李 翔

1 概述

21世紀(jì)是地下工程大發(fā)展的世紀(jì)，隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，我國的城市軌道交通工程建設(shè)也已逐漸進(jìn)入高潮，截止到2009年，我國已有10個城市開通了31條城市軌道交通線，運(yùn)營里程達(dá)到835.5km。近期國務(wù)院又批復(fù)了22個城市的地鐵建設(shè)規(guī)劃，至2016年我國將新建軌道交通線路89條，總建設(shè)里程為2500km，投資規(guī)模達(dá)9937.3億元，屆時建成和在建城市軌道交通總里程將接近4500km。

城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然帶來各區(qū)間線路和節(jié)點(diǎn)車站的交叉、換乘問題。如北京地鐵4，5，10號線和機(jī)場專線工程中就存在近10處穿越既有線的情況。因此可靠地解決這類工程問題便成為地下工程所面臨的重要課題。

2 近接隧道位置關(guān)系及其風(fēng)險研究

地鐵隧道施工不可避免引起近鄰既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，從而影響既有線列車的正常、安全運(yùn)營。因此，依據(jù)既有線保護(hù)的要求，采取有效措施來減小變形，確保既有線的安全運(yùn)營就顯得非常必要。另外，由于既有線重要性高，對附加變形要求嚴(yán)格，使得穿越工程難度大、風(fēng)險高。

隧道開挖過程中，通常上方沉降比下方圍巖的上浮隆起要大，并且上方圍巖受力復(fù)雜，剪切區(qū)域及壓剪區(qū)域的大量分布不利圍巖穩(wěn)定，而下方圍巖卸載回彈區(qū)分布有利于圍巖穩(wěn)定(見圖1)［4］。因此，對于同樣近距離的上、下穿越既有地鐵工程問題，下穿既有地鐵工程的施工風(fēng)險更大。

3 盾構(gòu)法隧道下穿施工引起既有地鐵結(jié)構(gòu)沉降計算

3.1 計算模型建立

根據(jù)北京某地鐵車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及載荷、盾構(gòu)施工順序、地層情況、隧道覆土厚度等，選取一定邊界范圍的土體作為分析對象，采用有限元計算分析軟件模擬盾構(gòu)下穿施工引起的地表沉降。模型建立過程中主要考慮了以下5個方面:

1)物理模型問題特性為平面應(yīng)變;2)計算方法采用彈塑性分析，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則;3)假定計算邊界處不受隧道開挖的影響，即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài)，變形為零，用約束來模擬;4)計算寬度取5倍的隧道直徑(從兩洞外側(cè)算起);計算深度為隧道地下3.0倍的隧道直徑，上方為隧道實(shí)際埋深;5)考慮到時間效應(yīng)，開挖過程中應(yīng)力的釋放率，開挖85%，支護(hù)15%。

3.2 計算結(jié)果

由圖2，圖3可以看出:隧道下穿過程中將產(chǎn)生一個沉降差，這個差值如果超限，將造成車站沉降、結(jié)構(gòu)彎曲和扭曲變形、已有裂縫的擴(kuò)展和錯動，并由此引發(fā)軌道幾何形位的改變:如鋼軌頂面相對高差(軌道水平)變化、軌道中心在水平面上的平順性(順軌向)變化、軌道沿線路方向的豎向平順性(前后高低)變化等。這些變化不僅會引起既有線隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增加，而且有可能會導(dǎo)致鋼軌頂面水平超差、軌向平順超差或前后高低超差。

另外，考慮到既有線的道床和基層的整體剛度不一，受變形過大的影響，道床和其基層之間將會產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，對既有線運(yùn)營產(chǎn)生危害。

4 基于變位控制原理的既有地鐵線沉降控制措施

4.1 變位控制原理

在既有運(yùn)營地鐵線路下修筑隧道，其首要管理目標(biāo)是保證既有線路的使用安全。由于隧道施工，尤其是大斷面隧道施工是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程，涉及到多種工藝、多道工序，自始至終都是一個動態(tài)的、不斷變化的過程，每一個施工步序都會對既有結(jié)構(gòu)與軌道產(chǎn)生不同程度的影響。而最終的影響則是每一個施工步序產(chǎn)生影響的累加。如果所有這些影響的累加仍然控制在既有線管理標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，則既有線的安全運(yùn)營是有保證的。所以，既有結(jié)構(gòu)變位分配原理，就是采用理論計算結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，將既有線的總變位控制值分解到每一個施工步序中，建立既有結(jié)構(gòu)分步施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 地表沉降控制措施

對于盾構(gòu)施工5個階段產(chǎn)生的地表沉降，按照變位控制原理具體采取以下控制措施:

1)嚴(yán)格控制土壓力。預(yù)先計算為減少開挖土體移動而必須設(shè)定土壓力，在施工中嚴(yán)格管理，使實(shí)際土壓略大于計算值。在實(shí)時監(jiān)測的情況下可以根據(jù)地表隆起狀況及時調(diào)整推進(jìn)速度及出土量，降低正面土倉壓力，達(dá)到降低地表隆起的目的。通過調(diào)整推進(jìn)速度及減少出土量，提高正面土倉壓力方式來控制盾構(gòu)機(jī)前方地表沉降。盾構(gòu)通過時的沉降是無法避免的，但是如果沉降超過設(shè)定值預(yù)警值時，可以采取控制掘進(jìn)速度和出土量，調(diào)整土倉壓力，控制同步注漿的壓力及注漿量，從而達(dá)到有效控制地層的彈塑性變形。

2)嚴(yán)格控制注漿量。注漿作為盾構(gòu)施工的一個關(guān)鍵工序，必須嚴(yán)格按“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的雙重保障原則，緊密結(jié)合施工監(jiān)控量測的反饋信息，不斷優(yōu)化注漿壓力的設(shè)定，注漿量一定要保證超過理論計算值，在實(shí)際平均注漿量的合理范圍內(nèi)波動。

3)盡量減少盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變。盾構(gòu)推進(jìn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行“勤糾偏，小糾偏”的原則，嚴(yán)禁大幅度糾偏，盡量減少施工原因造成的盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在過軌段(曲線段)推進(jìn)或仰頭、叩頭推進(jìn)過程中必須嚴(yán)格控制超挖方向，保證出土量在合理范圍內(nèi)。

4)嚴(yán)密觀察土質(zhì)變化狀況。地下水位變化是盾構(gòu)施工必然產(chǎn)生的，為確保其變化不大，施工中必須嚴(yán)格監(jiān)控挖掘出土體的質(zhì)量，杜絕水土分離的現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)出土中因地層含水量較大的，通過提高設(shè)定土壓力，在形成土壓平衡的同時，疏干開挖面的地下水，保證出土質(zhì)量。

5)減少對地層的擾動。盾構(gòu)施工對地層的擾動主要是盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)耐屏偷侗P旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因而保證盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械性能尤為重要。當(dāng)土壓力突變時，在分析原因的同時，采取填注泡沫的措施改良開挖土體。

6)保證拼裝質(zhì)量，減少管片變位/變形。隧道管片的變形量與管片拼裝的質(zhì)量緊密聯(lián)系，在施工過程中，必須強(qiáng)化施工管理，保證一次緊固結(jié)實(shí)。每環(huán)掘進(jìn)過程中，應(yīng)適時對螺栓進(jìn)行二次緊固。

7)實(shí)時監(jiān)測，信息化管理。

5 結(jié)語

1)變位分配控制方法集中體現(xiàn)在施工階段，但所涉及的內(nèi)容卻是工程各個階段工作的總和。對于此類工程進(jìn)一步的研究方向應(yīng)是從工程風(fēng)險的角度出發(fā)，采用系統(tǒng)工程的相關(guān)理論，對工程中各種風(fēng)險因素賦予權(quán)重，做到統(tǒng)籌兼顧，重點(diǎn)突出，才能有效地規(guī)避風(fēng)險，保證安全施工。

2)對于模型計算中土層參數(shù)的取值，尤其是開挖卸載后土層參數(shù)的取值，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定。

［1］仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對策的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2003.

［2］郭樹棠.隧道的鄰近施工措施［J］.科技技術(shù)通訊，1994(3):27-29.

［3］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2006.

［5］姚海波.大斷面隧道淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物施工技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2005.