王威

中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司， 北京 101300

隨著我國鐵路和城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，修建新隧道時不可避免穿越既有隧道或車站，引起既有結(jié)構(gòu)變形。目前大部分新建隧道選擇下穿既有運營隧道，也有部分上跨既有隧道案例。新建隧道上跨既有隧道施工時，由于開挖卸載，應(yīng)力重分布，從而引起既有隧道上浮和地表沉降。

李樹鵬［1］對鄰近既有線新云居山隧道群施工方案進(jìn)行了設(shè)計，提出在新建福廈鐵路新云居山隧道小凈距上跨施工之前，對既有清涼山隧道受影響段采取拆除原有襯砌、重新施作加強型襯砌的措施。許有俊等［2］針對呼和浩特市淺埋暗挖隧道近距離平行上跨既有地鐵2 號線工程，對不同的開挖工法和反壓措施進(jìn)行方案比選。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、效率等因素最終確定中隔壁法 + 雙側(cè)反壓的方案。經(jīng)實施，采用該方案后將盾構(gòu)隧道內(nèi)道床最大上浮量控制在2.51 mm。趙宇鵬等［3］針對昆明新建地鐵4號線上跨既有6號線隧道工程，分析了盾構(gòu)上跨施工時既有隧道縱向位移變化規(guī)律，以及土倉壓力、注漿壓力等因素對既有隧道變形的影響。張孟喜等［4］通過數(shù)值模擬分析了雙線盾構(gòu)隧道上穿既有地鐵隧道時不同注漿壓力對既有隧道上浮的控制效果，進(jìn)而確定了最佳注漿壓力。劉建國等［5］以深圳地鐵5號線某盾構(gòu)區(qū)間上跨既有地鐵11號線隧道為例，分析了預(yù)加固措施和施工參數(shù)調(diào)整對既有隧道變形的影響。江華等［6］以深圳地鐵9 號線盾構(gòu)隧道上跨既有1 號線工程為例，分析上跨施工過程中既有隧道變形規(guī)律及土壓力對既有隧道變形的影響。郭劍勇［7］以北京地下直徑線前三門隧道上跨既有隧道工程為例，提出隔離樁保護(hù)+分步開挖方案，經(jīng)模擬計算，采用該方案上跨施工不會影響聯(lián)絡(luò)通道和電力隧道結(jié)構(gòu)的安全。

目前上跨既有隧道多采用盾構(gòu)法施工，交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法上跨施工與盾構(gòu)法差異明顯，且針對大斷面地鐵隧道CRD 法近距離上跨既有運營隧道施工方案優(yōu)化的研究相對較少。本文以成都市軌道交通17 號線二期工程陽公橋站—龍爪堰站區(qū)間隧道小凈距上跨既有7 號線盾構(gòu)隧道為工程背景，對上跨段西側(cè)暗挖區(qū)間的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析，驗證數(shù)值模擬的可行性。在此基礎(chǔ)上，對大斷面地鐵隧道上跨既有盾構(gòu)隧道施工過程進(jìn)行模擬分析，對新建隧道施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工程情況

成都市軌道交通17 號線二期工程陽公橋站—龍爪堰站區(qū)間設(shè)計為雙線隧道，其中上跨既有7 號線段和暗挖區(qū)間采用CRD 法施工。隧道斷面為曲墻馬蹄形，開挖寬度約8.1 m，高度約9.8 m，斷面面積約64.7 m2，屬于大斷面隧道。拱頂埋深約5.88 ～ 6.0 m。新建區(qū)間隧道近似正交上跨既有7 號線盾構(gòu)隧道，二者最小凈距約1.21 m，見圖1。

既有7號線盾構(gòu)隧道拱頂距地表約17.2 m。采用拼裝式預(yù)制混凝土管片，強度等級為C50，抗?jié)B等級為P12，外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，環(huán)寬1.5 m，管片厚度為30 cm。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，上跨處地層由上至下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、沖積粉細(xì)砂和沖積卵石土。新建隧道洞身主要位于粉質(zhì)黏土、中密卵石土和密實卵石土層；既有隧道均位于密實卵石土層。

1.3 施工方案設(shè)計

為減小新建隧道施工對周邊環(huán)境的影響，初步確定新建隧道先開挖左半斷面后開挖右半斷面，見圖2。

超前支護(hù)采用管棚加超前小導(dǎo)管；初期支護(hù)和臨時支護(hù)均采用I22b 型鋼拱架（間距0.5 m）、鋼筋網(wǎng)和C25 噴射混凝土（厚度為0.30 m）聯(lián)合支護(hù)；二次襯砌采用C35 模筑混凝土，厚度為0.50 m。單次拆撐長度為9 m。

2 試驗段施工過程數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

選取上跨段西側(cè)暗挖區(qū)間作為試驗段進(jìn)行模擬分析。采用MIDAS/GTS 軟件，建立地層-結(jié)構(gòu)三維有限元模型。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸取140 m（x方向） × 100 m（y方向） × 50 m（z方向），共劃分232 122 個單元，124 556 個節(jié)點，見圖3。模型頂面為自由面，四周限制水平位移，底部限制水平和豎向位移。

2.2 參數(shù)的確定

地層采用修正摩爾-庫侖模型實體單元模擬［8］。超前支護(hù)采取等效處理，通過改變加固區(qū)土體單元材料參數(shù)來實現(xiàn)［9］。土層與加固區(qū)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

考慮螺栓對管片拼接的影響，將既有隧道管片剛度折減0.15進(jìn)行計算［10］。初期支護(hù)、臨時支護(hù)中型鋼鋼架通過提高彈性模量折算到噴射混凝土中［9］。依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，鋼筋網(wǎng)作為初期支護(hù)的安全儲備。二次襯砌采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬［11］。

支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工步驟

①初始應(yīng)力場平衡，位移清零；②超前加固左線隧道拱頂，開挖1 號導(dǎo)洞；③施工1 號導(dǎo)洞初期支護(hù)與臨時支護(hù)，然后繼續(xù)開挖1 號導(dǎo)洞；④待1 號導(dǎo)洞開挖支護(hù)5 m 后，同時開挖2 號導(dǎo)洞；⑤待2 號導(dǎo)洞開挖支護(hù)10 m 后，同時開挖3號導(dǎo)洞；⑥待3號導(dǎo)洞開挖支護(hù)5 m 后，同時開挖4 號導(dǎo)洞；⑦待4 號導(dǎo)洞開挖支護(hù)40 m 后，采用和左線隧道相同的導(dǎo)洞開挖順序，同時開挖右線隧道，直至開挖與支護(hù)完成；⑧拆除左線隧道臨時支護(hù)，一次拆除9 m；⑨施作二次襯砌，繼續(xù)拆除左線隧道臨時支護(hù)，如此反復(fù)，直至左線隧道二次襯砌施作完成；⑩采用同樣的方法施作右線隧道二次襯砌。每開挖1 m 作為一個施工步，由于涉及初期支護(hù)與臨時支護(hù)施工、二次襯砌施作，經(jīng)循環(huán)累積后施工步達(dá)到140步。

2.4 監(jiān)測點布置

參照GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，上跨施工前在試驗段地表布置8個監(jiān)測斷面（A—H），每個斷面布置8 ～ 13 個沉降監(jiān)測點，見圖4。采用電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測。

圖4 監(jiān)測斷面和監(jiān)測點布置

2.5 模型驗證

選取監(jiān)測斷面D 上3 個監(jiān)測點D6、D7、D8 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。地表沉降現(xiàn)場實測值與模擬計算值對比見圖5。可知：①隨著開挖的進(jìn)行，各監(jiān)測點地表沉降均不斷增大，但各監(jiān)測點沉降速率不同。原因是隧道先開挖左線，監(jiān)測點D6 在左線上方，因而前期沉降速率較大；當(dāng)右線開挖通過監(jiān)測點后，右線上方的監(jiān)測點D8 地表沉降最大。②各監(jiān)測點地表沉降現(xiàn)場實測值與模擬計算值差異較小，變化趨勢一致。這說明所建模型和參數(shù)選取合理，可用于上跨施工過程模擬和方案優(yōu)化分析。

圖5 監(jiān)測點地表沉降現(xiàn)場實測值與模擬計算值對比

3 上跨段施工過程數(shù)值模擬

3.1 既有隧道拱頂豎向位移

上跨施工過程中，不同施工步下既有隧道拱頂豎向位移曲線見圖6。其中：拆撐即拆除臨時支護(hù)；到達(dá)指導(dǎo)洞開挖到既有隧道或拆撐拆到既有隧道。

圖6 不同施工步下既有隧道拱頂豎向位移曲線

由圖6 可知：隨著新建隧道4 個導(dǎo)洞依次開挖，既有隧道拱頂豎向位移（隆起）逐漸增加，最大豎向位移位于新建與既有隧道交叉位置。導(dǎo)洞1 和導(dǎo)洞2 到達(dá)時既有隧道拱頂豎向位移增幅較大。新建隧道開挖貫通時，既有隧道拱頂豎向位移接近最大值，臨時支護(hù)拆除對既有隧道拱頂豎向位移影響較小。二次襯砌施作完成時既有隧道拱頂豎向位移反而減小。

不同施工步下既有隧道隆起在最大隆起中的占比見表3。

表3 不同施工步下既有隧道隆起在最大隆起中的占比

由表3 可知：①新建隧道開挖階段，導(dǎo)洞2 到達(dá)時既有隧道隆起3.48 mm，接近最大隆起（7.04 mm）的50%。與導(dǎo)洞2到達(dá)時相比，導(dǎo)洞4到達(dá)時既有隧道隆起增量為1.22 mm，僅占最大隆起的17.33%。這說明先行2個導(dǎo)洞的開挖卸載對既有隧道擾動更大。②從導(dǎo)洞4 到達(dá)既有隧道至新建隧道開挖貫通，隆起增量為2.13 mm，占最大隆起的30.26%，故應(yīng)注意新建隧道整個開挖過程對既有隧道的影響。③二次襯砌的施作對既有隧道有一定壓重作用，使得既有隧道隆起有所減小。實際施工時，可合理選擇二次襯砌施作時機(jī)，來控制既有隧道變形。

3.2 地表沉降

不同施工步下既有隧道地表沉降曲線見圖7。可知：導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2到達(dá)既有隧道，拆撐拆到既有隧道和二次襯砌施作完成時，地表沉降均明顯增大；與前四個施工步相比，從導(dǎo)洞3 到達(dá)既有隧道到整個隧道開挖貫通，地表沉降增量較小。

圖7 不同施工步下既有隧道地表沉降曲線

不同施工步下地表沉降在最大沉降中的占比見表4。可知：導(dǎo)洞2 到達(dá)時地表沉降4.68 mm，接近最大沉降（9.49 mm）的50%，且導(dǎo)洞1 到達(dá)時地表沉降在最大沉降中的占比（33.40%）明顯大于導(dǎo)洞2 到達(dá)時沉降增量占比（15.91%）；從導(dǎo)洞3 到達(dá)至整個隧道貫通地表沉降增量占比僅6.43%。隨著臨時支護(hù)拆除與二次襯砌施作，地表沉降迅速增長，二次襯砌施作完成時地表沉降達(dá)到最大值9.49 mm。這是由于拆除臨時支護(hù)導(dǎo)致新建隧道初期支護(hù)剛度降低，二次襯砌的施作又增加了結(jié)構(gòu)自重。

表4 不同施工步下地表沉降在最大沉降中的占比

4 上跨段施工方案優(yōu)化

4.1 隧道穩(wěn)定性影響因素

1）初期支護(hù)厚度

鋼拱架間距為0.5 m，單次拆撐長度為9 m，初期支護(hù)厚度分別取0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降見表5。

由表5可知：隨著初期支護(hù)厚度增加，既有隧道最大隆起與地表最大沉降逐漸減小。這是由于初期支護(hù)厚度變大，支護(hù)結(jié)構(gòu)強度與剛度增加，一方面承受的圍巖壓力增強，另一方面對既有隧道起到壓重作用。然而，初期支護(hù)厚度并非越大越好。隧道開挖時不僅要考慮安全問題，還需綜合考慮施工難度與工期造價。建議初期支護(hù)厚度在0.35 ～ 0.40 m取值。

2）鋼拱架間距

初期支護(hù)厚度為0.3 m，單次拆撐長度為9 m，鋼拱架間距分別為0.40、0.50、0.75、1.00 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降見表6。

表6 不同鋼拱架間距下既有隧道最大隆起與地表最大沉降

由表6可知，隨鋼拱架間距增大，既有隧道最大隆起與地表最大沉降均逐漸增大。這表明可以通過減小鋼拱架間距的方式，控制施工對周圍環(huán)境的影響。然而，鋼拱架間距過大會導(dǎo)致支護(hù)強度與剛度不足，承擔(dān)圍巖壓力的能力減弱。鋼拱架間距從0.4 m 增至0.5 m 時，既有隧道最大隆起和地表最大沉降增幅最大。建議鋼拱架間距取0.4 m。

3）單次拆撐長度

單次拆撐長度即臨時支護(hù)單次拆除長度。初期支護(hù)厚度為0.3 m，鋼拱架間距為0.5 m，單次拆撐長度分別取6、8、9、10、12 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降見表7。

表7 不同拆撐長度下既有隧道最大隆起與地表最大沉降

由表7可知：隨單次拆撐長度增加，既有隧道最大隆起與地表最大沉降不斷增大。與單次拆撐長度6 m相比，單次拆撐長度12 m 時既有隧道最大隆起和地表最大沉降明顯增大。這是由于單次拆撐長度越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度下降越快，從而造成周圍土體受力狀態(tài)發(fā)生較大改變?？梢妴未尾饟伍L度增加對周圍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利，建議單次拆撐長度取6 m。

4.2 施工方案優(yōu)化前后對比

綜合以上分析，從兩個方面對施工方案進(jìn)行優(yōu)化：①增加初期支護(hù)厚度，新增三次襯砌。初期支護(hù)厚度由原設(shè)計的0.30 m調(diào)整為0.35 m，二次襯砌厚度由原設(shè)計的0.50 m調(diào)整為0.25 m，二次襯砌施工完成后，再拆除臨時支護(hù)，鋪設(shè)防水板，之后施作三次襯砌（厚0.35 m）。②鋼拱架間距由原設(shè)計的0.5 m 減至0.4 m，單次拆撐長度由原設(shè)計的9 m減至6 m。

通過數(shù)值模擬得到施工方案優(yōu)化前后既有隧道拱頂豎向位移隨施工步變化曲線，見圖8。

圖8 方案優(yōu)化前后既有隧道拱頂豎向位移隨施工步變化曲線

由圖8 可知，既有隧道拱頂最大豎向位移由施工方案優(yōu)化前的7.04 mm 減至6.47 mm，減幅8.10%。因初期支護(hù)和二次襯砌組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的強度與剛度，對后續(xù)拆撐釋放的地層應(yīng)力有一定的抑制作用，同時增加了新建隧道結(jié)構(gòu)自重；單次拆撐長度較短可減少對既有隧道的擾動。

施工方案優(yōu)化前后地表沉降曲線見圖9?？芍?，與施工方案優(yōu)化前相比，優(yōu)化后地表最大沉降由9.49 mm減至8.71 mm，減幅8.22%。

圖9 施工方案優(yōu)化前后地表沉降曲線

5 結(jié)論

1）新建隧道采用CRD 法上跨既有隧道施工過程中，先行開挖的兩個導(dǎo)洞引起的既有隧道拱頂隆起和地表沉降，接近整個施工過程最大變形的50%。

2）既有隧道最大隆起與地表最大沉降隨鋼拱架間距和單次拆撐長度增大而增大，隨初期支護(hù)厚度增加而減小。

3）新建隧道上跨既有隧道時采用初期支護(hù)+二次襯砌+三次襯砌的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。二次襯砌施作完成后，再拆除臨時支護(hù)，鋪設(shè)防水板，施工三次襯砌。鋼拱架間距取0.4 m，單次拆撐長度取6 m，有利于既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全。