夏東風

（中鐵建昆侖地鐵投資建設管理有限公司，成都610000）

0 引 言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，線路越來越密集，不可避免會出現(xiàn)地鐵臨近既有建筑物或構(gòu)筑物情況[1－2]，這些建筑物或構(gòu)筑物有地下通道[3－4]、箱涵[5]、橋梁[6－9]、地下管線[10]、已運營地鐵隧道[11]、城墻[12]等。地鐵施工會引起土體位移和地面沉降，從而導致既有建筑物或構(gòu)筑物的應力重分布，引起結(jié)構(gòu)開裂、脫落，甚至局部坍塌。管廊是地下構(gòu)筑物的一種，在我國城市綜合交通、市政工程中逐漸得到了應用。隨著建成的管廊工程越來越多，在管廊區(qū)域進行地鐵施工的情況也隨之出現(xiàn)。在地鐵隧道穿越管廊方面，一些文獻采用理論分析、施工技術及數(shù)值分析的方法進行了研究：馬杰[13]對暗挖隧道穿越管廊措施詳細研究，并以地表和洞內(nèi)實測數(shù)據(jù)為基礎，詳細分析了暗挖隧道施工影響分析，但由于無法開展暗挖隧道施工時管廊位移監(jiān)測，研究價值尚有瑕疵；劉治寶[14]采用風險分析方式，對隧道下穿管廊進行了風險評估，并針對性地提出了風險控制方案及施工措施；熊志浩等[15]采用數(shù)值分析方法對隧道斜穿管廊進行了詳細分析；高超等[16]采用數(shù)值分析方法對地鐵隧道洞群與管廊不同施工順序進行了分析，證明了同步開挖為最優(yōu)方案；周張博等[17]對廈門地鐵2 號線高濕區(qū)間隧道下穿翔安隧道地下管廊過程中的管廊變形進行了自動化監(jiān)測，并詳細分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前對地鐵隧道穿越管廊的研究存在可借鑒的工程案例少、尚未形成系統(tǒng)性等問題，因此，開展地鐵隧道尤其是暗挖法地鐵隧道施工對管廊的影響分析有著一定的工程價值。本文針對依托工程現(xiàn)場情況，提出相應的保護措施；通過三維有限元手段，分析了暗挖地鐵隧道施工對上方管廊的影響，得出了影響規(guī)律，以求為今后類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

北京地鐵14 號線郭莊子站—大井站區(qū)間暗挖段（郭莊子站—風道）左線、右線里程分別為ZK7+311.55 ～ZK8+093.90 （長度 782.35 m） 和 YK7+311.55～YK8+080.51（長度 767.96 m）。 郭大區(qū)間暗挖段在里程YK7+595（ZYK7+595）設置施工豎井、橫通道（兼聯(lián)絡通道）。 區(qū)間旁穿大井西橋后，下穿郭莊子村平房、京石高速公路、南水北調(diào)管廊及數(shù)條雨污水管和上水管，隧道拱頂埋深為9.5~16.5 m，主要穿越土層為卵石—圓礫層。 地下水主要為潛水，位于隧道基底及基底以下。

南水北調(diào)管廊為混凝土結(jié)構(gòu)，區(qū)間下穿里程為：右線 YK8+020～YK8+045，左線 ZK8+045～ZK8+070，區(qū)間與南水北調(diào)管廊平面、剖面位置關系如圖1、圖 2 所示。 管廊尺寸：高 4.9 m，寬 9.2 m，管廊頂板和底板埋深約為3.0、7.9 m，管廊為有壓管廊，全斷面過水，在區(qū)間下穿影響范圍內(nèi)有變形縫。 區(qū)間隧道拱頂距管廊底板約8.6 m，為一級環(huán)境風險工程。

圖1 地鐵區(qū)間與南水北調(diào)管廊平面位置關系

圖2 地鐵區(qū)間與南水北調(diào)管廊剖面位置關系

2 南水北調(diào)管廊沉降控制標準及保護措施

2.1 沉降控制標準

根據(jù)南水北調(diào)管廊的評估中間資料，對區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊時的控制值要求如下：管廊在區(qū)間開挖范圍內(nèi)的絕對沉降控制值7 mm，管廊的差異沉降值5 mm，縱向沉降坡度不應大于0.0007。

2.2 保護措施

區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊采取以下保護措施：

1） 應在施工前對南水北調(diào)現(xiàn)狀進行評估，且對影響范圍內(nèi)（YK8+020~風道、ZK8+045～風道）地下管線和地下空洞情況提前進行地面雷達探測，對查出的空洞采取注漿措施回填，保證回填密實。

2） 應先施工右線隧道再施工左線隧道。 YK8+020~YK8+045（ZK8+045～ZK8+070）里程采取洞內(nèi)深孔注漿措施，加固范圍為隧道拱頂開挖輪廓線外2 m。 注漿工藝及漿液種類由施工現(xiàn)場注漿試驗確定。 深孔注漿質(zhì)量監(jiān)測要求：土體在注漿完成后，應有良好的均勻性和自立性，注漿后土體的無側(cè)限抗壓強度為 0.5～0.8 MPa，滲透系數(shù)不大于 1.0×10-7m/s。 若現(xiàn)場注漿試驗效果達不到要求時，應及時調(diào)整注漿工藝及漿液種類。

3） 采用上下臺階法（設臨時仰拱）施工法，鋼支撐縱向間距0.5 m/榀，施工步長為0.5 m，左右線掌子面應錯開不小于25 m 施工。

4） 施工中，要加強對開挖工作面地質(zhì)的觀察和記錄，隨時掌握土層的濕度情況，判斷其穩(wěn)定性，必須對開挖面前方的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)情況進行超前探測，以指導施工及注漿加固止水。 若發(fā)現(xiàn)地層潮濕，隨時打設超前探管進行探測，探測深度不小于5 m，如有殘余水（由管線滲漏、降水盲區(qū)或地層水囊所致）則通過探管引排；同時根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適漿液進行注漿堵水，必要時掌子面上采用小導管注漿封閉。 做好應急準備，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

5） 開挖嚴格遵守“管超前、嚴注漿、強支護、快封閉、短步距、勤量測”十八字方針。

6） 加強監(jiān)測，必要時進行跟蹤注漿。

3 數(shù)值計算驗證與分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本次計算采用Midas GTS NX 軟件，該軟件為大型通用巖土工程計算分析軟件。考慮空間效應，建立暗挖地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊的三維有限元分析模型，見圖 3。 模型尺寸：X、Y、Z 方向上長度分別約為 129.28、82.5、45 m；邊界約束：底部約束 X、Y、Z方向位移，四周約束X、Z 方向位移，上表面為自由面。 土體、隧道初支及二襯均采用實體單元模擬，南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，臨時支撐采用梁單元模擬。 土體采用摩爾-庫倫模型模擬。

圖3 三維有限元分析模型

3.2 計算參數(shù)及模擬工況

模型共分3 個土層，各土層物理力學參數(shù)取值與地勘報告，列于表1 中，地勘報告只給出了壓縮模量，根據(jù)前人研究成果，彈性模量一般取壓縮模量的3～5 倍，文中取5 倍。暗挖地鐵隧道、管廊材料計算參數(shù)列于表2 中。

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 隧道、管廊結(jié)構(gòu)材料計算取值

計算模擬中設置不注漿加固工況和注漿加固工況，不注漿加固、注漿加固工況具體模擬步序見表3（不加固工況無工序2）。 計算工序與實際工序稍有差異，計算中右線、左線上臺階施工完成后再施工下臺階，而實際施工中，上下臺階工作面保持在6 m 左右，計算中一次性開挖臺階相對于實際施工，引起的土體變形要大，對于變形控制更有利。

表3 不加固工況和加固模擬工序

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 右線施工

圖4 右線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

不注漿和注漿加固工況下右線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖4 所示。 由圖4 可知：①不注漿固工況下右線施工后管廊豎向位移最大值為4.784 mm，注漿加固工況下右線施工后管廊豎向位移最大值為2.187 mm，加固處理后管廊豎向位移減小約54.3%；②不注漿和注漿加固工況下管廊豎向位移最大值發(fā)生在右線上方。

3.3.2 左線施工

左線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖5所示。 由圖5 可知：①不注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為8.211 mm，已超過7 mm豎向變形控制標準；②注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為3.642 mm，注漿加固處理后管廊豎向位移減小約55.7%； ③不注漿和注漿加固工況下管廊豎向位移均向左線方向偏移。

圖5 左線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

3.3.3 二襯施工

不注漿加固工況下二襯施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖6 所示。 從圖6 中知： ①不注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為9.111 mm，超過7 mm 豎向變形控制標準；②注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為4.252 mm，注漿加固處理后管廊豎向位移減小約53.3%；③對比右線施工、左線施工，二襯施工引起的管廊豎向位移變化較小。

圖6 二襯施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

3.3.4 過程分析

圖7 南水北調(diào)管廊豎向位移隨不同施工步變化曲線

表4 不注漿加固工況與注漿加固工況管廊豎向位移值比較表

南水北調(diào)管廊豎向位移隨不同工序變化曲線如圖 7 所示，具體數(shù)值列于表 4 中。 由圖 7、表 4 可知：①隨著工序開展，管廊豎向位移逐漸增大；②采取洞內(nèi)深孔注漿加固措施后，南水北調(diào)管廊豎向位移明顯減少，9 個施工工序下，注漿加固后管廊豎向位移相對于不加固減少53.3%～59.4%；③右線施工、左線施工、二襯施工引起的管廊豎向位移分別為4.784、3.437、0.9 mm，占管廊豎向總位移比分別為52.5%、37.7%、9.8%，右線施工引起管廊豎向位移最大，二襯施工引起的管廊豎向位移遠小于右線施工和左線施工引起的管廊豎向位移； ④右線上臺階和左線上臺階施工引起的管廊豎向位移分別為4.153 mm 和2.895 mm，右線上臺階和左線上臺階施工引起的管廊豎向位移分別為0.631 mm和0.542 mm。 右線上臺階施工引起的管廊豎向位移大于左線上臺階，右線和左線下臺階施工引起的管廊豎向位移相差不大，左右線上臺施工引起的管廊豎向位移均大于左右線下臺階施工。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

區(qū)間隧道下穿南水北調(diào)管廊時，進行了地表沉降和洞內(nèi)變形監(jiān)測，見圖8，其中洞內(nèi)變形監(jiān)測包括拱頂下沉和收斂變形。 右線、左線分別布置有6、7 個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面包括1 個拱頂下沉測點和2 個收斂位移測線 （上下各一條測線），其中YX1、ZX1 斷面未完成監(jiān)測，文中不對上述2 個斷面進行分析。 管廊正下方的2 個洞內(nèi)監(jiān)測斷面拱頂下沉和收斂位移變化曲線如圖9 所示，洞內(nèi)監(jiān)測結(jié)果列于表5 中。 由圖9 和表5 可知： ①拱頂下沉和收斂位移初期變化速率較大，大約20 d 以后，洞內(nèi)變形趨于穩(wěn)定; ②對于拱頂下沉，右線6 個斷面最大測值在1.0～2.6 mm 范圍內(nèi)，左線 7 個斷面最大測值在 0.95～1.7 mm 范圍內(nèi)； ③對于收斂位移，右線6 個斷面最大測值在1.0～1.9 mm 范圍內(nèi)，左線 7 個斷面最大測值在1.0～2.0 mm 范圍內(nèi)；④其中右線洞內(nèi)變形穩(wěn)定時間較左線要長，右線洞拱頂下沉最大測值大于左線，其原因為左線先于右線施工，左線施工對右線附近圍巖存在先期擾動； ⑤比較計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果相近，驗證了數(shù)值計算可靠性。

圖8 監(jiān)測平面布置

圖9 拱頂下沉和收斂位移時程曲線

5 結(jié) 論

1） 北京地鐵14 號線郭莊子站—大井站區(qū)間暗挖段下穿南水北調(diào)管廊，除臺階法控制施工影響外，采取了洞內(nèi)深孔注漿措施，經(jīng)過不注漿加固和注漿加固工況數(shù)值計算對比分析，采取加固處理措施后，管廊豎向最大位移為4.252 mm，相對于不注漿加固，減少幅度超過53%。 下穿時管廊豎向位移滿足最大位移不超過7 mm 和差異沉降不超過5 mm 的控制要求，南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2） 不注漿加固工況和注漿加固工況下數(shù)值計算結(jié)果表明，右線施工引起的管廊豎向位移大于左線施工，二襯施工引起管廊豎向位移在3 個主要施工階段最小。

3） 右線上臺階和左線上臺階引起的管廊豎向位移較其他工序要大很多，是南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)保護的關鍵工序。

4） 現(xiàn)場監(jiān)測在暗挖施工中作用明顯，在14 號線暗挖區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整了暗挖施工參數(shù)，確保了南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)的安全，在類似穿越工程中，需重視現(xiàn)場監(jiān)測的作用。