新建地鐵隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)抗浮加固效應(yīng)計算分析

劉忻梅，姜 峰，許有俊，，李文博，王 楓

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2．北京市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100045;3.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

經(jīng)過多年的運(yùn)營，既有地鐵隧道周圍土體中的應(yīng)力場已經(jīng)得到充分調(diào)整，處于一個相對穩(wěn)定平衡狀態(tài)。新建地鐵隧道的施工，將不可避免地擾動其周圍的土體，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。新建隧道底下方的土體，正處于隧道開挖作用的卸荷區(qū)。主要是開挖卸荷效應(yīng)，產(chǎn)生了向上的卸荷附加應(yīng)力場，在其作用下，引起新建隧道底部一定深度范圍內(nèi)的土體向上回彈隆起。土體的隆起帶動既有隧道產(chǎn)生局部縱向上浮變形及附加內(nèi)力，使既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切、拉伸和扭轉(zhuǎn)變形。嚴(yán)重者使結(jié)構(gòu)破壞，會造成道床變形開裂、道床脫離，兩軌高差超限、單軌垂直和水平位移超限、軌道曲率超限等，從而影響既有線列車的正常、安全運(yùn)營［1］。有些既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)在修建時不曾考慮后期會有新建地鐵上穿施工，既有隧道結(jié)構(gòu)沒有配筋，并經(jīng)過多年的運(yùn)營，混凝土結(jié)構(gòu)開裂劣化。新建隧道上穿施工時，將面臨新的挑戰(zhàn)。

目前地鐵上穿工程的成功案例較少，相關(guān)理論尚不完善。穿越過程中，對既有線的抗浮加固措施及導(dǎo)洞施工的時空效應(yīng)等關(guān)鍵問題仍處于探索階段。因此，本文對既有隧道結(jié)構(gòu)地層抗浮加固措施等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，其研究成果可為今后類似工程提供借鑒經(jīng)驗，完善上穿近接工程施工理論和方法［2］。

1 工程概況

1.1 站址環(huán)境

北京地鐵4號線西單站位于復(fù)興門內(nèi)大街(長安街)與宣武門內(nèi)大街、西單北大街相交處十字路口的東側(cè)，呈南北走向，與1號線西單地鐵車站呈“T”字型換乘。新建地鐵4號線西單車站與地鐵1號線區(qū)間線路平面及縱面關(guān)系見圖1［3］。

圖1 4號線西單站暗挖段與1號線區(qū)間的平面關(guān)系(單位:mm)

1.2 主要施工參數(shù)

1)施工工序。新建4號線西單車站隧道采用中隔壁法(CRD法)施工，該法是通過臨時仰拱和臨時中隔壁把大斷面分割成小斷面的方法，以時間換取空間，充分地體現(xiàn)了隧道開挖的時空效應(yīng)。該法適用于地層軟弱的大斷面隧道施工，在每一步施工步序中，通過臨時中隔壁和臨時仰拱來封閉斷面，可有效地控制洞室的收斂，減少了開挖對周圍地層的擾動。

暗挖段長46．8 m，由南至北分段施工。施工時先施作左洞，待施工順利通過1號線上下行區(qū)間后，再施作右洞，以減小對1號線區(qū)間上部土體的擾動。每側(cè)洞采用CRD工法，分6個洞室分步施作。每個導(dǎo)洞開挖間隔為5 m。如圖2所示。

2)深孔注漿加固措施。為控制既有1號線的上浮變形，從1號、3號洞室底部對結(jié)構(gòu)底板與1號線區(qū)間隧道兩側(cè)土體進(jìn)行注漿加固，加固范圍主體結(jié)構(gòu)底板下10 m，兩側(cè)6．0 m，加固土層底部到達(dá)卵石層。同時，為減少對1號線區(qū)間單側(cè)土層注漿時可能產(chǎn)生的不平衡側(cè)壓力，要求導(dǎo)洞開挖25 m后再向下進(jìn)行土體注漿，并盡量做到對區(qū)間結(jié)構(gòu)的兩側(cè)土體同時注漿加固。

圖2 左線隧道部分施工步序

3)工程特點。北京地鐵4號線西單車站上穿1號線既有區(qū)間隧道，地面交通繁忙。車站底板與1號線既有區(qū)間隧道頂凈距僅為0.5 m。既有隧道二襯施工時間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。新建地鐵車站施工既要保證長安街的地表沉降值不超過限值，確保地面交通及周邊建筑物的安全，又要保證1號線區(qū)間隧道、軌道的上浮變形不超過限值，因此設(shè)計與施工難度非常大。

2 數(shù)值模型計算分析

采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維數(shù)值計算模型，對新建地鐵車站的施工全過程進(jìn)行了模擬，模型幾何尺寸為100 m×80 m×60 m，見圖3。大管棚、小導(dǎo)管加固地層、新建隧道與既有隧道結(jié)構(gòu)襯砌均采用實體單元，中隔壁采用 Shell單元，注漿加固地層按提高加固范圍內(nèi)土體物理力學(xué)等效參數(shù)考慮［4-5］。

圖3 幾何模型

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)巖土勘察報告，將土層性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)相似的土層進(jìn)行合并，合并為5層，土層參數(shù)詳見表1。

2.2 數(shù)值計算模型的有效性驗證

在既有隧道結(jié)構(gòu)抗浮措施研究之前，將數(shù)值計算結(jié)果與實際監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以確保計算參數(shù)及模型的合理性以及計算結(jié)果的可靠性。

表1 土層參數(shù)表

由圖4分析可知，對于右線初支完成后沿既有隧道結(jié)構(gòu)縱向的上浮變形情況，數(shù)值模擬計算出的最大值為2.57 mm，遠(yuǎn)程第三方監(jiān)控量測最大值為2.14 mm。二者存在一定差異，總體吻合較好，且變形曲線形態(tài)相似，從而驗證數(shù)值計算模型參數(shù)較合理，計算結(jié)果可靠。在此基礎(chǔ)上，對既有隧道抗浮加固措施進(jìn)行研究。

圖4 右線初支完成后既有線上浮變形曲線

2.3 計算結(jié)果分析

通過對既有隧道結(jié)構(gòu)周圍一定范圍內(nèi)土體注漿加固，漿液通過滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用，改善了土顆粒間的膠結(jié)作用，使膠結(jié)力明顯增大。同時，粒狀漿液的注入，填充了土體顆粒間的孔隙，改變了孔隙度和飽和度，改善了土體的物理力學(xué)參數(shù)，較大地提高了土體自穩(wěn)能力及抗變形能力。

1)未加固地層。通過計算結(jié)果分析可知，在地層未加固的情況下，既有1號線區(qū)間隧道的上浮量隨著小導(dǎo)洞的開挖逐漸增加。左線隧道初支完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮量為8.66 mm，右線隧道初支完成后，達(dá)到16．66 mm。隨著離上部新建隧道中心距離的增大，既有結(jié)構(gòu)的上浮量減少。

2)加固地層。通過計算結(jié)果分析可知，在地層加固的情況下，既有1號線區(qū)間隧道的上浮量隨著小導(dǎo)洞的開挖逐漸增加。左線隧道初支完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮量為1.94 mm，右線隧道初支完成后，達(dá)到2.57 mm，未超過預(yù)警值，允許控制值4.0 mm(報警值2.8 mm)。隨著離上部新建隧道中心距離的增大，既有結(jié)構(gòu)沿縱向的上浮量逐漸減少。

3)對比分析。通過對采取注漿加固措施與未采取加固措施兩種工況下計算結(jié)果對比分析可知，在其它計算參數(shù)保持不變的情況下，未采取加固措施時，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值為16．66 mm，采取加固措施后，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值降至2.57 mm，說明注漿加固措施可有效地控制既有線的上浮變形。

為了更清楚對比兩種工況下計算結(jié)果的差別，計算出各個小導(dǎo)洞施工引起的上浮貢獻(xiàn)值及相應(yīng)的比例，結(jié)果見表2。

表2 既有隧道結(jié)構(gòu)累計上浮發(fā)展情況

由表2分析可知:

1)在地層未加固的情況下，左線、右線1導(dǎo)洞和3導(dǎo)洞離既有線的相對位置較遠(yuǎn)，對既有線的影響較小，4個導(dǎo)洞開挖引起既有線的上浮量占總上浮量的17.8%。左線、右線2導(dǎo)洞和4導(dǎo)洞離既有線較近，開挖引起既有線的上浮量占總上浮量的34%。左線、右線5導(dǎo)洞和6導(dǎo)洞，離既有線最近，引起既有線上浮量達(dá)到最大，上浮量占總上浮量的48.2%。因此，左線、右線2導(dǎo)洞、4導(dǎo)洞、5導(dǎo)洞和6導(dǎo)洞的開挖是引起既有線上浮的主要施工步序，在進(jìn)行這幾個導(dǎo)洞開挖之前必須進(jìn)行地層的預(yù)加固，以控制既有線的上浮量。

2)在地層加固的情況下，左導(dǎo)洞1、左導(dǎo)洞3開挖引起的上浮值與地層未加固時的結(jié)果接近，占總上浮值的51.8%，原因是這兩個導(dǎo)洞開挖時未對土體進(jìn)行加固。中層導(dǎo)洞、底層導(dǎo)洞對于既有結(jié)構(gòu)的上浮變形貢獻(xiàn)值減少;先行施工的左洞引起的既有結(jié)構(gòu)的上浮變形貢獻(xiàn)值為75.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后行右洞的貢獻(xiàn)值24.5%。

3)在兩種工況下，既有隧道結(jié)構(gòu)縱向變形形狀上近似于正態(tài)曲線，即形成一個反Peck曲線的上浮槽，由于左右線間距較近，表現(xiàn)為單峰形態(tài)。

4)通過對有加固措施與無加固措施計算的上浮槽曲線進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)采取加固措施后，對既有線的影響范圍減小，同時上浮值也減少至1/6。

3 結(jié)論

1)未采取加固措施時，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值為16．66 mm，采取加固措施后，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值降至2.57 mm，說明注漿加固措施可有效地控制既有線的上浮變形。既有隧道結(jié)構(gòu)縱向變形的形狀近似于正態(tài)曲線，即形成一個反Peck曲線的上浮槽，由于左右線間距較近，表現(xiàn)為單峰形態(tài)。

2)對于CRD法施工的新建隧道，離既有線較遠(yuǎn)的小導(dǎo)洞，對既有線的上浮變形影響較小，反之，對既有線的上浮變形影響較大。中層導(dǎo)洞和下層導(dǎo)洞是引起既有線上浮的主要施工步序，在進(jìn)行這幾個導(dǎo)洞開挖之前應(yīng)進(jìn)行地層的預(yù)加固，以控制既有線的上浮量。

感謝北京城建設(shè)計研究總院為本文提供了工程基礎(chǔ)資料。

［1］張曉麗．淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐［D］．北京:北京交通大學(xué)，2007.

［2］許有?。疁\埋暗挖法地鐵隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011.

［3］許有俊，李文博，王楓．超淺埋新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)上浮變形預(yù)測［J］．鐵道建筑，2011(3):70-73.

［4］朱劍．新建上穿車站施工對既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響及控制研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］陶連金，張印濤，唐四海．礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數(shù)值模擬［C］//地下工程施工與風(fēng)險防范技術(shù):第三屆上海國際隧道工程研討會文集．上海:2007:560-565.