劉 淼

(北京安捷工程咨詢有限公司， 北京 100037)

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西安地鐵側坡出入段線上跨既有隧道施工影響分析

劉 淼

(北京安捷工程咨詢有限公司， 北京 100037)

地鐵近接施工安全影響是軌道交通建設所面臨的重要問題，相關研究與分析對于現(xiàn)場施工及既有結構安全具有重要意義。以西安地鐵6號線側坡出入段線明挖上跨既有區(qū)間隧道為背景，通過對出入段線分塊、分層開挖以及結構回填過程的數(shù)值模擬，得出明挖施工卸載再加載過程對下臥隧道的影響程度。計算表明，周邊地層受明挖施工卸載再加載效應影響較為明顯，總體變形表現(xiàn)為隆起抬升，最大隆起量出現(xiàn)在基坑底部，約為48.15 mm；下臥隧道受出入段線施工影響的最大隆起量為10.86 mm，結構差異變形量為0.008 9%，出現(xiàn)在右線隧道被上跨部分底部；隧道管片最大拉應力為2.13 MPa，最大壓應力為4.92 MPa。隧道變形量滿足結構安全要求，隧道結構應力遠小于其設計強度，出入段線施工對下臥隧道影響較小。

西安地鐵； 出入段線； 近接開挖； 影響性評估； 明挖法； 盾構隧道

0 引言

隨著城市規(guī)模的擴大，地下軌道交通得到了長足的發(fā)展，地下線路之間近距離上跨或穿越的工程也日趨增多，地鐵出入段線作為軌道交通線路的配套設施，不可避免地和主體線路存在交叉或重疊現(xiàn)象。在隧道交疊問題研究領域，通常情況下認為隧道下穿施工的難度系數(shù)及風險因子相對較大，因此，學者們對于暗挖或盾構下穿問題進行了深入分析并取得了大量的研究成果[1-3]；隧道上跨施工風險則相對較小，然而其結構間在施工擾動影響范圍、受力模式轉換等方面與下穿施工存在根本性的不同。劉明高[4]針對新采隧道近距離上跨既有鐵路隧道工況，分別計算了明挖、放坡開挖等工法對周圍地層及既有隧道的影響，認為開挖回填引起既有隧道呈現(xiàn)先隆起后沉降的變形規(guī)律；趙煒[5]通過對明挖隧道近距離上跨盾構隧道的模擬計算，同樣得出明挖卸載易造成基底隆起及盾構隧道上浮等問題；李紅麗[6]分析了明挖隧道上跨既有地鐵區(qū)間的地層變形規(guī)律，認為二者交叉位置為最不利位置，并指出計算參數(shù)的選取值得深入探討。前人的研究成果為隧道明挖上跨問題研究提供了參考，但由于地層條件的差異以及上跨型式的不同，甚至計算過程及材料應力應變模式也不盡相同[7-9]，因此，明挖上跨問題仍需深入研究。

本文以西安地鐵出入段線上跨盾構隧道工程為例，采用鄧肯-張非線性彈性理論研究土體卸載回彈效應，通過三維數(shù)值模擬計算，動態(tài)分析明挖區(qū)間在開挖及回填過程中對既有隧道以及周邊地層的影響規(guī)律，根據(jù)計算結果指導監(jiān)控量測標準并提出其他合理化建議。

1 工程概況

西安市地鐵六號線一期工程自南客站出發(fā)，沿西太路向北，經錦業(yè)路、唐延路和高新路，終于勞動南路站，于西太路附近設側坡車輛段。側坡車輛段出入段線起迄里程CK0+27.45～CK1+210，由緯三十二街引出，沿西太路向南行進，如圖1所示。

圖1 側坡出入段線上跨區(qū)間隧道位置平面圖

Fig. 1 Relationship between access section of Metro Line No. 6 and shield tunnels

區(qū)間CK0+000～+930段線路位于地下，余段經由U型槽逐漸開口至地面標高。出入段線上跨區(qū)間右線隧道部分埋深13.6 m，出入段線與正線右線隧道間距為10 m，如圖2所示。

圖2 出入段線垂直上跨區(qū)間隧道位置橫斷面圖(單位：mm)

Fig. 2 Cross-section showing relationship between access section of Metro Line No. 6 and shield tunnels (mm)

出入段線采用明挖順作法施工，明挖框架圍護結構采用排樁+內支撐的型式，排樁根據(jù)基坑深度不同，分別采用φ800 mm@1 100 mm、φ800 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+樁間掛網噴射混凝土支護。

2 計算要點

2.1 計算模型

為分析側坡車輛段出入段線明挖施工對側緯區(qū)間(側坡車輛段—緯三十二街站)盾構隧道結構安全性的影響，針對出入段線上跨區(qū)間隧道的結構建立數(shù)值模型，按照具體的施工工序進行模擬，計算并分析出入段線開挖卸載與結構施作回填再加載過程對區(qū)間隧道的影響。

計算模型共劃分了18 400個實體單元，不同的土層采用不同的材料參數(shù)模擬，回填部分根據(jù)實際結構重度等效換算出回填單元的密度。模型中的土體采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的彈塑性模型，明挖圍護結構及盾構管片采用線彈性模型，計算過程中考慮土體加載模量與卸載模量的區(qū)別。模型尺寸長120 m，寬98 m，高48.906 m。模型側面和底面為位移邊界，模型頂面為自由邊界，底面采用固定約束，側面采用法向約束，見圖3。由于出入段線采用明挖法施工且周邊較為開闊，無重要建構筑物，計算荷載僅考慮結構自重、土體豎向自重力等載荷。

圖3 計算模型的網格劃分圖

2.2 盾構掘進施工計算流程

參考設計單位提供的施工工序，對于盾構推進的過程采用步進式推進，每次前進的長度約為1個襯砌單元的寬度，采用“剛度遷移法”[10]來反映盾構向前推進的過程，盾尾及時變換襯砌單元的材料參數(shù)。盾構對掌子面的頂進壓力采用等效的梯形分布應力代替，應力大小按照其所處地層深度等效換算。盾構每推進一步即重復上述過程，包含改變相應單元的材料參數(shù)、位移邊界條件和載荷邊界條件等，盾構模擬流程如圖4所示。

2.3 出入段線明挖模擬

出入段線施工對于周邊環(huán)境的主要影響體現(xiàn)在其開挖卸載、結構施作以及覆土回填過程中的再加載2個方面，結合本評估的主要目標，在計算過程中對于明挖基坑的結構細節(jié)予以簡化，如圖5所示。

圖4 盾構掘進計算流程圖

圖5 明挖及回填的模擬方案

2.4 地層開挖卸載模量確定

土層的彈塑性特征使其在加載及卸載條件下表現(xiàn)出明顯的變形差異，其卸載變形特征可采用鄧肯-張理論中卸載模量計算公式

(1)

式中：pa為標準大氣壓； σ3為地層最小主應力； kur、n為土性參數(shù)，可通過實驗數(shù)據(jù)或工程類比確定[11-13]。

2.5 計算參數(shù)

計算嚴格采用實際地層參數(shù)，場地地層包含填土(厚約2m)、黃土狀土(厚約6.6m)、粉質黏土Q4al+pl(厚約6m)、粉質黏土Q3al+pl(厚約13.4m)和粉質黏土Q2al+l(厚約15.5m)共5層地層，考慮上述土層間夾有粉細砂或中砂，地層局部軟塑，以及綜合其他不利因素，根據(jù)勘察資料中提供的參數(shù)做出一定的折減，盾構管片及明挖圍護結構參數(shù)取自設計文件，具體計算參數(shù)如表1所示。地層土性參數(shù)參考本地區(qū)經驗[8,13]，不再區(qū)分具體土層，統(tǒng)一取kur=1 035.00kN/m2，n=0.89。

表1 地層及隧道材料參數(shù)

注：*為彈性模量。

3 明挖施工對既有隧道影響分析

3.1 盾構施工引起地層變形分析

本計算的盾構施工由側坡站端頭開始，左側隧道施工完畢之后再施工右側隧道，模型在盾構隧道施工后的位移云圖如圖6所示。

圖6 盾構隧道施工完畢后的沉降云圖(單位：m)

由圖6可知，受隧道盾構施工的影響，隧道上方的土體出現(xiàn)了較為明顯的沉降，土體沉降值隨與隧道的水平距離增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑。盾構施工產生的沉降在管片上部最為明顯，最大值約為8.99 mm，地面沉降在2～4 mm；管片下部土體表現(xiàn)為隆起變形，最大隆起量為6.14 mm。從云圖特征可以看出，由于2隧道距離較遠，隧道施工過程中的相互影響不大。

3.2 明挖施工引起地層變形分析

出入段線明挖施工由緯三十二街站向側坡車輛段推進，參照分段、分層開挖模式，區(qū)間結構及回填土體采用等效質量原則進行近似模擬，明挖上跨區(qū)間隧道時的地層位移云圖如圖7所示。

由圖7可知，基坑明挖卸載對周圍地層的影響十分顯著。明挖各臺階的隆起量隨著深度增加逐漸增大，回填土的沉降量也較鄰近地層有明顯的差異。在整個明挖推進過程中，開挖端頭由于卸載效應表現(xiàn)為基底隆起，回填部分存在堆載反壓效應，回填土對地層隆起起到抑制作用，但回填土力學性能較差，其壓縮變形較為明顯。

圖7 開挖面及回填區(qū)域沉降云圖(單位: m)

Fig. 7 Nephogram of settlement of excavation face and backfilled area (m)

出入段線開挖且回填完畢時的地層沉降如圖8和圖9所示，出入段線施工總體上對于原有地層是一種卸載作用，在基坑底部隆起量最大，最大隆起量為48.15 mm，回填土的沉降變形較為明顯，最大沉降為108.64 mm。

圖8 回填施工后的總體沉降云圖(單位：m)

Fig. 8 Nephogram of total settlement after backfilling construction (m)

3.3 盾構隧道結構變形及應力分析

出入段線明挖施工對周圍地層的變形影響較為明顯，周圍地層根據(jù)其空間位置的不同分別表現(xiàn)出隆起或沉降，因此區(qū)間隧道也隨之產生相應的變形，明挖施工前后的區(qū)間隧道沉降變化情況如圖10所示。

由圖10可知，區(qū)間隧道在明挖施工完畢后的最大沉降變形為9.15 mm，出現(xiàn)在左線隧道頂部位置；最大隆起量為10.21 mm，出現(xiàn)在右線隧道底部位置。區(qū)間隧道受出入段線施工影響總體出現(xiàn)了隆起變形現(xiàn)象，其中右線隧道(被上跨部分)的隆起尤為明顯，明挖施工前后隆起變形量最大可達10.86 mm，結構差異變形量為0.008 9%，遠小于盾構隧道管片差異變形控制值標準0.04%[14]，隧道結構變形量滿足結構安全要求；左線隧道豎向位移變化量在3 mm以內，最大沉降量為0.46 mm，變形量相對較小。

圖9 回填施工后上跨部位沉降云圖(單位：m)

Fig. 9 Nephogram of settlement of overlapping section after backfilling construction (m)

(a) 明挖施工前隧道沉降云圖

(b) 明挖施工后隧道沉降云圖

(c) 明挖施工對隧道沉降的影響

明挖施工完畢后區(qū)間隧道的主應力云圖如圖11所示。

(a) 最大主應力

(b) 最小主應力

由圖11可以看出，管片結構最大主應力的分布受空間位置以及管片彎矩影響出現(xiàn)在管片內外表面，其壓應力最大值為4.92 MPa，拉應力最大值為2.13 MPa。結合主應力的計算結果可知，管片結構受到的最大主應力水平在5 MPa左右，遠低于該標號(C50)鋼筋混凝土管片的拉壓強度[15]，因此隧道結構是安全的。

4 結論與建議

根據(jù)新建西安地鐵6號線側緯區(qū)間、側坡車輛段出入段線的設計資料及相關施工方案，建立了整體三維地層-結構模型，考慮地層加載模量與卸載模量的差別，通過對先行施工的側緯區(qū)間主線隧道的變形及應力分析，確定出入段線明挖上跨施工影響下的結構安全性，主要結論如下：

1)區(qū)間隧道施工對周圍地層的影響表現(xiàn)為其上部地層沉降以及下部地層的抬升，盾構施工的地表沉降量在2～4 mm，2區(qū)間隧道由于距離較遠，相互影響不明顯。

2)周邊地層受明挖施工的加卸載效應影響較為明顯，總體變形表現(xiàn)為隆起抬升，其隆起量最大值出現(xiàn)在明挖基坑底部，周圍地層對區(qū)間隧道產生連帶效應，隧道受影響程度隨著距離開挖斷面的遠近存在差異。

3)先行施工的側緯區(qū)間隧道結構受出入段線明挖上跨施工的影響，其最大沉降量為0.46 mm，出現(xiàn)在左線隧道；最大隆起量為10.86 mm，結構差異變形量為0.008 9%，出現(xiàn)在右線隧道被上跨部分底部，隧道變形量滿足結構安全要求。區(qū)間隧道結構最大壓應力為4.92 MPa，最大拉應力為2.13 MPa，應力水平遠低于管片材料的結構強度，管片結構是安全的。

4)根據(jù)計算結果，基坑開挖引起的自重應力損失是其影響程度的關鍵，因此，建議施工過程中應嚴格控制開挖進尺，及時施作后續(xù)結構并回填恢復，盡量縮短地層載荷不均衡的時間，計算成果可作為施工監(jiān)控量測標準的參考。

本文以新建明挖隧道上跨既有隧道為背景，研究了地層加卸載過程對既有線路的影響規(guī)律，相關成果可作為類似上跨型交疊施工的參考與借鑒。由于相關條件限制，文中尚有部分內容不盡完善，如土性參數(shù)取值和計算模型的精細程度等，有待后續(xù)工作的改進與補充。

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由中鐵隧道集團施工的“極高風險隧道”

——蘭渝鐵路木寨嶺隧道貫通

2016年7月18日16：00，經過中鐵隧道集團90個月的艱苦奮戰(zhàn)，“極高風險隧道”——蘭渝鐵路木寨嶺隧道成功貫通，標志著我國在攻克世界級隧道施工難題——極高地應力軟巖大變形隧道施工方面取得了重大突破。蘭渝鐵路是渝新歐國際鐵路的重要組成部分，是連接中國西南、西北之間最便捷、快速的通道。全線控制工程木寨嶺隧道全長19.1 km，為雙洞單線分離式特長隧道，該隧道所經地區(qū)地質條件極其復雜，共經過包括區(qū)域性大斷層在內的11條斷裂帶，所屬區(qū)地震基本烈度達到7°，高地應力軟巖地段占全隧長度的84.5%，最大地應力27 MPa，處于極高地應力區(qū)域。

木寨嶺隧道被國內外專家稱為“國內之最，世界罕見”的“極高風險隧道”，不但變形大，而且變形快，地質流變性強，極易坍塌，為全線唯一動態(tài)設計、動態(tài)施工的隧道項目。

為解決這一世界級難題，由中國鐵路總公司工程管理中心牽頭，組織建設、設計、施工、監(jiān)理單位成立了“五位一體”現(xiàn)場工作組，強化科技攻關，先后多次邀請地質和隧道界專家、院士召開技術方案論證會，實地研究建設方案，并開展了超前應力釋放、支護措施攻關和拱架拆換等工作。

中鐵隧道集團及時組建經驗豐富的管理和科技人員組成的工作組，常駐現(xiàn)場幫扶，發(fā)揮整個集團的施工優(yōu)勢，推動木寨嶺隧道的施工進展。

經過參建各方的共同努力，最終采用全國獨有的“小導洞應力釋放+三層支護+長錨索+單層襯砌”的蘭渝鐵路“木寨嶺模式”推進隧道建設，有效控制了極高地應力軟弱圍巖條件下的隧道大變形問題。

為確保運營安全，木寨嶺隧道貫通后結合當前地質特點和隧道內變形情況，后續(xù)正在持續(xù)開展拱架拆換及克服缺陷等工作，任務依然艱巨。

(摘自 中鐵隧道股份有限公司微信公眾平臺)

Analysis of Influence of Construction of Access Section of Xi’an Metro on Existing Shield Tunnels

LIU Miao

(AGILETECHEngineeringConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100037,China)

The study of influence of Metro construction on existing structures is very important. Numerical simulation is made on portioning excavation and structural backfilling of access section of Xi’an Metro Line No. 6 crossing above existing shield tunnels. The influence of unloading and reloading induced by open cut construction of the access section on lower shield tunnels is studied. The calculation results show that: 1) The influence of unloading and reloading induced by open cut construction of the access section on surrounding soils is obvious; the soils tend to uplifting and the maximum uplifting occurs to foundation pit base for about 48.15 mm. 2) The maximum uplifting of lower right line shield tunnel is 10.86 mm; and the differential deformation of structure is 0.008 9%. 3) The maximum tensile strength and compressive strength of tunnel segment are 2.13 MPa and 4.92 MPa respectively. The results show that the deformations and stresses of the tunnels can meet the safety requirements.

Xi’an Metro; access line; adjacent excavation; influence assessment; open cut method; shield tunnel

2016-01-26;

2016-03-17

劉淼(1988—)，男，河南南陽人，2014年畢業(yè)于中國石油大學(北京)，工程力學專業(yè)，博士，工程師，現(xiàn)從事地鐵施工、隧道施工安全風險咨詢工作。E-mail: flygogo@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.009

U 459.3

A

1672-741X(2016)07-0826-06