地鐵隧道超近距離下穿既有線安全施工技術(shù)

張福忠

（中鐵三局集團(tuán)華東建設(shè)有限公司，江蘇 南京 211153）

1 概述

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，必然帶來各種新舊線路相互交叉穿越的工程問題[1]，一些大的綜合樞紐位置，線路復(fù)雜多變，新舊線路的近距離穿越也不可避免[2]，新建隧道的下穿施工如何保證既有線結(jié)構(gòu)的安全，不影響既有線的正常運(yùn)營[3]，越來越受到研究人員的重視。某地鐵礦山法單線隧道，左右線均下穿既有鐵路線（已建寧蕪貨線先期實(shí)施段）明挖隧道，交叉段長度約240 m，與既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)最近距離只有1.70 m、最小夾角只有7°，新建隧道因工期原因必須采用爆破施工，還需破除大量寧蕪貨線鐵路圍護(hù)樁。隧道地面周邊建筑物密集且多為高層建筑，地下管線密布，地面交通異常繁忙。

下穿段隧道斷面和既有寧蕪貨線區(qū)間隧道的情況及相互位置關(guān)系如圖1、圖2。

圖1 寧蕪貨線隧道與地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖

圖2 寧蕪貨線隧道與地鐵結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系圖（其中右上為最不利斷面）

綜合相關(guān)規(guī)范和有關(guān)規(guī)定，對既有寧蕪貨線隧道的保護(hù)原則為：

a）混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度不得大于0.2 mm，并不得貫通。

b）隧道結(jié)構(gòu)由于地鐵施工引起的沉降不得大于12 mm，隧道的豎向及平面曲率半徑大于15 000 m。

c）由于地鐵施工產(chǎn)生的震動隧道引起的峰值速度小于等于2 cm/s。

d）施工過程中，注漿施工等情況下引起的附加荷載應(yīng)不大于20 kPa。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

下穿區(qū)間隧道拱頂絕大部分為③-1b1-2粉質(zhì)黏土、J1-2x-2c強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂。區(qū)間洞身局部位于J1-2x-2c強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖、J1-2x-3c中風(fēng)化粉細(xì)砂巖中，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。交叉段落洞身穿越J1-2x-3c中風(fēng)化粉細(xì)砂巖層，圍巖級別Ⅲ級。隧道拱頂埋深14～26 m，下穿段寧蕪貨線埋深為13 m。

2.2 場地水文地質(zhì)條件

本段落地下水主要為孔隙潛水，其中孔隙潛水主要賦存于①填土中。地下水初見水位埋深1.0～2.5 m，地下水靜止水位埋深在1.20～3.20 m，年水位變化幅度約1.0～1.50 m。

3 隧道施工對既有線影響的安全性分析

為了解施工過程中地層的變形及施工對既有區(qū)間隧道的影響，利用三維有限元仿真計(jì)算，對下穿既有寧蕪貨線的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)本工程的實(shí)際情況和特點(diǎn)，在三維有限差分元分析時有如下考慮：

a）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料,其本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。

b）模型的前、后、左、右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，選取土體范圍為130 m×330 m×70 m（X×Y×Z)，見圖 3。在此區(qū)域模擬土層，通過激活和鈍化開挖區(qū)的土體單元、襯砌單元模擬隧道施工過程及其土體位移，整個三維有限元計(jì)算模型共93 764個單元。

計(jì)算分3種工況：

a）工況1 地鐵隧道開挖一次性完成；

b）工況2 地鐵隧道分40步開挖完成；

c）工況3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)考慮塌方計(jì)算。

圖3 計(jì)算模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

a）隧道的最大沉降允許值為12 mm，數(shù)值分析結(jié)果表明隧道結(jié)構(gòu)最大沉降為6.13 mm，滿足沉降要求。

b）通過數(shù)值模擬，地鐵施工對結(jié)構(gòu)斷面的軸力影響較為復(fù)雜，但軸力變化幅度較小，隧道軸向壓力最大值均在右側(cè)墻頂部位置，通過比較，地鐵施工對隧道結(jié)構(gòu)的縱向彎矩產(chǎn)生的影響較大，隧道結(jié)構(gòu)在本段的縱向鋼筋由普通段的φ16@100加強(qiáng)為φ20@100，結(jié)構(gòu)受力主筋由 φ22@100加強(qiáng)為φ28@100，經(jīng)核算本段結(jié)構(gòu)配筋的加強(qiáng)能夠滿足地鐵結(jié)構(gòu)引起的隧道結(jié)構(gòu)受力變化。

c）計(jì)算分別考慮了一次性通過開挖和分40步開挖的工況，按照一次性通過的方式計(jì)算時，最大豎向位移為6.13 mm，橫向位移為3.8 mm，開挖步驟增加至40步時，最大豎向位移減小為2.61 mm，橫向位移減小為2.09 mm。通過開挖步驟的增加，能有效地減小隧道結(jié)構(gòu)由于地鐵施工引起的位移及受力變化，加大隧道結(jié)構(gòu)的安全保障，但是，施工產(chǎn)生的影響只能通過增加開挖步驟減弱，不能夠完全消除。

d）計(jì)算在工況2的基礎(chǔ)上增加了塌方影響的模擬計(jì)算，塌方縱向長度7.86 m（一個開挖循環(huán)的長度）考慮，橫向?qū)挾劝雌屏衙婵紤]，塌方位置選取在寧蕪貨線隧道與地圖隧道結(jié)構(gòu)垂直距離最近處。計(jì)算結(jié)果表明，小范圍的臨時脫空對已建寧蕪貨線隧道的影響總體不大，寧蕪貨線隧道結(jié)構(gòu)配筋的加強(qiáng)滿足受力的增加。

4 隧道下穿施工方案

4.1 施工方案的確定

在下穿施工過程中，必須保證地鐵隧道施工和已建鐵路隧道結(jié)構(gòu)的安全。通過采用有限元仿真分析隧道下穿施工對既有線的影響，經(jīng)過多次專家論證，決定該區(qū)段采用超前小導(dǎo)管、超前掏槽導(dǎo)洞、分步分塊控制爆破、大剛度和強(qiáng)度初支進(jìn)行支護(hù)、初支背后及時注漿加固等技術(shù)，其中，破除侵入地鐵隧道內(nèi)的鐵路隧道圍護(hù)樁，采用機(jī)械破除+人工鑿除+控制爆破相結(jié)合的方法。

4.2 工藝流程

圖4 施工工藝流程圖

4.3 操作要點(diǎn)

4.3.1 超前支護(hù)

超前小導(dǎo)管施做時按照10°外插角進(jìn)行布置打設(shè)。將原設(shè)計(jì)第二排40°超前小導(dǎo)管調(diào)整為外插角10°，與第一排小導(dǎo)管交錯布置，以避免導(dǎo)管過高上揚(yáng)碰著寧蕪貨線隧道底板。

4.3.2 破除圍護(hù)樁

a）上臺階樁體破除。先施打拱部超前支護(hù)小導(dǎo)管注漿，然后采用人工風(fēng)鎬配合機(jī)械炮頭破除上臺階樁，清理殘?jiān)?，保留核心土?/p>

b）架立上臺階鋼架并噴混封閉。上臺階土體挖除，及時架立一榀型鋼鋼架。型鋼鋼架要與樁體預(yù)留筋進(jìn)行焊接并掛網(wǎng)噴混封閉。

c）下臺階樁體破除。待上臺階挖進(jìn)3～6 m后，采用弱爆破反頭破除下臺階樁體。架設(shè)下臺階鋼架與上臺階對應(yīng)鋼架連接。與樁體預(yù)留鋼筋進(jìn)行焊接并掛網(wǎng)噴混封閉成環(huán)。

4.3.3 開挖及支護(hù)

下穿段采用臺階法、弱爆破、短進(jìn)尺開挖，為了讓初期支護(hù)即時受力，地鐵隧道初期支護(hù)中噴射混凝土強(qiáng)度等級提高到C25，將原格柵鋼架調(diào)整為I22b型鋼鋼架，間距50 cm。若遇圍巖破碎地帶，鋼架間距調(diào)至30 cm以確保支護(hù)強(qiáng)度。現(xiàn)場實(shí)施時，必須確保在每循環(huán)隨挖隨支。

通過爆破波形圖（由解放軍理工大學(xué)監(jiān)控）及現(xiàn)場試驗(yàn)裝藥量分析，爆破施工中采用掏槽導(dǎo)洞超前、分部分塊進(jìn)行弱松動爆破，根據(jù)距離寧蕪貨線不同距離及監(jiān)測數(shù)據(jù)確定最大一次齊爆藥量，通過在開挖斷面中心、周邊及底板均設(shè)減震孔的方法，有效地控制了爆破震動對寧蕪貨線的影響。

鑒于后期寧蕪貨線運(yùn)營動載對地鐵的影響，二襯由300 mm厚加強(qiáng)至400 mm厚，同時配筋由φ22@150加強(qiáng)到φ28@150。加強(qiáng)段長度超出地鐵結(jié)構(gòu)與貨線隧道邊線15 m范圍。

5 施工監(jiān)測

5.1 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

為了掌握地層和洞室在施工過程中的力學(xué)動態(tài)，確保洞室的穩(wěn)定和寧蕪貨線建筑物的安全，下穿段落在正常地表、地鐵隧道拱頂下沉、凈空收斂監(jiān)控量測工作量情況下，另外：a）在寧蕪貨線隧道主體結(jié)構(gòu)底板上布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，每20 m（或沉降縫處）布設(shè)一個斷面，交叉區(qū)段向外兩側(cè)距離20 m、50 m、100 m位置各設(shè)一個斷面，每個斷面布設(shè)2個測點(diǎn)，共設(shè)19個斷面，計(jì)38個測點(diǎn)；b）在寧蕪貨線隧道主體結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻埋設(shè)收斂監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測斷面與沉降監(jiān)測斷面相同，每20 m布置一斷面，交叉段兩端各延伸一個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)5個反射片，總計(jì)15個斷面，計(jì)75個測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5。

圖5 下穿寧蕪貨線段貨線隧道監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

5.2.1 沉降監(jiān)測

寧蕪貨線隧道各沉降監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降變化量見圖6，部分累計(jì)沉降和差異沉降超警戒值。

圖6 累計(jì)沉降圖

沉降值超警戒值原因分析：

a)由于地鐵隧道拱頂距寧蕪貨線底板距離較小，隧道開挖施工在圍巖周圍形成松弛圈，對寧蕪貨線框架結(jié)構(gòu)底板下土體造成擾動，出現(xiàn)土體松散，強(qiáng)度降低。

b）原寧蕪貨線隧道明挖施工后，隧道結(jié)構(gòu)周邊土體之間存在空隙并有滲水，形成“水囊”。此現(xiàn)象特別明顯，在開挖過程中寧蕪貨線下掌子面流水經(jīng)常散發(fā)一股臭味。

c）原寧蕪貨線隧道明挖施工后，對隧道結(jié)構(gòu)周邊巖體有一定破壞作用，造成巖體較為松散。

d）由于寧蕪隧道底板處于強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，該巖層遇水易軟化，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致寧蕪隧道底板出現(xiàn)沉降。

以上原因綜合導(dǎo)致寧蕪貨線框架出現(xiàn)較大沉降，而開挖影響范圍外的框架結(jié)構(gòu)沉降小，因此寧蕪貨線框架底板兩側(cè)形成差異沉降超警戒值。

后期通過采取注漿抬升措施，使沉降恢復(fù)到可控范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

5.2.2 收斂監(jiān)測

寧蕪貨線隧道內(nèi)收斂控制值為5 mm。如圖7，各收斂監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變化量均未超警戒值。

圖7 累計(jì)收斂變化圖

5.2.3 裂縫監(jiān)測

寧蕪貨線隧道內(nèi)裂縫控制值為0.2 mm。通過統(tǒng)計(jì)各裂縫累計(jì)變化量均未超警戒值。

5.2.4 其他監(jiān)測

a）結(jié)構(gòu)主筋應(yīng)力監(jiān)測 監(jiān)測區(qū)段范圍內(nèi)45個監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力變化量較小，均未超±25 MPa。

b）空隙監(jiān)測 未發(fā)現(xiàn)明顯空隙。

6 結(jié)語

采用有限元仿真計(jì)算分析了新建地鐵隧道下穿既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全性，在施工過程中進(jìn)行多項(xiàng)目的現(xiàn)場監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，施工中采用超前小導(dǎo)管、超前掏槽導(dǎo)洞、分步分塊控制爆破、大剛度和強(qiáng)度初支進(jìn)行支護(hù)、初支背后及時注漿加固等技術(shù)，其中，破除侵入地鐵隧道內(nèi)的鐵路隧道圍護(hù)樁，采用機(jī)械破除+人工鑿除+控制爆破相結(jié)合的方法，保證了地鐵隧道施工和已建鐵路隧道結(jié)構(gòu)的安全。