既有地鐵隧道安全距離的確定

1地下方案方案4目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于新隧道和既有地鐵隧道的情況有幾篇報(bào)道。根據(jù)對(duì)北京地下鐵4號(hào)線工程的研究，以北京圖書館西路為背景，分析了新建隧道和現(xiàn)有地鐵之間的合理安全距離。展覽館西路工程南起車公莊大街,經(jīng)由展覽路西側(cè)向北,至高梁橋路,是改善西直門地區(qū)地面交通狀況的重要工程。在地下方案中新建地下段的2條隧道將下穿既有地鐵4號(hào)線西直門—?jiǎng)游飯@區(qū)間。新建的2條隧道擬采用盾構(gòu)施工,盾構(gòu)隧道外徑12.5m,兩隧道的凈距為12.5m,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂距4號(hào)線區(qū)間隧道凈距初擬為8.75m。既有4號(hào)線隧道為單線雙洞馬蹄形斷面,采用礦山法修筑而成,初支厚度為0.3m,二襯厚度為0.5m。4號(hào)線修建期間已考慮市政道路采用盾構(gòu)下穿的可能,考慮對(duì)初支底板下的地層進(jìn)行注漿加固。開展計(jì)算研究的目的,就是要通過(guò)計(jì)算分析確定豎向8.75m隧道間距是否足夠,有無(wú)進(jìn)一步優(yōu)化的可能,同時(shí)對(duì)注漿加固的范圍進(jìn)行檢驗(yàn)。2計(jì)算模型和參數(shù)2.1盾構(gòu)隧道模型計(jì)算采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維開挖模擬分析,三維計(jì)算有限元模型尺寸為長(zhǎng)96m,寬60m,高80m,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的網(wǎng)格如圖1所示,共有30704個(gè)單元,35037個(gè)節(jié)點(diǎn)。除盾殼單元用Shell63單元模擬外,其余單元用的是Solid45三維8節(jié)點(diǎn)等參單元。模型上部為地鐵4號(hào)線,下部為展覽館西路盾構(gòu)隧道段。兩既有隧道水平相距8.6m,兩新隧道水平相距12.5m,新隧道和既有隧道位置如圖2所示。計(jì)算中考慮新建隧道左、右線縱向拉開施工距離,分次通過(guò)既有線區(qū)域,共設(shè)置了40個(gè)開挖步,其中1～20步模擬新建左線穿過(guò)該區(qū)域,21～40步為新建右線穿過(guò)該區(qū)域。2.2計(jì)算參數(shù)計(jì)算中圍巖及混凝土的物理力學(xué)參數(shù)參見表1。2.3計(jì)間距為分析隧道豎向安全距離,在計(jì)算中對(duì)以下4種設(shè)計(jì)間距進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算:8.75、6、4、2m。加固范圍從既有隧道的底部到新建盾構(gòu)隧道底部1m,加固后的地層參數(shù)按照表2的注漿加固指標(biāo)選取。3現(xiàn)有隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的分析3.1微生物指標(biāo)在討論各種隧道凈距下,新建隧道對(duì)既有隧道的影響,關(guān)鍵是了解既有隧道的應(yīng)力變化,以及既有隧道的沉降,這兩個(gè)指標(biāo)可分別作為微觀、宏觀表征量評(píng)價(jià)方案的安全性。如圖3所示,沿既有上層隧道選取了5個(gè)斷面,每個(gè)斷面相距12.5m。其中2號(hào)截面位于新建盾構(gòu)隧道左線的正上方處,在開挖左線的時(shí)候是最危險(xiǎn)的截面;4號(hào)截面位于新建盾構(gòu)隧道右線的正上方處,在開挖右線的時(shí)候是最危險(xiǎn)的截面。3.2主特征點(diǎn)的電壓和位移計(jì)算2號(hào)、4號(hào)兩截面特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力、最大位移與開挖的關(guān)系曲線見表3、表4。3.3間距和水平位移對(duì)主應(yīng)力及豎向位移的影響根據(jù)以上計(jì)算,分析得出以下結(jié)論。(1)隧道間的豎向間距是控制各截面處的主應(yīng)力及位移的主要因素,研究中隨著隧道間距的變小,既有主應(yīng)力及位移均增加。(2)隧道豎向間距從8.75m減小到4m時(shí),主應(yīng)力及豎向位移增大的幅度不大;當(dāng)間距減小到2m時(shí)主應(yīng)力有了顯著的增加,其對(duì)比變化見表5。在隧道凈距達(dá)到2.0m時(shí),第一主應(yīng)力最大增加到了4.62MPa,已經(jīng)超過(guò)了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度,說(shuō)明開挖間距過(guò)近,安全距離不夠。(3)隧道間距的減小并沒有對(duì)豎向沉降值產(chǎn)生重大影響,但是水平位移隨著間距的減小在逐步地增加,增加的幅度較大。通過(guò)分析,這和既有隧道周邊地層中沒有注漿有關(guān),同時(shí)新建隧道的縱向施工形成地層的局部蠕變,也是產(chǎn)生水平位移的原因。(4)對(duì)地層進(jìn)行注漿加固,顯著改善了地層的抗變形能力,注漿深入新建隧道下1.0m的方案能夠滿足工程安全實(shí)施的要求。4試算參數(shù)(1)上下相疊隧道的開挖應(yīng)采用多控指標(biāo)滿足既有隧道的安全需求,在傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,須同時(shí)進(jìn)行混凝土的應(yīng)力監(jiān)測(cè),這對(duì)隧道耐久性也是十分必要的。(2)2m4m試算,考慮安全儲(chǔ)備、地層差異性,以及盾構(gòu)前端壓力控制技術(shù)等因素,綜合確定研究工點(diǎn)處交疊隧道的最小安全距離按4m控制為宜。(3)經(jīng)過(guò)試算比較,對(duì)地層進(jìn)行注