劉國寶

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)速度的加快以及地下空間開發(fā)力度的加大，新建地鐵隧道近距既有地鐵施工的情況日益增多［1-5］。然而，新建淺埋暗挖隧道的施工不可避免要引起鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力增加，超過其承受能力或允許值時，就可能引起結(jié)構(gòu)破壞，甚至危及列車運(yùn)營安全;此外，由于隧道結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形，還可能導(dǎo)致凈空限界不足而影響列車運(yùn)營安全。因此，新建淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵隧道施工時，必須根據(jù)既有地鐵的保護(hù)要求，采取科學(xué)的方案和有效措施以減小新建隧道周圍土體和既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形，確保既有地鐵的安全運(yùn)營。

結(jié)合北京地鐵4號線角門西站下穿既有地鐵區(qū)間隧道工程，對穿越既有斷面的淺埋暗挖隧道斷面形式進(jìn)行了比選，通過有限元方法對合適斷面形式下新建隧道施工對既有地鐵影響進(jìn)行預(yù)測分析，并以數(shù)值分析和現(xiàn)場實測手段對輔助措施進(jìn)行了驗證分析。研究結(jié)論可為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

依托工程為北京地鐵10號線角門西站穿越既有4號線暗挖隧道工程，兩站呈“十”字交叉。既有線為地下兩層端廳式車站，南、北兩端為明挖兩層站廳，底板埋深16.6 m;中部為單層三連拱暗挖段，長28.54 m，斷面總寬度221 m，總高度9.9 m，頂部覆土厚度約7.5 m。既有線車站暗挖段適當(dāng)?shù)仡A(yù)留了新線下穿的條件，即底板為厚度1.1 m平板，底縱梁尺寸1.3 m×2.5 m，底板縱向分布鋼筋加強(qiáng)。

新線車站需在既有線暗挖段下方穿越既有線車站，兩車站結(jié)構(gòu)凈距0.15 m。其平面及剖面關(guān)系分別見圖1，圖2。

圖1 穿越隧道與既有車站位置關(guān)系總剖面圖

2 隧道施工方案

近年國內(nèi)關(guān)于地鐵穿越既有線的工程實例較多，如北京地鐵5號線崇文門暗挖車站下穿地鐵2號線區(qū)間、機(jī)場線東直門站下穿、側(cè)穿13號線東直門折返線、廣州地鐵3號線廣州東站、體育西路站下穿1號線車站等。綜合各地已實施的穿越既有線的工程，措施方案的合理制定主要基于對既有線結(jié)構(gòu)變形的控制，保證既有線結(jié)構(gòu)的安全、正常運(yùn)營，及確保施工過程的安全，避免災(zāi)害事故的發(fā)生。

圖2 穿越隧道與既有車站位置關(guān)系平面圖

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，在滿足車站功能的前提下，設(shè)計方案選取應(yīng)盡量降低工程風(fēng)險，優(yōu)先采用暗挖小斷面穿越既有線。其目的在于減少開挖步序，減少對地層擾動的次數(shù)，從而有效的控制既有線的變形。此外，小斷面可簡化施工流程，有利于降低工程難度，加快施工進(jìn)度，更充分利用“時空效應(yīng)”，在一定程度上也減少了開挖施工引起的地層及既有結(jié)構(gòu)變形。

根據(jù)既往穿越既有線的成功經(jīng)驗，單洞小斷面穿越既有線可采用矩形和馬蹄形兩種斷面形式。矩形斷面穿越既有線在采取適當(dāng)措施和合理施工工序的前提下，可利用其直墻對既有線形成豎向支撐，對施工期間控制沉降有利，但其工藝略復(fù)雜，造價略高。一般認(rèn)為馬蹄形斷面對沉降控制較矩形斷面更不利，但其本身受力形式較好，工藝成熟，施工相對簡單，進(jìn)度快，造價略低。

由于馬蹄形斷面有其自身的優(yōu)勢，為加快工程進(jìn)度，降低工程造價，本次主要針對馬蹄形斷面形式在本工程的適用性進(jìn)行深入計算、研究分析。

3 下穿越數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值分析模型

根據(jù)新線車站和既有車站的相對關(guān)系，建立土體和結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。

根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖、暗挖隧道與既有車站相對位置關(guān)系建立數(shù)值模型，模型橫向兩側(cè)各留約3倍洞徑，縱向取至兩側(cè)明挖豎井，整體模型寬80 m，長35 m，高41.5 m。不同土層厚度做了適當(dāng)簡化，地層采用實體單元、摩爾材料模擬，既有車站采用實體單元、線彈性材料模擬，暗挖隧道初支采用殼(Shell)單元、線彈性材料模擬。

新線暗挖隧道開挖面寬度10.1 m，開挖面高度9.3 m，面積77.7 m2，兩洞間凈距3.65 m。開挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分六次開挖，平均每次開挖暴露掌子面面積12.95 m2。每次開挖進(jìn)尺按0.5 m控制，開挖分部間縱向步長不小于5 m。

淺埋暗挖隧道設(shè)計支護(hù)參數(shù)為:初期支護(hù)厚度0.35 m、格柵鋼架間距0.5 m及二次襯砌厚度0.6 m。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 不注漿加固下隧道變形

在對既有地層不采用加固措施的前提下，既有線結(jié)構(gòu)的豎向位移如圖3所示。由圖3可知，采用馬蹄形斷面而不采用注漿措施的前提下，既有線結(jié)構(gòu)的沉降最大值已接近甚至超過評估要求值，其結(jié)論是不可行的，同時也證明了在此類地層中對基層加固的必要性。

圖3 不加固時既有結(jié)構(gòu)豎向沉降

3.3 注漿加固下隧道變形

為控制沉降，對暗挖隧道的地層進(jìn)行全斷面注漿加固，加固范圍取隧道兩側(cè)和下部各1.5 m。

注漿加固后，加固體的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.8 MPa～1 MPa。計算分析時，考慮加固體參數(shù)的離散性，對加固體的強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p。既有線結(jié)構(gòu)的豎向沉降計算結(jié)果如圖4所示。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)測反饋分析

通過以上計算分析表明，采用馬蹄形斷面形式并采取適當(dāng)?shù)妮o助工法在本工程中是可行的。通過實際實施效果亦有效的驗證了這一點(diǎn)。本工程實施完成后，根據(jù)對既有線結(jié)構(gòu)的監(jiān)測報告整理的既有線沉降數(shù)據(jù)，最大沉降12.57 mm，既有線結(jié)構(gòu)的最大縱向傾斜為0.07%，同時根據(jù)最終監(jiān)測結(jié)果，既有結(jié)構(gòu)明、暗挖變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)最大差異沉降2.4 mm。

圖4 加固時既有結(jié)構(gòu)豎向沉降

根據(jù)本次計算結(jié)果，既有線結(jié)果的最大沉降接近15 mm，能滿足評估報告的要求。同時，既有線結(jié)構(gòu)自身剛度較大，其沉降變化曲線接近線性，即其變化趨勢較均勻，車站暗挖段整體下沉特性較好。由于暗挖段和明挖段設(shè)置了變形縫，變形縫處差異沉降最大值為7 mm。同時根據(jù)計算結(jié)果，其橫向變形小于0.1 mm，亦能滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)語

1)本工程根據(jù)評估報告及通過詳細(xì)的計算分析，突破了過既有線暗挖采用平頂直墻的固有思路，采用傳統(tǒng)的馬蹄形斷面形式，取得了很好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。初步估算，采用馬蹄形斷面比采用平頂直墻斷面節(jié)約工期1個月左右。本工程的成功實施，對類似工程有一定的借鑒意義。

2)暗挖法穿越既有線對施工的要求同樣較高，施工過程的控制對過既有線工程的成敗起關(guān)鍵作用。注漿加固的實際效果、暗挖格柵架設(shè)的及時性、格柵節(jié)點(diǎn)的處理、降水等都直接影響對既有線結(jié)構(gòu)沉降效果的控制。

3)本工程在實施的過程中，對既有線的結(jié)構(gòu)及軌道進(jìn)行了全程的實時監(jiān)測，結(jié)果表示，實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、及時性對本工程的實施起到了很好的指導(dǎo)作用，極大的指導(dǎo)了工程的順利實施。

［1］ 王占生，張頂立.淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的關(guān)鍵技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007(12):4208-4214.

［2］ 張成平，張頂立，吳介普，等.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制［J］.中國鐵道科學(xué)，2009，30(1):69-73.

［3］ 孔慶凱，劉化圖.新建隧道穿越施工對既有雙線地鐵隧道的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010(6):1448-1451.

［4］ 李東海，劉 軍，蕭 巖，等.盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009(28):3182-3186.