,避免对既有结构造成扰动,已经成为地铁工程能否顺利施工的关键。为此,本文利用 peck 对下穿段中的地表沉降、既有结构变形等实测数据进行拟合,以此研究地表及既有结构在变形过程中存在的规律。
2 浅挖暗挖法下穿段中的地表变形规律
  在得出peck在单线隧道施工过程中地表的沉降曲线的基础上,结合沉降槽在宽度上所具有的变化规律,可对相同埋深条件下的双孔平行隧道进行peck公式修正,从而得出以下三个公式,即:
  在上述三个公式中,位于双隧道中心线地面上的x点距离平行双隧道横断面的沉降量由s(x)进行表示,而两条隧道在修建过程中所产生的单位长度沉降槽体积则分别由Vs1、Vs2进行表示,两条隧道在修建过程中所产生的沉降槽宽度则分别由与进行表示,沉降槽的宽度系数则分别由K1 与 K2表示,地层内某点埋深由z表示,双孔隧道轴线埋置深度由Z0示,两隧道的断面面积分别由A1A2进行表示,其地层损失率则分别由V1V2来进行表示,两隧道间的中心距由L进行表示。
  在对下穿段进行既有结构变形分析时,应用上述三个公式来进行拟合,参数选取和具体拟合结果如表1所示。
  通过Peck公式拟合结果表明,上行线与下行线的拟合方差值分别为0.87与0.89,通过对比实测值可发现两者基本吻合,由此也说明该Peck曲线能够反映出下穿盾构隧道中既有结构的变形沉降规律。在观测4号线盾构隧道的既有结构变形中可以发现,其变形呈现出明显的双凹槽状,而且属于柔性变形。当地铁6号线的新建隧道从上方正交下穿地铁4号线的盾构结构时,可发现盾构结构的变形形式主要表现为弯曲,通过对其进行抗弯刚度等效计算,可将既有的盾构结构进行等效转化为弹性模量,该弹性模量相当于盾构隧道横截面所产生的弹性模量大约5%的连续土层,由此也证明新建隧道在对既有盾构隧道进行下穿时,其变形是柔性的,并非属于刚体运动。通过分析表 1 中的拟合结果,可了解到地铁4号线在上行线与下行线边墙中所产生的沉降最高值分别是
6.7mm 与 73mm,而下行线结构在被新建左线穿过后所产生的沉降值则达到5.4mm,这一沉降值将近达到最终沉降值的 3/4,进而可以证明,既有结构之所以会出现沉降变形,究其原因在于受到隧道开挖的影响。该既有结构所产生的最终变形可达到国家规定的控制标准,这证明在应用浅埋暗挖法进行下穿时,应用深孔注浆地层来进行加固是比较合理的。
  既有结构的自身刚度也会影响到其自身的沉降,相比于暗挖结构来说,盾构隧道的刚度要更小,这也造成扰动作用相同的情况下,盾构隧道会产生更大的沉降值。除此之外,新建隧道距离既有结构越小,则在新建隧道施工过程中对既有结构周围土层造成的扰动影响也就越大,相应的既有结构也会产生更大的沉降。通过观察结果中既有结构的变形损失来看,其损失率分别是 0.35%和 0.45%,这要比非下穿段所造成的地层损失要小。采用上文中的第一个公式来拟合该下穿段中的地表沉降数据,可通过拟合结果了解到,其沉降模式不同于既有结构,究其原因在于既有结构对隧道施工过程中所产生的地层变形进行了部分吸收,使地层扰动传播受到了阻隔,进而使地表沉降模式发生了变化,其沉降曲线则显得更加平缓,并且地表沉降也呈现出均一化状态。除此之外,通过观察其地层损失率来看,其损失率分别是 0.28%和 0.32%,这也比下穿段中既有结构的地层损失率要小,究其原因在于新建隧道在下穿过程中应用了深孔注浆来加固地层,并且既有结构自身也吸收了一部分的地层变形。
3 结 语
  综上所述,本文对浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特性进行了深入的分析与研究,从而帮助工程人员在地铁施工过程中能够掌握新建隧道和既有结构之间的相互关系,从而显著降低了施工活动对既有结构造成的扰动,有效保障了地铁工程的施工安全。

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