北京地鐵16號線區(qū)間隧道下穿4號線施工變形模擬分析與控制

魏英華

（北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，北京 100037）

隨著城市軌道交通的日益發(fā)展，新舊地鐵軌道間的交叉橫錯在所難免，如何兼顧新建隧道與已建隧道的變形控制是工程建設中的重要難題［1-2］。因此，處理好在建隧道對既有隧道結構的變形規(guī)律及其沉降防護安全措施對于現(xiàn)有隧道的安全運行具有重要的現(xiàn)實工程意義。盾構施工已在城市地鐵隧道施工中廣泛應用。張冬梅等［1］基于土體變形連續(xù)性的Kerr地基梁理論，通過盾構施工研究了上方已建隧道的縱向變形。楊成永等［2］以北京地鐵14 號線隧道近距離下穿地鐵15號線隧道工程為例，總結隧道沉降規(guī)律并提出相應的沉降控制措施。馬健等［3］研究了杭州地鐵4 號線下穿1號線的隧道變形并探討了現(xiàn)有隧道的變形與盾構掘進相對位置、角度的關系。陳城等［4］對北京新建地鐵8 號線下穿10 號線施工中的注漿加固范圍進行了研究。張利濤［5］對重慶地鐵4 號線下穿既有3 號線，考慮開挖方法、支護情況、兩洞掌子面間距和每次開挖進尺等參數，采用數值模擬方法分析了新建地鐵隧道下穿既有運營隧道施工對既有隧道的影響。王立新等［6］研究了西安黃土地區(qū)地鐵5 號線盾構隧道下穿既有2 號線隧道影響規(guī)律。張濤等［7］通過研究雙洞隧道下穿施工引起既有隧道沉降，得出了下穿工程中雙洞隧道最優(yōu)間距的確定原則和沉降曲線的變化規(guī)律。牛曉凱等［8］對北京地鐵15 號線奧林匹克公園站下穿既有大屯路公路隧道的方案進行了比選和論證。袁金秀等［9］通過對北京地鐵6 號線下穿既有4 號線區(qū)間盾構隧道施工技術進行了論證。劉樹佳等［10］通過數值模擬研究凈距、注漿量、土倉壓力對既有管片變形的影響，提出多線疊交隧道施工影響系數的概念。汪小兵［11］研究了注漿控制對隧道沉降的影響。以上研究對開挖施工方案比選論證的研究較多，對北京城區(qū)地層條件下的雙線盾構穿越施工影響下既有盾構隧道的沉降規(guī)律研究較少。

鑒于此，本文以雙線盾構隧道新建地鐵16號線下穿4 號線為工程背景，通過數值計算及現(xiàn)場監(jiān)測研究既有隧道的變形規(guī)律，給出安全性評估結論并提出有效的應對措施，為北京地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程概況

地鐵16 號線途經海淀區(qū)、西城區(qū)及豐臺區(qū)，線路全長26.10 km，其中西苑站—萬泉河橋站區(qū)間隧道需下穿地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道。由西苑站出站后以向下25‰的坡度下穿地鐵4 號線區(qū)間，其覆土在23.9～30.5 m，下穿4 號線段平面曲線半徑為350 m。新建16 號線區(qū)間隧道覆土約23.7 m，采用盾構法施工，隧道外徑6.4 m，管片厚0.3 m，左右線間距約18 m，下穿處軌面標高約16.962 m。隧道所在地層為⑦卵石層，其最大粒徑100 mm。既有地鐵4 號線區(qū)間采用盾構法施工，管片內徑5.4 m，外徑6.0 m，管片厚度為0.3 m，左右線間距約14.5 m，與新線路相交處軌面標高約為27.288 m，既有盾構隧道覆土約為13.5 m，盾構區(qū)間所在地層為⑥2粉土地層。下穿地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道，新建隧道與既有隧道的平面交角約47°，新建隧道頂與既有隧道底凈距約4.0 m。地鐵16 號線與地鐵4 號線區(qū)間隧道相對剖面位置關系如圖1所示。

圖1 盾構下穿4號線處剖面示意

2 數值模擬分析

根據設計方案和施工方案，采用MIDAS/GTS 軟件對隧道結構變形進行預測分析。

2.1 力學模型與參數

數值計算模型上邊界為地表，豎向共取60 m，與區(qū)間隧道平行方向取200 m，與區(qū)間隧道垂直方向取190 m。由此建立的有限元計算模型如圖2 所示。地表取為自由邊界，其他5 個面均約束其法向變形。模型共劃分了42 529 個單元，計19 700 個節(jié)點。地面超載按20 kPa考慮。

圖2 有限元計算模型

計算中采用不同的本構模型模擬不同的材料，對于混凝土材料采用線彈性模型，而各層土體采用Mohr-Coulomb 模型。盾構管片采用二維板單元模擬。模型中材料的物理力學參數取值見表1。其中各地層參數按照地質勘察資料選取。

表1 材料的物理力學參數

根據施工設計資料，數值計算模擬按照如下步驟進行：①生成模型，計算初始地應力，初始位移清零；②開挖承臺基坑，同時施作基坑支護；③在基坑底部施工鉆孔灌注樁及托換承臺；④分步開挖右線隧道土體，邊開挖邊施作管片；⑤分步開挖左線隧道土體，邊開挖邊施作管片；⑥回填基坑至地面。

2.2 計算結果與分析

既有區(qū)間隧道結構底板左線和右線的變形曲線見圖3。可知，地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結構的豎向位移以負值為主，表明結構產生了下沉，最終沉降累計曲線呈W 形。沉降最大值為2.85 mm，發(fā)生在區(qū)間隧道左線與穿越部位相對應的底板。區(qū)間隧道結構的x向位移最大值為0.27 mm，y向位移最大值為0.35 mm，都在安全控制范圍之內。

圖3 既有區(qū)間隧道結構底板變形曲線

地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結構應力云圖見圖4?？芍簒方向的最大應力變化值為109.6 kPa，變化幅度為4.3%，y方向的最大應力變化值為107.9 kPa，變化幅度為4.2%，xy方向的最大應力變化值為11.7 kPa，變化幅度為1.8%。隨著地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道施工，其結構應力變化較小，計算所得應力最大值為1 266.0 kPa，墻厚0.3 m，按1.2 m 寬度考慮，C50混凝土軸心抗拉強度設計值1.89 MPa，鋼筋抗拉強度設計值300 MPa，16 根鋼筋直徑18 mm，驗算結果如下：鋼筋混凝土抗拉承載力 1.27×106×1.2×0.3=0.46×106＜1.2×0.3×1.89×106+16×（π/4）×182×300=1.90×106（鋼筋混凝土抗拉承載力設計值），既有地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道結構承載能力滿足要求。

圖4 區(qū)間隧道結構應力云圖（單位：kPa）

3 現(xiàn)場施工與監(jiān)測結果分析

為保證既有地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間在穿越施工過程中的運營安全，對既有地鐵區(qū)間隧道結構采用自動化及人工監(jiān)測2 種監(jiān)測手段。既有地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間監(jiān)測點布置如圖5 所示。地鐵16 號線工程西苑站—萬泉河橋站區(qū)間盾構下穿地鐵4 號線區(qū)間隧道自2016 年05 月15 日開始下穿既有地鐵4 號線。截止2016 年8 月31 日施工已完成。初始值采集時間為2016 年05 月15 日，截止2017 年06月11日測量工作全部結束。

圖5 監(jiān)測點布設平面示意

3.1 結構沉降數據分析

經監(jiān)測可知，地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結構沉降最大點為S09，累計沉降1.84 mm，未達到預警值。距中心較遠處測點的沉降變化很小，離穿越中心越近的測點，沉降越大。如測點S105是地鐵4號線測量結構沉降的有代表性的監(jiān)測點。在盾構穿越前，結構有輕微的上浮，之后右線盾構穿越導致沉降快速增加，右線穿越后沉降達到峰值1.84 mm。左線盾構穿越前，結構上浮，沉降減小，左線盾構穿越導致沉降增加，穿越后沉降達到峰值1.86 mm。沉降峰值均在控制范圍之內，與前一節(jié)計算得出的規(guī)律一致。

地鐵4號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結構沉降時程曲線見圖6?？芍弘S著右線隧道的掘進，受盾構機頂推力的影響，既有隧道會有輕微的上浮，盾構機繼續(xù)推進沉降逐漸增大，沉降最大值在新建隧道的正上方，沉降曲線呈V 形。隨著左線隧道的掘進，既有隧道的沉降增大，最終沉降曲線呈W 形，其峰值分別出現(xiàn)在新建隧道左右線的正上方，盾構穿越后沉降曲線趨于平穩(wěn)。

圖6 區(qū)間隧道上行結構沉降時程曲線

沉降計算值與實測值的對比見圖7?？芍?條沉降曲線的變化規(guī)律大致相同。距穿越中心的距離越近，沉降越大；距穿越中心的距離越遠，沉降越小。通過計算值與實測值的對比得出的規(guī)律與前面沉降結果相同，說明數值模擬效果較好。

圖7 沉降計算值與實測值的對比

3.2 結構水平位移分析

經監(jiān)測得出，地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上下行最大累計水平位移變化量分別為0.35，0.39 mm，上下行結構水平位移人工監(jiān)測點變化未達到預警值，均在控制值以內，最后100 d 變化最大值為0.06 mm，沉降趨于平穩(wěn)。西苑站—圓明園站區(qū)間隧道上行結構水平位移時程曲線見圖8?？芍航Y構水平位移各測點呈現(xiàn)的變化趨勢大致相同，隨著盾構掘進，受頂推力的影響，結構位移增大，盾構穿越時水平位移減小，盾構穿越結束后，水平位移趨于平穩(wěn)。

圖8 區(qū)間隧道上行結構水平位移時程曲線

4 施工控制措施

通過以上分析可知，結構沉降是影響既有隧道安全的至關重要的因素。為確保盾構穿越時既有隧道的安全，須要采取以下措施：

1）掘進過程中的控制措施。嚴格以土壓平衡狀態(tài)下的土壓力計算值為盾構掘進施工的土壓設定值。嚴格以理論出土量為盾構棄土控制值，每環(huán)出土量偏差不得超過2 m3。避免大幅度的軸線糾偏動作。及時同步注漿且足量。在此地段掘進加強地面隆起、沉降檢測，及時分析數據，調整盾構機掘進參數和注漿壓力。

2）盾構下穿掘進的方向控制措施。采用自動導向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構姿態(tài)監(jiān)測。采用分區(qū)操作盾構機推進油缸控制盾構掘進方向。

3）盾構下穿掘進中的姿態(tài)調整與糾偏應急措施。分區(qū)操作推進油缸來調整盾構機姿態(tài)，糾正偏差，將盾構機的方向控制調整到符合要求的范圍內。當滾動偏差超限時，應及時采取盾構刀盤反轉的方法糾正滾動偏差。盾構推進中應嚴格控制中線平面位置和高程，其允許偏差均為-50～+50 mm，發(fā)現(xiàn)偏離應逐步糾正不得猛糾硬調。

4）在盾構下穿過程中既有線沉降變化的應急處理措施。在盾構機到達預警區(qū)時，監(jiān)測到4 號線監(jiān)測點沉降有變化，應調整盾構掘進參數，在掘進過程中向土倉內加量注入泡沫劑、膨潤土等。盾構機到達穿越段時，監(jiān)測到4 號線內監(jiān)測點沉降有變化時應采取增大同步注漿量，控制二次注漿，可通過盾體上聚氨酯孔壓注聚氨酯形成止水環(huán)箍，共同起到控制既有隧道沉降作用。盾構機完成下穿4號線施工后，監(jiān)測到4號線內監(jiān)測點沉降有變化時應提高同步注漿壓力，加大同步注漿量，使管片背后盡量填充飽滿。

5 結論

本文結合北京地鐵16 號線西苑站—萬泉河橋站區(qū)間盾構下穿地鐵4 號線區(qū)間隧道工程，研究了雙線盾構隧道下穿對既有隧道變形的影響，通過實際監(jiān)測及有限元計算分析，得出以下結論：

1）通過數值計算得出的盾構推進過程中既有隧道沉降規(guī)律與實際監(jiān)測結果較為吻合。

2）經計算，既有地鐵4 號線西苑站—圓明園站區(qū)間隧道左線和右線結構底板的變形都在安全控制范圍之內，且既有區(qū)間隧道結構承載能力滿足要求。

3）距離穿越中心越近的測點沉降越大，其峰值出現(xiàn)在新建隧道左右線的正上方。

4）為保障既有隧道在盾構穿越時的安全，分別提出掘進控制措施、方向控制措施、糾偏措施以及沉降過大時的應急處理措施，保障盾構穿越時既有隧道的安全。