地鐵區(qū)間極小間距下穿高鐵盾構(gòu)隧道施工方法分析

曹瑞瑯，趙宇飛，寇衛(wèi)國，陸海鋒，張雪東

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室， 北京 100048；2.中鐵上海工程局集團 第一工程有限公司， 上海 200436)

城市地鐵修筑時，不可避免的存在新建地鐵工程與其他結(jié)構(gòu)(既有線、橋樁、建筑基礎以及地下管線等)相互影響[1]，近距離甚至“極小間距”穿越工程問題凸顯，一般作為工程重點風險源特殊對待，其設計和施工難度極大。

國內(nèi)外學者對城市地鐵修建引起地層變形規(guī)律和施工控制技術的研究已取得較為豐富的成果[2-5]。近些年，隨著下穿工程和側(cè)穿工程不斷出現(xiàn)，對城市地鐵修建對已有結(jié)構(gòu)影響方面研究有了新趨勢。張成平等[6]以北京地鐵5號線崇文門暗挖車站下穿既有地鐵隧道施工為背景，探討施工前對既有地鐵軌道和隧道結(jié)構(gòu)合理加固措施。張士強等[7]開展昆明地鐵盾構(gòu)下穿火車站沉降控制施工參數(shù)研究。A Leitner等[8]針對維也納新建高速公路隧道下穿U2/U5地鐵區(qū)間工程開展研究，分析淤泥河黏土地層的地層變形時間空間分布規(guī)律。北京地鐵12號線大-薊暗挖區(qū)間極小間距下穿京張高鐵隧道，兩者最小距離僅1.62 m，在卵石透水地質(zhì)條件下，如此小間距地鐵下穿高鐵盾構(gòu)隧道情況在國內(nèi)外工程中極為少見，且與一般工程相比，為控制地鐵施工對上方盾構(gòu)管片不均勻沉降影響[9]，地層變形控制標準更為嚴格。

研究隧道施工方法對下穿工程穩(wěn)定性影響至關重要，以地鐵12號線極小間距下穿京張高鐵盾構(gòu)為工程背景，針對各種施工方法實施中地層變形規(guī)律、地表沉降規(guī)律、盾構(gòu)管片變形規(guī)律以及支護結(jié)構(gòu)受力特征等關鍵問題開展研究，為下穿工程施工方法選取提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

北京地鐵12號線正線全長為29.35 km，全部為地下線，共設21座車站，其中換乘站14座。大鐘寺站—薊門橋站區(qū)間起點位于大鐘寺站，區(qū)間線路沿北三環(huán)西路路中敷設，終點位于薊門橋區(qū)的薊門橋站，區(qū)間長度847.298 m，線間距15.0 m～17.2 m。大鐘寺站及薊門橋站均為暗挖法施工車站，區(qū)間線路縱斷采用“人”字坡，擬采用礦山法施工，區(qū)間埋深約34 m。

在里程左SSK108+005—左SSK108+038之間，地鐵暗挖區(qū)間極小間距下穿京張高鐵隧道，即區(qū)間結(jié)構(gòu)垂直下穿盾構(gòu)隧道，見圖1。高鐵盾構(gòu)直徑12.2 m，地鐵區(qū)間直徑6.2 m，兩者距離僅1.62 m，在卵石透水地質(zhì)條件下，控制地層變形非常關鍵，必須選擇合理的施工方法，降低地鐵區(qū)間施工對上方高鐵盾構(gòu)管片及軌道的影響。

圖1地鐵區(qū)間極小間距下穿高鐵盾構(gòu)示意圖

1.2 施工方案比選

為控制隧道圍巖變形，對隧道拱頂及邊墻進行深孔注漿，并在隧道邊墻與水平線30°角度處施加鎖腳錨管。施工遵循“短臺階、短循環(huán)、快封閉、勤量測和強支護”的原則[10]，如圖2所示，考慮的施工方法有：

(1) 臺階法：采用上下臺階法施工，上部臺階預留核心土，各臺階步距為3.0 m。

(2) 臨時仰拱臺階法：在臺階法的基礎上，上臺階施工完畢后，施加臨時仰拱。

(3) 交叉中隔壁法(CRD)：把隧道分為4個獨立的小洞室分部施工，交叉中隔壁法，隨挖隨撐。

(4) 中隔壁法(CD法)：將隧道分為左右兩大部分進行開挖，隧道兩側(cè)采用臺階法自上而下分層開挖，中間設置中隔壁以增加支護剛度。

圖2地鐵區(qū)間施工方法

2 數(shù)值建模與計算方案

2.1 數(shù)值建模

考慮到邊界效應影響，數(shù)值計算模型邊界取3倍以上洞直徑，上部邊界取至地表[11]，如圖3所示，模型幾何尺寸長、寬、高分別為80 m、80 m和50 m。圍巖和支護采用實體單元模擬，鎖腳錨管采用錨桿單元(Cable)模擬，在地鐵區(qū)間和高鐵盾構(gòu)隧道交叉部位增加了網(wǎng)格密度以提高計算精度。

圖3地鐵區(qū)間極小間距下穿高鐵盾構(gòu)三維建模圖

圖4給出了數(shù)值計算模型網(wǎng)格圖，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為23.5萬個，網(wǎng)格單元數(shù)為55.1萬個。高鐵盾構(gòu)管片接縫采用等效剛度法模擬。

2.2 模型參數(shù)

地鐵區(qū)間圍巖主要是卵石-圓礫層，厚約23 m，高鐵盾構(gòu)隧道上方主要是黏土和雜填土，上方是卵石-圓礫層，圍巖采用服從Mohr-Coulomb屈服準則的彈塑性模型，物理力學指標見表1，在FLAC3D中采用Fish語言按照分層賦予網(wǎng)格參數(shù)。深孔注漿效果通過提高圍巖變形模型和黏聚力等值實現(xiàn)。

圖4 數(shù)值計算模型(臨時仰拱臺階法)網(wǎng)格圖

初支、二襯及管片采用服從彈性模型的實體單元模擬，參數(shù)取值見表2，管片接縫利用等效剛度折減法[12]實現(xiàn)。隧道臨時支撐(I22a型鋼)采用Shell結(jié)構(gòu)單元模擬[13]，鎖腳錨管(DN25中空鋼管)用Cable桿件單元模擬[14]。

表2 支護結(jié)構(gòu)力學計算參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 地層變形規(guī)律

隧道施工開挖后，由于卸荷作用，圍巖沿著隧道洞壁向內(nèi)產(chǎn)生擠壓位移，在應力場重分布過程中逐漸引起附近地層發(fā)生變形。

高鐵盾構(gòu)隧道中心截面地層變形規(guī)律如圖5所示，在地鐵雙區(qū)間隧道開挖后，拱頂和仰拱附近圍巖變形最大，臺階法施工拱頂變形量為25.3 mm，與之相比，臨時仰拱臺階法降低22.3%、CRD法降低45.0%、CD法降低25.4%。由此可見，CRD法設置水平和豎向中隔壁后，圍巖變形得到控制；臨時仰拱臺階法和CD法分別通過設置水平仰拱和豎向中隔壁后，圍巖變形控制效果比較接近，二者最大變形僅相差0.6 mm。四種施工方案下拱頂附近圍巖變形均會比仰拱小，例如，臨時仰拱臺階法施工方案拱頂變形為19.5 mm，而仰拱變形達42.2 mm，這主要歸因于拱頂270°范圍內(nèi)進行深孔注漿，約束了隧道中上部圍巖變形。

圖6給出了地鐵雙隧道區(qū)間中心截面地層變形云圖，高鐵盾構(gòu)隧道附近圍巖變形明顯會降低，臺階法施工時盾構(gòu)管片附近最大變形為10.6 mm，而地鐵雙隧道區(qū)間中心截面其他部位整體變形處于20.0 mm～25.2 mm，變形減少的主因是盾構(gòu)隧道管片支護后整體剛度大于原始土層，阻隔了部分施工變形由下方地鐵區(qū)間向上傳遞，使得高鐵盾構(gòu)隧道附近地層變形會比地表變形還要小。地鐵雙區(qū)間隧道拱頂截面地層變形見圖7，由于受到左、右區(qū)間隧道施工圍巖變形疊加效應影響，兩個區(qū)間中心截面處的整體變形要大于隧道拱頂截面，因此施工中更應注重此斷面變形，而不僅要關注隧道拱頂變形。

圖5 高鐵盾構(gòu)隧道中心截面地層變形云圖

圖6 地鐵雙隧道區(qū)間中心截面地層變形云圖

圖7地鐵雙隧道區(qū)間拱頂截面地層變形云圖

3.2 地表沉降規(guī)律

不同施工方法沿地鐵區(qū)間隧道方向地表沉降曲線見圖8，臺階法施工引起地表變形量為最大，達到18.5 mm，施工引起的地表沉降越靠近高鐵盾構(gòu)隧道會越小，超過高鐵盾構(gòu)隧道中心截面距離30 m以外時變形基本趨于一致。

圖8沿地鐵區(qū)間方向地表沉降曲線

由臨時仰拱臺階法沿高鐵盾構(gòu)隧道方向地表沉降曲線圖9可以看出，地表最大沉降位于地鐵雙區(qū)間隧道中心截面，越靠近中心施工引起變形疊加效應越明顯，遠離中心后疊加效應逐漸降低，在距地鐵雙區(qū)間中心截面20 m附近存在反彎點，隨后地層變形主要受單線隧道施工影響。

圖9臨時仰拱臺階法沿高鐵盾構(gòu)方向地表沉降曲線

3.3 高鐵盾構(gòu)管片變形規(guī)律

受到應力重分布影響，地鐵施工開挖會導致高鐵盾構(gòu)管片產(chǎn)生明顯變形，圖10是地鐵雙區(qū)間隧道中心截面不同施工方法盾構(gòu)管片沿環(huán)向變形曲線。

四種施工方法管片均整體向下位移，離區(qū)間隧道較近的底部管片變形略大于其他部位，臺階法施工管片最大變形為11.2 mm，CRD法施工為6.8 mm，臨時仰拱臺階法和CD法施工結(jié)果較接近，分別為8.8 mm和9.1 mm。對臨時仰拱臺階法施工盾構(gòu)管片沿環(huán)向變形(見圖11和圖12)分析，結(jié)果表明，管片最大變形在地鐵區(qū)間拱頂上方，而不是兩隧道中心截面，且管片在地鐵雙區(qū)間截面中心±15 m范圍內(nèi)變形均較大，量值在8 mm～9.5 mm之間，因此為減小變形，可著重對這30 m段管片局部加固。

圖10不同施工方法盾構(gòu)管片沿環(huán)向變形曲線

圖11 臨時仰拱臺階法施工盾構(gòu)管片縱向變形曲線

圖12臨時仰拱臺階法施工盾構(gòu)管片變形云圖

3.4 地鐵區(qū)間隧道支護結(jié)構(gòu)受力

四種施工方式支護結(jié)構(gòu)受力統(tǒng)計見表3，臺階法初支應力明顯較大，其他方法在施加臨時仰拱和中隔壁后等型鋼后，減小了初支因彎矩產(chǎn)生的應力，型鋼受力(見圖13)在47.0 MPa～60.1 MPa。臺階法和臨時仰拱臺階法，將鎖腳錨管焊接于鋼支撐上協(xié)調(diào)受力，能充分利用錨管鎖腳作用，而CD法和CRD法的中隔壁分擔了上部初支承受荷載，鎖腳作用變?nèi)酢?/p>

表3 支護結(jié)構(gòu)最大受力統(tǒng)計表

圖13地鐵雙區(qū)間隧道鋼支撐結(jié)構(gòu)應力

3.5 施工方法比選分析

鐘明文等[15]研究表明隧道施工產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)主要集中在拱腳處，在拱腳附近需要加長錨桿的長度，可以保證隧道圍巖的穩(wěn)定性，本文數(shù)值計算結(jié)果反映了類似規(guī)律，在臺階法基礎上設置臨時仰拱和瑣腳錨管后，不僅減小了初支因彎矩產(chǎn)生的應力，還能充分利用錨管的鎖腳作用，能夠較好的控制地層變形。臺階法拱頂變形量為25.3 mm，與之相比，臨時仰拱臺階法變形量會降低22.3%，能控制圍巖變形，保證隧道安全。而且，與CD法和CRD法相比[16]，臨時仰拱臺階法施工更加靈活，能加快施工進度，降低造價。綜合考慮，依托工程最終選用臨時仰拱臺階法施工。

4 結(jié) 論

以地鐵12號線極小間距下穿京張高鐵盾構(gòu)隧道為工程背景，針對臺階法、臨時仰拱臺階法、CRD法以及CD法實施中地層變形、地表沉降規(guī)律以及盾構(gòu)管片變形受力特征開展研究，結(jié)果表明：

(1) 地鐵區(qū)間施工拱頂和仰拱圍巖變形最大，臺階法拱頂變形量為25.3 mm，與之相比，臨時仰拱臺階法降低22.3%、CRD法降低45.0%、CD法降低25.4%。

(2) 地表最大沉降位于地鐵雙區(qū)間隧道中心截面，越靠近中心地層變形疊加效應越明顯，距離超過20 m的地層主要受單線隧道施工影響，且變形大幅降低。

(3) 地鐵施工引起盾構(gòu)管片最大變形在雙區(qū)間中心截面±15 m范圍內(nèi)，為減小盾構(gòu)隧道變形，可局部加固距地鐵區(qū)間較近30 m段管片。

(4) 在臺階法基礎上設置臨時仰拱后，不僅減小了初支因彎矩產(chǎn)生的應力，還能充分利用錨管的鎖腳作用，能夠較好的控制地層變形，綜合考慮，依托工程最終選用臨時仰拱臺階法施工。