铁2017年第5期 道 建 筑 67 Railway Engineering 文章编号:1003—1995(2017)05—0067—04 矿山法隧道下穿既有盾构隧道微变形控制技术 陶连金 ,田治旺 ,车彦文 ,陈向红 (1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124; 2.内蒙古科技大学土木工程学院,内蒙古包头014010) 摘 要 北京地铁8号线矿山法隧道下穿既有运营10号线盾构隧道时,采用MIDAS/GTS NX有限元 软件对穿越施工过程进行三维弹塑性数值模拟,研究锁扣管幕与全断面深孔注浆条件下隧道开挖对既 有结构的影响。结果表明:管幕施工导致的既有结构沉降约占既有结构最终沉降量的40%;受左右线 施工先后的影响,新建隧道上方既有结构沉降略显不对称;既有结构纵向沉降呈双凹槽形,最大沉降出 现在左线隧道中心线正上方,最终沉降量为2.56 mm,满足结构沉降控制的要求。经实际工程验证,锁 扣管幕与深孔注浆支护体系在控制既有结构沉降方面效果良好。 关键词 地铁隧道;变形控制;数值模拟;盾构隧道;矿山法;管幕;全断面注浆 中图分类号 U455.4 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.05.19 新建北京地铁8号线矿山法隧道下穿既有10号 线盾构隧道,这种新的地铁穿越类型属于国内首例,无 相关工程经验与研究成果可借鉴 。 。新建矿山法隧 道处于富水密实的砂卵石地层中,新旧隧道净距小、沉 = ‘En . : . 一 临时仰拱 新建矿山法隧道 降控制难度大、穿越风险极高。同时,既有运营盾构隧 道刚度小、抗变形能力差,其隆起及沉降控制限值分别 为2.0 mm与3.0 mm 其应用效果进行分析。 。基于实际工程需求,提出 图I新建隧道下穿既有盾构隧道断面(单位:mm) “锁扣管幕+全断面深孔注浆”微沉降控制技术,并对 阀管,顶进施工时进行注浆润滑,顶进完成后进行注浆 1 工程概况 新建北京地铁8号线下穿既有运营10号线,穿越 段左右线隧道间距17 m,新建隧道断面宽度6.3 m,高 加固。③管幕以下断面采用分段后退式深孔注浆,注 浆浆液采用水泥+水玻璃双液浆,加固范围为开挖轮 廓线外2.5 m。④穿越段采用台阶法开挖,增设临时 仰拱,先开挖上半断面50 m穿过既有盾构隧道结构,及 早使初支结构封闭成环,再开挖下半断面至完成穿越。 度6.5 m,覆土约23.7 m,与既有l0号线盾构隧道竖 向净距仅为2.456 m。既有10号线盾构隧道处于正 常运营阶段,无法在既有隧道洞内采取有效的加固措 2三维数值模拟 2.1计算模型 施,只能在新建隧道施工过程中采取有限的沉降控制 措施。新建隧道下穿既有盾构隧道断面见图1。 新建隧道穿越段采用“锁扣管幕与全断面深孔注 采用MIDAS/GTS NX有限元软件对穿越施工过 程进行三维弹塑性数值模拟,研究“锁扣管幕与全断 面深孔注浆”施工对既有结构的影响。模型参数:新 建隧道横向取60 m,竖向取50 m,轴向取46 m。模型 顶部为自由边界,对底部进行法向和切向约束,其余 浆”微沉降控制技术。具体施工步骤:①在下穿段隧 道拱部顶进长36 m的+299钢管,采用“外管保护顶 进为主,管内螺旋出土为辅”的方法施工,钢管间用锁 扣连接成为整体管幕。②锁扣上方安装 51注浆袖 收稿日期:2016一I2-31;修回日期:2017-02—24 基金项目:国家自然科学基金(41572276) 作者简介:陶连金(1964一),男,教授,博士。 E・mail:tzw77405O442@I63.con 4个侧面均为法向约束。计算模型内的土体均按照匀 质弹塑性材料考虑,采用Mohr.Coulomb准则,支护结 构按弹性计算 。土体及新建隧道初期支护采用实 体单元模拟,管幕钢管和既有盾构隧道结构均采用结 68 铁道 建筑 May,2017 构单元模拟 ”。。三维数值计算模型见图2。 新建隧 道和既有盾构隧道位置关系见图3。 2.4模拟结果与分析 新建隧道左线上半断面开挖过程中既有结构最大 沉降点累积沉降曲线见图4。可以看出,既有结构最 大沉降点沉降过程大致分为3个阶段:①从开始开挖 到挖至既有结构北侧阶段。既有结构缓慢沉降,沉降 量为0.4l mm。②穿越既有结构阶段。既有结构沉降 速率加快,开挖至正下方时沉降速率达到最大。该阶 段既有结构的沉降量占到上半断面穿越施工总沉降的 70%。③通过既有结构之后。这一阶段沉降速率明显 减缓,既有结构沉降趋于稳定,沉降量及沉降速率均远 图2三维数值计算模型 小于前一阶段。 上半断面开挖进尺/m 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 1】I2 13 l4 l 5 l6 l7 北 图3 新建隧道和既有盾构隧道位置关系 0 Euv世蜉霉好 岱 图4新建隧道左线上半断面开挖过程中既有结构 0 5 ● 0 ● 5 2 O 最大沉降点累计沉降曲线 2.2材料参数选取 考虑计算的方便,将整个地层整合为5层。由上 到下依次为杂填土、粉细砂、圆砾卵石、粉质黏土、卵 石。土层参数参照本工程地质勘查报告选取。土层及 支护结构的物理力学参数见表1。 表1 土层及支护结构的物理力学参数 既有结构在新建隧道左线施工完成后的沉降曲线 见图5。可知:①管幕施工可导致既有结构沉降,管幕 施工完成时沉降为1.63 mm,若排除注浆抬升产生的 沉降恢复,管幕施工引起的沉降占到最终沉降量的 4%。②注浆后既有结构的最大沉降量为0.27 mm,抬 升了1.36 mm,可见注浆对既有结构有明显的整体抬 升作用;注浆抬升后既有结构沉降曲线平滑,表明管幕 支护结构起到了整体承托作用,避免了在砂卵石地层 直接深孑L注浆造成的既有结构不均匀沉降。③上半断 面开挖后既有结构沉降呈单凹槽状,最大沉降量为 1.8l mm,约占开挖施工引起的沉降量的79%。这是 因为上半断面开挖直接扰动既有线下方土体,上半断 面开挖后封闭成环,减弱了下半断面开挖对围岩的扰 动。④既有结构沿纵向的沉降曲线呈正态分布,近似 Peck曲线,穿越完成后最大沉降量为2.35 mm,最大沉 降点位于新建隧道拱顶正上方。 距两地铁线交点距离 2.3 施工步序 新建隧道左线下穿既有北侧盾构隧道的施工过程 兰 量 5-30-25-20-l5一Io-5 o 5 10 1 5 20 25 30 35 分为4步:①管幕施工;②袖阀管补注浆及全断面深孔 注浆;③开挖左线上半断面至50 m,穿过既有盾构隧 敬 jj}} 道结构(以下简称既有结构);④开挖下半断面至穿过 既有结构。新建隧道左线穿越完成后施工右线,右线 的施工步序与左线相同。 搔 图5 既有结构在新建隧道左线施工完成后的沉降曲线 2017年第5期 陶连金等:矿山法隧道下穿既有盾构隧道微变形控制技术 69 新建隧道右线完成穿越施工后既有结构最终沉降 曲线见图6。分析可知:①受左右线施工先后的影响, 新建隧道上方既有结构沉降略显不对称 先开挖的左 线施工引起围岩应力重分布,加之支护结构的存在,导 致了右线开挖时既有结构沉降值小于左线,其沉降槽 宽度亦大于左线。②既有结构最大沉降出现在左线隧 道中心线正上方,最终沉降量为2.56 mm,满足沉降控 制值3 mm的要求。 距新建隧道两线中点距离/m o-40—30—20-1o o 1o 20 30 40 50 宜 昌 逝 姆 怔 盛 图6 既有结构最终沉降曲线 通过以上分析发现,既有结构沉降量主要由2部 分组成:①管幕施工引起的地层扰动导致的既有结构 沉降,约占既有结构最终沉降量的40%;②在管幕支 护体系下隧道开挖土体卸荷引起的既有结构沉降。因 此,本工程应重点控制管幕施工引起的沉降和隧道开 挖施工引起的沉降,并应根据实时监测数据,通过注浆 抬升措施主动控制既有结构沉降。 3模拟值与实测值对比 穿越施工完成时既有结构沉降模拟值与实测值对 比见图7。可以看出:穿越施工完成时既有结构实测 沉降量为2.74 mm,稍大于模拟值;既有结构实测最终 沉降曲线与模拟最终沉降曲线基本一致,满足沉降控 制要求。说明计算模拟结果能够较好反映既有结构的 沉降规律,模型各个参数的选取是合理的。 距新建隧道两线中点距离,m -50-40-3o-2o一】o o lO 20 30 40 50 重。 羹: 3 图7 穿越施工完成时既有结构沉降模拟值与实测值对比 4结论及建议 采用MIDAS/GTS NX有限元软件对新建8号线 矿山法隧道下穿既有】0号线盾构隧道的施工过程进 行三维数值模拟,通过对比分析模拟结果与现场实测 数据,得出以下结论: 1)“锁扣管幕+全断面深孔注浆”措施在本工程 中对于控制既有结构的沉降起到了良好效果,最终沉 降结果满足既有结构的沉降控制要求,采用该措施穿 越施工合理有效。 2)管幕施工会引起既有结构沉降,管幕施工过程 中应严格控制钢管顶进力、螺旋出土量、袖阀管注浆压 力等施工参数,以减小既有结构沉降。 3)管幕支护条件下的深孔注浆对既有结构整体 抬升作用明显。施工过程中应根据实时监测数据,通 过调整注浆压力主动控制既有结构沉降。 4)新建隧道上半断面的开挖施工是既有结构沉 降控制的重点,施工时应严格遵守浅埋暗挖法十八字 方针,以减小对既有结构的影响。 5)穿越施工完成后既有结构纵向沉降呈双凹槽 状。新建隧道上方既有结构沉降略显不对称,先施工 的左线引起的既有结构沉降大于后施工的右线,故先 施工的左线是沉降控制的关键。 参 考 文 献 [1]房倩,张顶立.浅埋暗挖地铁车站下穿既有结构施工方法 研究[J].中国铁道科学,2007,28(5):71.78. 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[I2]张宏,韩竹青,逢显星,等.浅埋暗挖地铁车站平行下穿大 型城市隧道的施工方法研究[J].铁道建筑,2015(9):60— 62. 70 铁道建筑 May2017 ,Micro-deformation Con trol Technology for Tunnel Excavation with Mine Tunneling Method Cro"Ltgrossing Undernea g Undel ath Existing Shield Tunnel TAO Lianjin ,TIAN Zhiwang ,CHE Yanwen ,CHEN Xiangh。ng (1・K。y L b。rat。ry。f Urban Security and Disaster Engineering。f Ministry。f EducationBeiji“g Universi y。f Techn。1。gy, ,B ijing l00124,Chin ;2・The Sch。。1。f CiVil Engineering,Inner Mong。lia University。f Science and Techn。1。gy, Baotou Inner Mongolia 014010,China) Abstract The tunnel with mine tunneling method in Beijing subway line 8 crosses underneath the existing shield tunnel in operating line 1 0.The three。dimensional elastoplastic numerical simulation was carried out for the crossi,ng construction process by using MIDAS/GTS NX finite element softwareand the influence 0f tunnel excavation on £he ex sting structure was studied under the condition of the lock pipe roof and the fu11.face deep hole gr0ut g..The results show that the subsidence of the existing structure caused by the pipe roof construction accounts flOr about 40% of the final subsidenceand the subsidence of the existing structure is slighdy asymmetrical ab0ve the newlybuilt ,-tunnel,which is affected by the left。right line tunnel construction sequenceThe longitudinal subsidence of existing .ructure presents double concave groove,山e maximum subsidence appears above the center line of the left 1ine tunnel and the final subsidence is 2.56 mmwhich could meet the requirements of structure settlement contro1The ,.l。 k p P。roof and the d。。P hole groutng support system have good efrects on controliling the subsidence of existing structure,which has been proved by practical engineering. Key words Subway tunnel;Deformation control;Numerical simulation;Shield tunnel;Mine tunneling method;Pipe roof;Full—face groutin g (责任审编 葛全红) (上接第40页) Prefabricated Construction Technology of Segmental Girders LIU Guangwei (China Railway 19th Bureau Group 2nd Co.,Ltd.,Liaoyang Liaoning 1 1 1000China) .Abstract The north approach bridge of Shanghai—Nantong Yangtze River Bridge is a combinati0n secfion of highway and railway wih t4 spans of37 m simple supported box girders and 14 spans of48 m simpIe supported b0x der s_The box girders were constructed by segmental prefabricated construction technology.According c()山e characteristics and working conditions of prefabrication and erection during the construction stagethe construction .te was reasonably chosen and arranged,the steel processing area,the steel banding pedestal and the segmental girder .prefabricated area were scientifically arranged to avoid the operation conflict in the construction stageAt the same nme,the segmentla girder prefabricated quality and efficiency were greatly improved by using appropriate equ pments and fac lines,and the corresponding construction technology was adoptedThis paper has some .references for similar construction and quality control in the future. Key words Rail—cam。road bridge;Segmental girder;Field test;Prefabrication:Construction technol0gY (责任审编 赵其文)