(鄭州市市政工程總公司，河南 鄭州 450000)

隨著城市需求量的倍增，軌道交通規(guī)模急劇擴大，早期規(guī)劃方案中未預(yù)留穿越條件與接口位置，因此新建的線路工程不可避免穿越既有線路或區(qū)間。穿越既有軌道工程作為特級環(huán)境風(fēng)險工程，存在較多的結(jié)構(gòu)安全和運營問題，對既有線路的影響更多的是區(qū)間隧道以及換乘通道和風(fēng)道等附屬設(shè)施對既有隧道的疊加影響[1-4]。目前，針對穿越既有線路的工程研究主要集中于對線路施工工藝[5-7]、變形規(guī)律和技術(shù)[8-11]方面實現(xiàn)，而要做好對既有線路保護，需同時對線路方案、站位方案以及既有建筑方面來避免后期結(jié)構(gòu)安全問題[12-14]。如李玉林等[15]采用有限元法分析了新建隧道對既有線結(jié)構(gòu)圍巖的位移影響；童麗紅等[16]通過研究地下工程近距離穿越軌道交通施工工藝，總結(jié)了盾構(gòu)法、暗挖法和托換法的施工特點和適用條件，并給出了各施工工藝的典型案例表征；劉和偉等[17]針對穿越既有線路工程變形特征提出了使用新建隧道沉降的預(yù)測評價方法，通過采用天然地基變形計算公式來對隧道線路的沉降系數(shù)和損失系數(shù)進行修正，給出了沉降槽寬度系數(shù)與結(jié)構(gòu)剛度、隧道埋深與夾角等參數(shù)間的相互關(guān)系。

本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以南方城市某一地下隧道穿越既有軌道工程為對象，選取5個典型的施工節(jié)點來進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，并利用有限元軟件和工程實測值對比分析獲得不同施工節(jié)點下隧道的變形位移參數(shù)，以期獲得交叉隧道施工中對既有線路的穩(wěn)定性影響。

1 有限元模型建立

1.1 工程背景

A市位于南方沿海地區(qū)，屬于國內(nèi)4大一線城市之一。近年來，大力發(fā)展地下交通網(wǎng)絡(luò)，先后開建6條地下軌道線路。由于受過去交通規(guī)劃限制，不可避免產(chǎn)生軌道交叉。B站臺是地鐵5號線與新建21號線交匯站，采用T型站位布置，見圖1。既有5號線站臺采用中間單層暗挖，兩端三層明挖施工方法，站臺主體長181 m，三層明挖段為19 m(寬)×19.58 m(高)，頂板覆土厚3.2 m，底板埋深22.68 m。單層暗挖段長60.2 m，頂板覆土厚13.8 m，底板埋深23.7 m。

新建21號線為單洞單線馬蹄形斷面隧道，新建站臺隧道頂與既有5號線底板緊貼，成90度交角，下穿5號線雙聯(lián)拱暗挖單層。新建線路穿越斷面層為6.6 m(高)×6.3 m(寬)。采用臺階法+臨時仰拱施工，初支和二支厚度均為300 mm。

圖1 區(qū)間穿越既有線平面圖Figure 1 Interval traversing the existing line plan

隧道穿越既有5號線站區(qū)段處于粉質(zhì)粘土層、中粗砂1層，圍巖分級為Ⅵ級。地下水由上而下依次為滯水、潛水和承壓水。

1.2 穿越方案設(shè)計

正洞斷面格柵間距@500 mm，開挖6.3 m(寬)×6.6 m(高)。在K12+905.0～K12+936.0段采用臺階法+臨時仰拱角開挖方式。初支厚300 mm，采用C20混凝土噴射，二襯厚300 mm,采用C40防水混凝土，P12抗?jié)B等級，自粘膠膜防水卷材厚1.2 mm。

穿越線路中深孔注漿是重要的輔助措施。研究確定K12 +900.0 ～K12 +935.0線路段為深孔注漿范圍，采用分段多次注漿。注漿加固要求開挖面土體無側(cè)限抗壓強度最低標(biāo)準(zhǔn)為0.6 MPa，土體周邊加固區(qū)1.2 MPa，底板注漿壓力小于0.5 MPa，注漿前進行臨時封端，注漿段長12 m，各段搭接長度2 m。深孔注漿左右側(cè)各3 m，底部2 m。另外增設(shè)250 mm厚臨時仰拱，圖2為穿越隧道斷面圖。

圖2 穿越隧道坡面圖(單位：mm)Figure 2 Crossing tunnel slope(Unit:mm)

隧道采取交叉施工方式，即線進行左線上導(dǎo)洞的施工，再進行右線上和左線下導(dǎo)洞施工，然后進行右線下導(dǎo)洞施工，當(dāng)完成左右導(dǎo)洞的施工后，采用同樣交叉施工方式進行左右線二襯的施工。

1.3 穿越隧道模型構(gòu)建

本節(jié)通過利用FLAC3D計算軟件中的“地層-結(jié)構(gòu)”分析模型來模擬洞室注漿處理下索道穿越已有線路的施工，分析穿越隧道對既有線路站臺影響。假設(shè)支護與周邊巖土間密貼，一次成型。將新建隧道、既有站臺和周邊地層作為一個三維模型，取隧道深度以下13 m為底部邊界，側(cè)邊界距模型中部4倍洞徑。設(shè)底邊界豎向位移約束，側(cè)邊界水平約束，地表為自由邊界。如圖3為建立三維計算模型結(jié)構(gòu)，共劃分為201 344個節(jié)點202 545個單元，模型Z軸正向為隧道開挖方向，圖4為既有車站在區(qū)間隧道位置圖。

圖3 三維計算模型結(jié)構(gòu)圖Figure 3 3D computational model structure diagram

圖4 既有車站在區(qū)間隧道位置圖Figure 4 location of existing stations in section tunnels

將圍巖結(jié)構(gòu)作為彈塑性材料，支護結(jié)構(gòu)為彈性材料。圍巖與初支護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型多層結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of multilayer structural mate-rials based on model構(gòu)件層厚/m彈性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/kPa初期支護—2.6×1040.223——既有結(jié)構(gòu)—3.1×1040.223——二次襯砌—3.1×1040.223——第一層5 360.316.82819 第二層10 86 0.272026 9.5第三層151120.2720.327 11.5第四層101280.2720.631 9.8第五層41330.2820.83310 加固區(qū)34960.252150100

根據(jù)隧道穿越既有線路情況，采用臺階法進行施工開挖，同時進行上下部和左右隧道施工。上導(dǎo)洞預(yù)應(yīng)力核心土超前開挖3 m，在進行一個開挖循環(huán)后進行初期支護，完成上導(dǎo)洞開挖后施加臨時仰拱。在數(shù)值模擬過程中，首先為零階段，然后進行開挖加固，每步開挖1 m，導(dǎo)洞開挖各50步，初支滯后開挖土方一步。完成上臺階開挖后進行下臺階開挖，二襯施工在隧道貫通后進行，按照5 m一步開挖，拱10步。整個隧道開挖工作共114步。

為詳細分析隧道區(qū)間開挖度既有線路地形地表的影響，選取5個典型施工步驟進行模擬分析：上臺階開挖至25 m；上臺階貫通；下臺階開挖至25 m;下臺階貫通；完成二襯施工。

2 測試結(jié)果分析

2.1 既有線開挖模擬結(jié)果

圖5為5個典型施工階段下的地表沉降槽曲線圖。對圖中曲線分析可知，地表沉降值隨區(qū)間隧道開挖進行不斷增大。當(dāng)完成二襯施工后，產(chǎn)生豎向最大位移量，最大位移為2.07 mm。其中，隧道豎向位移沿X軸向(隧道開挖25 m處方向)對稱，并在隧道開挖25 m處產(chǎn)生最大豎向位移。

圖5 典型施工階段地表沉降槽曲線Figure 5 Surface subsidence trough curve in typical construction stage

圖6為5個典型工況下既有車載豎向位移云圖。對各典型階段位移云圖分析可以看出，既有線路豎向位移隨區(qū)間隧道開挖而不斷增大，當(dāng)完成二襯施工后，既有車站產(chǎn)生最大豎向位移，最大位移位于新建隧道左上既有車站底板中部，最大豎向位移量為2.59 m。

在既有線路隧道上方坐標(biāo)原點處布置4個節(jié)點，各典型施工段監(jiān)測點豎向位移見圖7?？梢钥闯?，隨著隧道的開挖，既有線路監(jiān)測點的沉降不斷增大，一直持續(xù)到下臺階貫穿后再進行二襯施工，監(jiān)測點位移逐漸穩(wěn)定。同時可以看出，在上臺階開挖至線路正下方階段，各測點沉降變化速率較快，上臺階貫通施工完成后的測點監(jiān)測豎向位移達到了總位移量的70%。施工完成后，軌道1左側(cè)和右側(cè)豎向位移量分別為2.35、2.30 mm，軌道2左側(cè)和右側(cè)豎向位移量分別為2.46、2.40 mm。

2.2 既有線開挖實測數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場施工狀況，設(shè)置車站監(jiān)測點對線路施工進行沉降變形監(jiān)測。以既有5號線站臺中心線作為中心，沿南北向?qū)扔芯€路南北軌道中心線進行監(jiān)測，監(jiān)測點間距10 m，布置到開挖影響范圍外20 m，共布置監(jiān)測點20個。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測記錄，對上述5個典型施工工況下的既有線路變形特點進行分析，并獲得5個典型施工全過程的沉降曲線，如圖8所示。

(a) 上臺階開挖至25 m豎向位移云圖

(b) 上臺階貫通豎向位移云圖

(c) 下臺階開挖至25 m豎向位移云圖

(d) 下臺階貫通豎向位移云圖

(e) 二襯施工完成豎向位移云圖

Figure 6 Vertical displacement cloud map of tunnel under typical construction conditions

圖7 監(jiān)測點沉降值關(guān)系曲線圖Figure 7 Relationship between settlement values of monitoring points

圖8 典型施工段既有線沉降曲線Figure 8 Settlement curve of existing railway in typical construction section

從圖8可知，車站既有線路整體上浮最大值達3.72 mm，超過上浮規(guī)定值，是因為穿越軌道初始階段需對線下土體進行注漿加固處理，易造成既有線路整體上浮。隧道開挖后，結(jié)構(gòu)沉降值出現(xiàn)一定幅度下降，但最大沉降值達-2.8 mm，最終二襯施工完成后，最大上浮值為1.2 mm,最大下沉值為-1.2 mm，均在規(guī)定范圍內(nèi)。從各典型施工段沉降變形來看，左線上導(dǎo)洞開挖引起最大沉降為-1.2 mm，由于上臺階貫通和下臺階開挖工作是同步施工的，該階段的最大變形量為-1.6 mm。

對沉降曲線分析可知，注漿段對隧道的抬升有利于控制后續(xù)結(jié)構(gòu)整體的沉降控制，但注漿階段應(yīng)控制好壓力，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。既有線路結(jié)構(gòu)沉降集中在上導(dǎo)洞開挖段，當(dāng)上導(dǎo)洞臨時仰拱形成后，后續(xù)施工段對既有線的影響減小。

2.3 數(shù)值模擬對比分析

本節(jié)段上述5個典型施工段的實際監(jiān)測和模型模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，研究模擬結(jié)果的合理性。

圖9為全部施工完成后的站臺沉降曲線對比圖?？梢钥闯?，盡管施工初期注漿壓力控制存在一定的差異性，使得站臺結(jié)構(gòu)存在一定的上浮。但比較整體沉降曲線的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬曲線可以看出，兩組數(shù)據(jù)曲線的變化曲線基本一致。數(shù)值模擬最大沉降值為-2.46 mm，實際監(jiān)測的最大沉降為-2.8 mm,兩組沉降值基本保持一定。

圖9 站臺結(jié)構(gòu)沉降曲線對比圖Figure 9 Contrastive diagram of settlement curve of platform structure

圖10為上導(dǎo)洞施工至既有站臺中線階段實測值和模擬曲線。實測曲線中，左線開挖至站臺中心點沉降值在-0.4～-0.9 mm間，變形影響區(qū)間主要集中在左右線隧道兩側(cè)30 m。數(shù)值模擬中軌道1右側(cè)開挖至站臺中線沉降值為-1.19 mm，占施工階段總沉降的51.7%，而該處實測沉降值為-1.2 mm,占施工段總沉降的48%。

圖10 上導(dǎo)洞施工至車站中心沉降曲線圖Figure 10 The curve of settlement from the construction of the pilot tunnel to the center of the station

圖11為初支完成階段的實測值和模擬曲線對比圖。在初支完成階段，數(shù)值模擬沉降值為-2.40 mm，而地表沉降槽實測最大沉降為-2.4 mm，二者完成吻合。當(dāng)初支完成后，數(shù)值模擬軌道1右側(cè)點實測沉降最大值為-1.64 mm，占總沉降的71.3%。而該處實測最大沉降值為-2.4 mm，占總沉降的96%。

圖11 初支完成段沉降曲線對比圖Figure 11 Comparison diagram of settlement curve at completion stage

3 結(jié)論

a.穿越線路中深孔注漿采用分段多次注漿，注漿前進行臨時封端，同時增設(shè)臨時仰拱。隧道采取交叉施工方式，即按照左線上導(dǎo)洞—右線上導(dǎo)洞—左線下導(dǎo)洞施工—右線下導(dǎo)洞—二襯施工順序。

b.隨區(qū)間隧道開挖的進行，地表沉降值和豎向位移不斷增大。在上臺階開挖至線路正下方階段，各測點沉降變化速率較快，占總位移量的70%。在二襯施工完成后，產(chǎn)生豎向最大位移量，最大位移位于新建隧道左上既有車站底板中部。

c.隧道開挖后，通過對線下土體進行注漿加固處理導(dǎo)致既有線路站臺整體上浮。注漿段對隧道的抬升有利于控制后續(xù)結(jié)構(gòu)整體的沉降控制，但注漿階段應(yīng)控制好壓力，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。既有線路結(jié)構(gòu)沉降集中在上導(dǎo)洞開挖段，當(dāng)上導(dǎo)洞臨時仰拱形成后，后續(xù)施工段對既有線的影響減小。