盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究_张旭.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究张旭1,2,3,满忠昂1,许有俊1,2,3,成鹤1,王文千1(1.内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头,0140101;2.内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心,内蒙古 包头 014010;3.内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室,内蒙古 包头 014010)摘要:为解决新建盾构隧道近距离下穿矩形顶管法修建的地下过街通道变形控制的工程难题,以呼和浩特地铁盾构区间隧道下穿“井”字型地下过街通道为依托,通过数值模拟预测地下过街通道变形规律,据此提出安全控制方案,通过现场监测结果验证加固方案的合理性。结果表明:地下过街通道横断面沉降槽呈非对称的“W”形,最大沉降部位出现在左线隧道的正上方,是变形控制的重点区域;地下过街通道错台量最大的部位是先建盾构正上方的管节接缝处,最大错台量为 2.7 mm;在盾构下穿期间,通过合理控制掘进参数和及时二次注浆加固的措施能够满足变形控制的要求。关键词:盾构隧道;矩形顶管法;地下过街通道;变形特征;安全控制中图分类号:TU941文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0952-06Case Study on Safety Control of Underground Street Passages During the Excavation of Shield Tunnels beneathZhang Xu1,2,3,Man Zhongang1,Xu Youjun1,2,3,Cheng He1,Wang Wenqian1(1.School of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China;2.Engineering Research Center of Disaster Prevention and Mitigation of Building Structure at Inner Mongolia Autonomous Region,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China;3.Inner Mongolia Key Laboratory of Safety and Durability for Civil Engineering,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China)Abstract:To solve the problem of controlling the excessive deformation of the existing underground street passages excavated by the rectangular pipe jacking method due to the adjacent shield tunnels construction beneath,based on the shield tunnels constructed beneath a well-type underground street passage in Hohhot Subway,the numerical simulation was firstly performed to investigate the deformation of the existing underground street passages,hereby the appropriate scheme for controlling the structural safety was proposed.Finally,in-site monitoring was applied to verify the reasonability of the construction scheme.The results indicate that the settlement trough of the cross-section settlement trough of underground crossing channel displays an asymmetrical“W”shape.The maximum settlement is located above the left tunnel,which is the most important area for controlling the deformation.The maximum dislocation of the duct piece is located at the passage above the new-built shield tunnel,and the maximum dislocation is about 2.7 mm.During the shield beneath construction,the requirement for controlling deformation can be ensured by adjusting the shield driving parameters and performing secondary grouting in time.Keywords:shield tunnel;rectangular pipe jacking;underground street passage;deformation characteristics;safety control收稿日期:2022-03-26(修改稿)作者简介:张旭(1989),男,辽宁大洼人,博士,讲师,主要从事隧道与地下工程领域的教学与科研工作。E-mail:zxbjtu 通讯作者:满忠昂(1995),男,山东枣庄人,硕士生,主要从事隧道与地下工程领域的研究工作。E-mail:779610902 基金项目:内蒙古科技大学建筑科学研究所开放基金项目(JYSJJ-2021Q05);国家自然科学基金(51868062)0引言近年来,城市修建地下过街通道常采用矩形顶管法,但由于管节之间采用 F 型承插接头,并且未设置螺栓、预应力棒等连接,导致容易受到地基不均匀沉降而引起接头部位出现张开、错台和扭转变形,进而出现管节接缝部位防水失效,严重威胁地下过街通道运营安全1-3。新建地铁盾构隧道不可避免的对地层有所扰动4,尤其是在地下过街通道的下方修建,施工风险较高,其安全控制是建筑工程界亟待解决的难题,据此提出合理的控制方案5。施工引起的地层变形特征及影响规律6-7对近距离下穿工程有最要的意义。因此,有必要对盾构下穿施工引起的既有地下过街通道变形特征和控制方法进行深入研究。目前,已有众多学者对新建隧道穿越既有隧道进行了大量研究,盾构下穿矩形顶管法修建的地下过街通道工程案例较少,主要是针对盾构下穿地铁车站、运营区间隧道、桥梁桩基础等开展较多研究,重点研究既有结构的力学响应和相应的保护措施8-10。有关地下过街通道的研究侧重于 F 型承插接头的力学行为、刚度模型、变形机制等11-13,但是已有研究大多采用单一方法,缺少互相验证的对比,成果还未能大范围推广应用。有关地下过街通道方面的技术标准较少,没有明确的变形控制标准和接头防水失效的确定依据,对于管节错台等控制措施的确定缺乏理论依据。盾构下穿既有地下工程采用的控制措施较多,例如注浆加固、控制掘进参数、土地改良等14-17,但是针对地下过街通道变形控制的研究较少。因此,亟待对盾构下穿矩形顶管法修建的地下过街通道工程进行深入地研究。为此,以呼和浩特地铁盾构区间隧道下穿既有地下过街通道工程为背景,通过数值模拟研究地下过街通道整体变形特征以及 F 型承插接头的错台情况,提出合理的安全控制方案,最后通过现场监测,分析地下过街通道变形控制效果。1工程概况呼和浩特地铁中山路站新华广场站盾构区间隧道起于中山路站,沿锡林郭勒南路敷设,终于新华广场站。本段区间隧道全线敷设于地下,采用盾构法施工。在距离起始端 51.8 m 处近距离下穿1 座地下过街通道,其平面为“井”字型,如图 1 所示。该 通 道 宽 为 6.9 m,高 为 4.2 m,埋 深 为5.4 m,为地下一层箱型结构,4 个换乘厅采用明挖法施工,该通道采用矩形顶管法施工,管节之间采用 F 型承插接头连接。盾构隧道拱顶距离地下过街通道底板约 2.5 m,盾构穿越该段主要地层为细砂和粉质黏土层。地质剖面如图 2 所示。图 1工程平面图Fig.1Plan view of the project图 2地质剖面图(单位:mm)Fig.2Geological profile(unit:mm)2施工前变形预测2.1数值模型建立采用 Midas GTS 建立三维数值模型,模型尺寸为沿 x 轴方向 79 m,y 轴 方 向 101 m,z 轴 方 向30 m,盾构区间隧道与地下过街通道(包括 4 条地下过街通道和 4 座换乘厅)的空间布置与实际工程一致,如 图 3 所 示。该 模 型 网 格 单 元 数 量 为17 659 个,节点数量为 70 475 个。模拟中采用的盾构衬砌外径为 6.2 m,宽度为 1.5 m,厚度为0.45 m。地下过街通道的厚度为 0.45 m。2.2数值参数选取由于现场地质环境较复杂,参照盾构下穿区段的地勘报告,将地层简化为素填土、砂砾和粉质黏土 3 层,均采用 MohrCoulomb 模型,见表 1。地下结构(地下过街通道和盾构隧道)采用弹性模型,3592022 年增刊 2张旭,等:盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究图 3数值模型Fig.3Numerical model容重 为 24 kN/m3,弹 性 模 量 为 31 GPa,泊 松 比0.2。表 1地层力学参数Table 1Mechanical parameters of stratum地层名称厚度/m弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/()黏聚力/kPa容重/(kNm-3)素填土3.5150.3610819砂砾7.5400.3130020粉质黏土1912.80.351430202.3数值结果分析左线隧道依次通过第一、二条地下过街通道,之后右线隧道反方向掘进,4 次下穿地下过街通道时其结构竖直位移云图如图 4 所示。由于地下过街通道含有 4 个换乘厅并且结构非对称,当盾构区间隧道通过其上方的地下过街通道后,下穿段上方的地下过街通道的沉降规律有所差别。左线隧道通过第一条通道后,该通道的左侧靠近换乘 厅,盾 构 正 上 方 通 道 结 构 沉 降 最 大 值 为15.9 mm,而邻近的换乘厅结构主要以沉降为主。左线隧道通过第二条通道后,由于后续施工扰动,第一条通道结构沉降最大值增加至 16.2 mm。右线隧道掘进至第二条通道正下方时,右线隧道正上方的通道结构沉降量仅为 5.7 mm,随着盾构继续掘进,该值持续增加。右线隧道通过第一条通道后,地下过街通道结构最大沉降值为 16.2 mm。盾构两侧的地下过街通道和换乘厅结构均出现了局部隆起的现象,隆起发生在结构的外侧(远离盾构隧道一侧),最大值为 3.2 mm。第一条通道结构沉降最显著,取该通道的顶板、侧墙和底板结构的竖直位移,绘制该通道横断面沉降槽曲线,如图 5 所示。图 4地下过街通道竖直位移Fig.4Vertical displacements of underground street passage图 5地下过街通道横断面沉降槽Fig.5Cross section settle