新建公路隧道上穿既有地鐵的施工安全控制

多冉偉 陳國

摘要：某公路隧道工程縱向跨越既有運(yùn)營地鐵段近300m，基坑寬度50m，隧道底板距運(yùn)營的地鐵盾構(gòu)隧道最小距離僅1.5m。施工極易擾動既有地鐵結(jié)構(gòu)，并面臨著盾構(gòu)隧道變形，進(jìn)而引起地下水灌入等風(fēng)險。本文提出了采用橫隔墻兼做分倉間隔的梯次開挖-分倉澆筑的施工方案，采用有限元模型對隧道施工過程進(jìn)行模擬，分析了施工活動引起的地鐵位移和附加壓力以評估地鐵的安全風(fēng)險。結(jié)果表明，梯次開挖-澆筑的施工方案能有效抑制地鐵線的變形及附加壓力，確保了基坑施工期間下臥地鐵的運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞：地下公路? 隧道工程? 上穿? 有限元分析? 變形控制

Construction Safety Control of the Highway Tunnel on the Existing Metro Line

DUO Ranwei1? CHEN Guo2

（1. Third Engineering Branch of China Railway First Group Co.， Ltd.， Baoji， Shaanxi Province， 721006 China; 2. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu Province， 210037 China）

Abstract： A highway tunnel project longitudinally spans an existing operating metro section of about 300m， with a foundation pit width of 50m， and the minimum distance between the tunnel floor and the metro shield tunnel is only 1.5m. The construction is very easy to disturb the existing subway structure， and faces the risks of shield tunnel deformation and groundwater injection. To solve this problem， this paper introduces the design concept of cross-wall， and proposed a construction plan of steps excavation & interval casting that use the cross-wall as the partition interval， and adopts structural measures such as setting up wire mesh and water-stop plate at the construction joints. The finite element model is applied to simulate the tunnel construction process， and the subway displacement and additional pressure caused by the construction activities are analyzed to assess the safety risk of the subway. The analysis results show that the? steps excavation & interval casting construction scheme can effectively reduce the deformation and induced force to ensure the safety of the existing subway during the excavation of the foundation pit.

Key Words： Underground expressway; Tunnel engineering; Over passing; Finite element analysis; Deformation control

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在有限條件下建立立體交通體系是解決隨城市規(guī)模不斷擴(kuò)大而引起的交通擁堵問題的有效方法 [1-3]。相比于近年流行的高架橋項目，地下公路隧道由于建造成本高、施工難度大等原因則出現(xiàn)的較少。但與地鐵及高架橋等交通方式相比，地下公路（時速60km-90km）基于更合理的線路規(guī)劃、較少的拆遷糾紛、更優(yōu)質(zhì)的空間利用、較短的通勤時間等優(yōu)勢，越來越受到發(fā)展較成熟的城市的青睞。地下公路隧道項目面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何減少對既有建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，如減少擾動、保護(hù)年代久遠(yuǎn)的建筑、防止隧道施工引起的沉降等。

對于在運(yùn)營的地鐵，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的變形過大會導(dǎo)致管片滲漏水、破裂，甚至軌道變形，影響地鐵線的正常運(yùn)營。因此控制地鐵盾構(gòu)管片的上浮變形和應(yīng)力突變?yōu)樯峡缟罨邮┕さ囊豁楆P(guān)鍵課題。雖然國內(nèi)外已有不少地鐵交叉、局部共線施工的先例[4-8]，但是此公路隧道工程縱向跨越既有運(yùn)營地鐵段長近300m，基坑深度達(dá)25m;隧道底板距離地鐵結(jié)構(gòu)最小距離僅1.5m，卸載對地鐵的上副作用極易使地鐵產(chǎn)生變形并產(chǎn)生極大的內(nèi)力變化。

以東南亞某國的地下快速路項目為例，針對公路隧道基坑開挖可能引起的下臥地鐵線變形，內(nèi)力變化和安全風(fēng)險，提出采用橫隔墻兼做分倉間隔的梯次開挖-分倉澆筑的施工方案，并運(yùn)用有限元軟件研究施工過程對地鐵的影響。

1 工程概況和地質(zhì)條件

1.1 工程概況

此公路廊道為雙向6車道雙洞箱型隧道，采用局部蓋挖順做法施工，基坑寬度42.5～54.5m，縱向跨越既有地鐵段長295m，施工面積約7000㎡。支擋圍護(hù)結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻+4層鋼支撐組成，地連墻墻厚1.2m，兼做主體結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)情況的不同，將基坑分為10個小型區(qū)段進(jìn)行分析和設(shè)計。既有地鐵由雙向盾構(gòu)隧道組成，以下稱地鐵隧道內(nèi)線與外線。隧道結(jié)構(gòu)外徑6.5m，內(nèi)徑5.8m，由5大+1小的275mm厚預(yù)制鋼筋混凝土管片組成。在建地連墻與既有地鐵平面位置關(guān)系及分析區(qū)段分布如圖1所示。從左側(cè)往右（A1區(qū)至E1區(qū)）地鐵隧道埋深逐漸加大，距地面為20～40m。

公路隧道底板距離既有地鐵隧道最小距離僅1.5m，已侵入地鐵隧道的3m無樁基作業(yè)區(qū)，如圖2所示。受邊界條件限制，部分地連墻無法完全嵌入不透水巖層，墻趾位于節(jié)理發(fā)育的花崗巖或殘積土內(nèi)，且嵌固深度小。在地鐵隧道上部開挖基坑時，地連墻向基坑內(nèi)變形，增大了地鐵兩側(cè)土壓力，存在引起地鐵拱頂向上變形風(fēng)險。因圍護(hù)結(jié)構(gòu)未完全阻斷地下水聯(lián)系，基坑存在地下水灌入的風(fēng)險。因此，工程的重難點是基坑開挖期間，支護(hù)要可靠、止水措施要保證周邊建筑物及基坑安全。

在地連墻施工階段同時完成底部橫隔墻的澆筑，使得地連墻在基坑底有一道混凝土支撐。橫隔墻設(shè)計厚度為3m，墻底與設(shè)計底板平齊。橫隔墻間距6m，保證對地連墻有足夠的橫向剛度。橫隔墻分布及澆筑倉分布如圖1所示。橫隔墻還起到空間分隔的作用，為后期分割開挖-梯次澆筑提供基礎(chǔ)，并減小卸載引起的地鐵隧道上浮。在3m地鐵保護(hù)區(qū)之外澆筑的深嵌巖地連墻，可以起分配淺墻的荷載，支護(hù)基坑和保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)的作用。同時在地鐵與在建隧道的接口處，及地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的缺口，采用水泥攪拌的形式改良土質(zhì)并較小水的滲透系數(shù)。

1.2 地質(zhì)剖面

在基坑北側(cè)（地鐵隧道外線一側(cè)），地鐵隧道位于花崗巖地層及部分殘跡土地層內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性能?？辈熨Y料表明，巖土具有很高的標(biāo)貫錘擊數(shù)，且?guī)r層面較高。在基坑南側(cè)，地鐵隧道大部位于殘跡土地層，標(biāo)貫錘擊數(shù)較低，巖層面較北側(cè)低。在有限元分析中采用更具代表性的雙剛度硬化土模型進(jìn)行施工工序模擬并計算施工過程中引起的地鐵變形和附加應(yīng)力。硬化土模型的巖土參數(shù)見表1。

2 施工技術(shù)方案

通過有限元模型分析基坑開挖各階段工況，分析各工況下既有隧道的變形，在A、 B、 C這3個區(qū)段，地鐵線對基坑開挖極為敏感。為盡量減少對運(yùn)營地鐵線的擾動，在A、B、C這3個區(qū)域設(shè)計采用分層分部開挖，底層設(shè)置橫隔梁以增加基礎(chǔ)配重，并增強(qiáng)對兩側(cè)地連墻的側(cè)向支撐以防變形。開挖過程中，設(shè)置4層鋼支撐（S1至S4）。同時開挖3個區(qū)域至第三道鋼支撐位置，然后放坡開挖兩側(cè)的A區(qū)和C區(qū)，并開挖B區(qū)至第4道鋼支撐處，如圖2所示。此時需采用跳槽開挖剩余區(qū)域至設(shè)計坑底，并迅速澆筑混凝土以補(bǔ)償開挖過程中運(yùn)營地鐵線負(fù)重的損失，防止過度變形。每個開挖并澆筑的槽段作業(yè)面與前期澆筑的橫隔墻一致。澆筑底板厚2.5m，與橫隔墻下底面平齊。待澆筑底板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求并完成受力轉(zhuǎn)換，即原先由橫隔墻承受的側(cè)向壓力逐步由底板承擔(dān)，拆除橫隔墻并重新按設(shè)計要求澆筑混凝土。

3 有限元模型及分析

應(yīng)用有限元分析軟件PLAXIS對基坑開挖對既有地鐵線的變形和安全性進(jìn)行分析。有限元分析采用巖土-地連墻交互模式以模擬每個主要的施工過程，并評估各個工況對地鐵線及周邊重要建筑的影響。

3.1 地鐵隧道變形分析

應(yīng)用有限元軟件PLAXIS模擬基坑開挖，隧道結(jié)構(gòu)施工及回填過程，并分析對地鐵隧道的變形影響。同時考慮平面應(yīng)變假定，對開挖范圍內(nèi)的10個區(qū)段的截面進(jìn)行2D建模分析，精確計算各區(qū)段施工過程的影響。有限元分析結(jié)果表明，地鐵內(nèi)線變形最大處出現(xiàn)在C1區(qū)段，最大變形為13.6mm;地鐵外線變形最大處出現(xiàn)在D2區(qū)段，最大變形為7mm。

為分析施工過程（開挖-安裝支撐-分隔開挖至設(shè)計標(biāo)高-主體結(jié)構(gòu)施工-回填）對地鐵變形的影響，取4個典型截面（區(qū)段A2、 C1、 C2和D2）的地鐵位移與施工工序的關(guān)系曲線列于圖3。如圖3所示，公路隧道施工對地鐵隧道內(nèi)線的變形影響均大于外線。地鐵最大位移在區(qū)段C1，最大位移值為13.6mm，小于規(guī)范規(guī)定的限制15mm，滿足要求。其中水平位移8.1mm（向外移動），豎直位移為11.1mm（上升），見圖4。最大變形出現(xiàn)在開挖至設(shè)計底標(biāo)高以上3m處。隨著主體結(jié)構(gòu)施工和回填，地鐵位移就有一定程度的恢復(fù)。

A2段地鐵內(nèi)線深度較淺，距離公路隧道底板約3m。但A2開挖時地鐵的位移值為12.5mm，小于C1段。分析原因為：A2段地鐵處于微風(fēng)化巖層中，故穩(wěn)定性較好。而C1段巖層線較低且風(fēng)化巖層和殘積土層較厚，開挖時引起較大的地鐵隧道變形。針對A2、C1區(qū)，地鐵隧道內(nèi)線的最大變形出現(xiàn)在施工工序第5階段，即開挖至基坑設(shè)計底標(biāo)高以上3m， 梯次開挖-澆筑之前的階段。此時地鐵變形最大，即證明卸荷最大。而下一階段的梯次開挖及澆筑底板有效增加了配重，從而抑制了地鐵的變形。D2段基坑為常規(guī)開挖，未設(shè)橫隔墻，從圖5中可以看出，基坑施工引起的地鐵隧道變形較大。這說明橫隔墻及梯次開挖-澆筑的施工工藝對地鐵起到了保護(hù)作用，在橫隔墻分布區(qū)域（A1到C2）地鐵的變形小于無橫隔墻區(qū)域。對地鐵外線，D2區(qū)內(nèi)的位移最大，為7mm，其中地鐵隧道冠點上升6.8mm，水平位移為2.1mm。

3.2 地鐵隧道環(huán)向壓力

隨著基坑的開挖及后續(xù)施工進(jìn)程，下臥地鐵隧道的內(nèi)力會隨著施工的進(jìn)行而變化。通過模擬施工進(jìn)程，對各區(qū)段內(nèi)地鐵隧道的環(huán)向壓力和彎矩進(jìn)行分析。如圖5所示，基坑開挖卸荷能明顯改變地鐵隧道的環(huán)向壓力，隧道內(nèi)外線環(huán)向壓力最小值均出現(xiàn)在開挖至設(shè)計標(biāo)高（工序6）至上部回填之前?；靥钔猎黾恿松喜亢奢d，同時也使地鐵隧道的環(huán)向內(nèi)力大致恢復(fù)至開挖前的水平。但對于處于基坑之外的隧道段，如A2段隧道外線，C1段隧道外線和D2段內(nèi)線隧道，基坑施工過程對隧道的環(huán)向壓力沒有明顯影響。

由圖6可見，地鐵隧道所承受的彎矩荷載也與基坑施工過程緊密相關(guān)。對基坑范圍內(nèi)的地鐵隧道，由基坑卸荷導(dǎo)致的位移使隧道產(chǎn)生明顯的彎矩變化。對于基坑外部的盾構(gòu)隧道，由于相應(yīng)的位移較小，故產(chǎn)生的位移也較平穩(wěn)。需要指出的是，對A2段外線隧道，由于隧道較淺故受基坑施工影響較大。對D2段隧道內(nèi)線彎矩值較高，分析原因為：D2段基坑南側(cè)有較高的土坡，同時位移值較其他區(qū)段大，由于二者的疊加因素導(dǎo)致此段地鐵隧道彎矩值較大。施工過程導(dǎo)致的各區(qū)段內(nèi)地鐵隧道環(huán)向壓力，彎矩和施工前后盾構(gòu)隧道應(yīng)力變形值見圖7。基坑施工導(dǎo)致的附加壓力滿足地鐵保護(hù)規(guī)范要求。地鐵隧道的內(nèi)力分布都處于承載力包絡(luò)線之內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.3 地連墻施工對地鐵隧道的影響

地連墻施工對地鐵隧道的影響是通過模擬1.2m墻槽的銑槽過程和混凝土澆筑過程去評估銑槽過程引起的對盾構(gòu)隧道的沖擊，上浮作用和澆筑混凝土產(chǎn)生的壓力沉降。采用的有限元模型偏于保守，因為膨潤土泥漿護(hù)壁對槽的穩(wěn)定性形成保護(hù)作用。銑槽持續(xù)時間不長，實際地質(zhì)情況更接近不排水模型。分析結(jié)果表明地連墻施工對地鐵位移的影響為1mm （見圖8），施工引起的隧道壓力變化小于地鐵保護(hù)規(guī)程規(guī)定的限值。

4 結(jié)語

針對地連墻嵌巖不足、既有地鐵線埋較淺等問題，提出了混凝土橫隔墻的設(shè)計概念，橫隔墻兼具分倉、平衡卸載、支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)等作用。采用有限元軟件模擬了施工工程中各工序?qū)扔械罔F結(jié)構(gòu)的影響，驗證了梯次開挖-澆筑工藝對地鐵隧道的保護(hù)效果。結(jié)果表明，橫隔墻的配重及分倉澆筑底板能有效抑制地鐵變形，保證結(jié)構(gòu)和施工安全。對隧道施工的影響性分析表明，既有地鐵隧道的位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、附加內(nèi)力變化等均符合地鐵保護(hù)規(guī)程的要求，盾構(gòu)隧道安全可靠。

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作者簡介：

多冉偉（1980—），男，碩士，高級工程師，研究方向為橋梁與隧道施工技術(shù)。

陳國（1980—），男，博士，副教授，研究方向為橋梁施工。