地鐵換乘通道暗挖段施工對既有盾構(gòu)隧道的影響研究

金 平，王 濤，嚴德添

（1.中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司,安徽 合肥 230022；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

隨著我國軌道交通的不斷發(fā)展，國內(nèi)城市正在積極地修建地鐵隧道。由于地鐵隧道呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢，新建地下工程往往對既有地鐵隧道造成影響。在城市地鐵施工中，有效保證既有地鐵隧道的安全是工程的難點之一。為此，不少學(xué)者針對新建地下工程施工對既有地鐵隧道的影響進行了研究。胥俊瑋[1]探討了新建馬蹄形隧道臺階法施工對地表沉降及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)了新建隧道開挖后地表及既有隧道結(jié)構(gòu)將會發(fā)生不均勻沉降，且既有隧道底板變形略大于頂板變形的現(xiàn)象。梅勇文[2]以沈陽市南北快速干道工程中段隧道上跨地鐵1號線區(qū)間隧道的工程實例為對象，對明挖隧道上跨地鐵區(qū)間隧道施工進行了分析和研究，指出明挖隧道上跨既有盾構(gòu)隧道施工，必須考慮到基坑土方開挖的減載作用對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的影響。黃玲、顏波[3]以廣州某在建的地鐵連接通道項目為例，對基坑開挖全過程對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在地下水位保持不變時，靠近開挖基坑的地鐵結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為沉降變形，而離開挖基坑較遠的結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)為向基坑側(cè)偏移的水平變形。張玥、曹偉[4]比較新建馬蹄形隧道采用不同開挖臺階長度施工時對既有隧道的變形及內(nèi)力的影響，評價既有隧道的安全性。結(jié)果表明，新建隧道采用長臺階法施工，不僅能夠保證既有隧道的安全還可加快新建隧道的施工進度。張建[5]分析了新建隧道正交下穿施工影響安全的主要因素，提出了預(yù)防由新建隧道正交下穿施工引發(fā)既有隧道應(yīng)力變化過大的措施。孫洪碩等[6]分析了石家莊市地鐵3號線施工過程中對電力隧道的影響，結(jié)果表明，地鐵區(qū)間隧道的開挖卸載將導(dǎo)致電力隧道出現(xiàn)整體抬升，但抬升變形量值較小，二次襯砌受力滿足安全性要求。張瑾等[7]通過數(shù)值模擬方法研究了新建隧道下穿既有線路時新舊隧道的相互影響，發(fā)現(xiàn)既有隧道的襯砌對新建隧道起到了預(yù)加固作用，使得新建下穿隧道的拱頂沉降小于未穿越段，但既有隧道的拱頂部位沉降會顯著加大，有必要進行預(yù)先加固。綜上可見，在新建地下工程近接既有建構(gòu)筑物施工時，開展數(shù)值模擬評估施工安全性極為必要。本文以深圳地鐵福民站換乘通道暗挖段工程施工為背景，結(jié)合工程實際需求，采用三維數(shù)值模擬的方法研究暗挖矩形換乘通道施工對既有地鐵隧道的影響，從而評估工程采用的施工措施是否適宜，以期為本工程的順利開展和類似工程的施工提供技術(shù)支持。

1 工程概況

深圳地鐵10號線福民站沿福強路南北向布置，與7號線在福強路與福民路交叉處換乘，需在2個車站之間修建換乘通道。換乘通道位于7號線福民站東側(cè)，通道東西走向，通道正下方有地鐵7號線福民站至皇崗口岸區(qū)間隧道右線。此外，換乘通道上方有皇崗河雨水箱涵通過，箱涵形式為單箱雙室，單室凈尺寸為5.5m（寬）×5.2m（高）。因換乘通道零距離下穿皇崗河雨水箱涵，故該段采用暗挖法施工。通道其余部分（下穿皇崗河雨水箱涵段兩側(cè)）采用明挖法施工，施工順序為先明挖施工再暗挖施工，其平面布置圖見圖1。該換乘通道暗挖段距離地鐵7號線既有隧道約7.6m。工程范圍內(nèi)的地層主要由第四系人工堆積層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）和燕山期（γ53）花崗巖組成，土層主要包括素填土、含淤泥質(zhì)砂、粗砂和砂土狀強風(fēng)化花崗巖等。其中，換乘通道暗挖段所處地層主要是含淤泥質(zhì)砂。

換乘通道暗挖段頂板距離地表約7.3m，頂部緊靠皇崗河雨水箱涵。通道暗挖段長16m，斷面為矩形，尺寸為10.3m（寬）×4.4m（高）。為了減少換乘通道施工對皇崗河雨水箱涵和既有地鐵7號線的影響，通道暗挖段施工前采用水平旋噴樁對開挖斷面兩側(cè)及下部進行加固，同時采用深孔注漿對暗挖段下部初支輪廓線外3m范圍內(nèi)進行加固，并在施工時設(shè)置超前小導(dǎo)管。換乘通道暗挖段開挖方法為中洞法，開挖步序按圖2中1～4步進行，型鋼鋼架在每次開挖后及時架設(shè)，各部分每次開挖進尺為0.5m，其中第1部分進度超前第2部分3m，第2部分進度超前第3部分2m，第3部分進度超前第4部分3m。當(dāng)開挖各部分均貫通后，底板一次性澆筑完成，橫向支撐一次性全部拆除，豎向型鋼支撐隔一拆一，側(cè)墻和頂板二次襯砌均勻分三段進行澆筑。

圖1 工程平面圖

圖2 換乘通道暗挖段施工步序圖

顯然，換乘通道下穿皇崗河雨水箱涵暗挖段是通道施工的難點及關(guān)鍵，因此有必要對通道暗挖段施工對既有建構(gòu)筑物的影響進行研究。本文著重分析換乘通道暗挖段施工對下伏既有地鐵7號線的影響，換乘通道暗挖段施工的力學(xué)行為及其對皇崗河雨水箱涵的影響將另文分析。

2 數(shù)值模型的建立

采用有限差分數(shù)值分析軟件FLAC3D模擬換乘通道暗挖段的施工過程。模型左右邊界及下邊界計算范圍控制在3～5倍開挖寬度，具體尺寸為沿換乘通道縱向方向自7號線福民車站起取64m，橫向取72.8m，高度為28.2m。依據(jù)巖土勘探資料，數(shù)值計算中對現(xiàn)場的巖土層進行適當(dāng)簡化，將計算模型研究范圍內(nèi)的土層分為4層，模型中各材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

圖3為三維數(shù)值計算模型圖。所建立好的計算模型共計27.35萬個單元，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件。計算中，各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻、雨水箱涵、初期支護、二次襯砌及盾構(gòu)隧道管片采用彈性模型。鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給初期支護。根據(jù)抗壓剛度相等的原則，在開挖過程中按每段進尺分步將支護結(jié)構(gòu)的彈性模量折算到混凝土實體單元中，參數(shù)折算的計算公式為：

式中：E——換算初支彈性模量；

E1——鋼材彈性模量；

E2——混凝土彈性模量；

I1——鋼拱架截面慣性矩；

I2——混凝土截面慣性矩。

數(shù)值計算中，考慮雨水箱涵充滿水流，在箱涵底部施加5.2kN/m2的均勻壓力，而通道暗挖施工過程的模擬與設(shè)計相一致。由于前期已掌握換乘通道明挖段基坑施工對既有7號線隧道的影響規(guī)律，本文在分析中不再考慮換乘通道暗挖段兩側(cè)基坑施工對既有7號線隧道的影響。

表1 計算模型材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖3 三維數(shù)值計算模型圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 既有隧道管片受力分析

由于7號線盾構(gòu)隧道右線位于換乘通道正下方，相對與左線來說，受換乘通道開挖的影響更大，因此主要分析右線管片的受力情況。

換乘通道開挖過程中典型施工步時的既有隧道右線管片最大第一第三主應(yīng)力數(shù)值如表2所示。可以看出，在整個開挖過程中，管片最大第一主應(yīng)力隨著開挖的進行變化很小。應(yīng)力較大的位置有3處，分別位于換乘通道正下方處的管片拱底位置、靠近福民站的管片拱頂位置和遠離福民站一側(cè)的拱肩位置，這3個位置處最大主應(yīng)力的量值均約為4MPa。

第三主應(yīng)力與第一主應(yīng)力一樣，在整個開挖過程中，管片第三主應(yīng)力隨著開挖的進行變化很小。應(yīng)力較大的位置有2個，一個是換乘通道正下方處的管片拱頂位置，另一個是靠近7號線福民站的管片拱底位置，這2個位置的應(yīng)力的量值均約為6MPa。不難分析出，既有管片如此的受力特點是由兩側(cè)明挖基坑的存在所決定的。

3.2 既有隧道變形分析

為研究由換乘通道暗挖段施工造成的地鐵隧道管片的變形情況，分別在左右線隧道底部和頂部各設(shè)置一條豎向位移測線，在拱腰兩側(cè)各設(shè)置一條橫向位移測線，研究測線上相應(yīng)監(jiān)測點的位移變形情況。拱腰測線的范圍為沿隧道縱向Y=10～54m范圍（換乘通道縱向范圍為Y=20～36m），測線上每隔2m設(shè)置一個測點，拱頂和拱底的測點位于換乘通道進洞口、出洞口和中部下方的管片處。

3.2.1 地鐵7號線盾構(gòu)隧道管片的豎向位移分析

選取位于換乘通道進洞口、出洞口和中部下方的管片監(jiān)測點分析管片的豎向位移隨開挖而變化的規(guī)律。右線管片受換乘通道開挖的影響更大，因此主要分析右線管片的變形情況。圖4給出了右線管片豎向位移曲線圖。通過圖4（a）可以看到右線各測點的豎向位移在通道施工過程中的變化規(guī)律：隨著換乘通道的開挖，既有隧道上各測點將會出現(xiàn)一定的隆起，且隆起值一直在增大，這是因為換乘通道的開挖對于下伏既有地鐵隧道產(chǎn)生了卸荷作用；施作底板時，由于相當(dāng)于給既有隧道上覆土層加載，造成既有隧道又會出現(xiàn)一定的下沉，表現(xiàn)為隆起值的減??；拆除橫撐時，既有隧道也會出現(xiàn)一定的隆起，隆起量值約為0.07mm，這是由暗挖通道支護結(jié)構(gòu)整體剛度的下降所引發(fā)的；在拆除豎向支撐和施作二襯的過程中，既有隧道的隆起值有略微的減小，因為這一過程對于既有隧道來說總體上還是處于上覆受荷增加的狀態(tài)；整個暗挖通道施工完成時，各監(jiān)測點的最終隆起量值在0.58～1.15mm范圍內(nèi)。

通過圖4（b）可以看出，右線管片位移最大值位置出現(xiàn)在坐標(biāo)Y=22處，即換乘通道暗挖段進洞口下方附近，且離通道越遠，位移變形值越??；在暗挖通道的施工過程中，既有隧道的豎向位移最大值為1.66mm。

表2 既有隧道右線管片最大第一第三主應(yīng)力變化情況

圖4 右線管片豎向位移曲線圖

3.2.2 地鐵7號線盾構(gòu)隧道管片的水平位移分析

圖5給出了既有隧道中各測點的橫向收斂曲線圖。從圖5可知，隧道管片由暗挖通道施工引發(fā)的收斂值較小，左線管片收斂最大值為0.037mm，右線管片收斂值最大為0.071mm，這說明隧道管片的橫向位移在橫斷面上幾乎變?yōu)檎w性的變形；右線管片的收斂值較大的位置在縱向上與換乘通道相同（Y=20～36m范圍），而左線隧道收斂較大的位置受到既有明挖基坑的影響，在縱向上出現(xiàn)在了Y=34～46m范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文依托深圳地鐵福民站換乘通道工程，研究評估了暗挖通道施工對既有盾構(gòu)隧道的影響，得出如下結(jié)論：

（1）暗挖通道的施工對既有盾構(gòu)隧道管片的受力影響較小，既有管片的受力不會因為暗挖通道的施工出現(xiàn)較大變化。

（2）上覆換乘通道的開挖造成的卸載效應(yīng)會導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道出現(xiàn)一定程度的隆起變形，但由于對土體進行了預(yù)加固，隆起變形量值得到了有效控制，其最大值僅為1.66mm，出現(xiàn)在通道開挖完成而底板尚未施作的階段。

（3）依據(jù)深圳地鐵福民站換乘通道暗挖段的設(shè)計方案進行施工，不會對既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全及運營安全產(chǎn)生影響。

圖5 各測點水水平收斂曲線圖

[1]胥俊瑋.新建隧道正交下穿施工對既有隧道的影響[J].路基工程，2017(1)：169-173.

[2] 梅勇文.城市隧道上跨既有地鐵隧道影響分析及處理[J].北方交通，2017(3)：138-142.

[3] 黃玲，顏波.連接通道施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響分析[J].廣東土木與建筑,2016(1)：62-64,36.

[4] 張玥，曹偉.城市道路隧道平行上穿既有隧道施工方法數(shù)值模擬分析[J].橋隧工程，2016(10)：61-65.

[5]張建.新建隧道施工對既有隧道應(yīng)力影響的分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014(1)：34-36.

[6] 孫洪碩，察福超，馮寶才，秦延召.地鐵施工對電力隧道的安全影響分析[J].市政技術(shù)，2013,31(6)：107-109,113.

[7] 張瑾，王旭春，劉濤.下穿隧道對既有地鐵線路及周邊環(huán)境影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2012，8(5)：1088-1093.