明挖隧道與下臥地鐵隧道交叉施工的影響分析及控制措施

葉均良，黃志斌

（1、佛山市鐵路投資建設集團有限公司 廣東佛山528000；2、中交佛山投資發(fā)展有限公司 廣東佛山528000）

0 引言

近年來，隨著城市地下空間的發(fā)展，市政地下工程與地鐵隧道的建設越來越密不可分，由于建設工期緊迫，經常會出現(xiàn)市政地下工程與緊鄰地鐵隧道同期建設的情況。由于二者工程建設在時空上的重疊，故其相互影響也越來也大。主要體現(xiàn)在上部明挖基坑的開挖，導致下臥地鐵隧道的上??；下臥地鐵隧道的掘進，導致上部明挖基坑的沉降。目前，對于市政基坑與下臥地鐵隧道大規(guī)模、長距離重疊同期實施的研究尚不多見［1-7］。

文本以某明挖隧道與地鐵盾構隧道交叉施工為工程背景，利用數(shù)值分析軟件對各施工工況進行動態(tài)模擬分析，評估了二者交叉施工的影響風險，提出了相關的控制措施，為雙方順利實施提供了保障。

1 工程概況

1.1 明挖隧道概況

佛山市魁奇路快速化某節(jié)點工程為路口立交化改造工程，其中明挖隧道長690 m，設計最大埋深約12.3 m，結構凈高5.9 m，結構凈寬（單孔）14.4 m，采用U 型槽+單箱雙室形式?；硬捎忙?00@1 000 mm 或φ1 000@1 200 mm 灌注樁作為圍護樁。采用4道支撐支護，第1 道支撐為混凝土支撐，其余為鋼支撐，止水帷幕采用直徑φ550@400 mm單軸攪拌樁，如圖1所示。

圖1 明挖隧道圍護結構斷面Fig.1 Section of the Open-cut Tunnel Envelope Structure（mm）

1.2 地鐵隧道概況

佛山地鐵2 號線某區(qū)間為盾構結構，隧道平面曲線半徑最小為1 500 m，左右線間距為12.0～15.0 m，隧道拱頂埋深為10.7～19.2 m。最大線路縱坡2.8%，最小縱坡為0.2%。豎曲線最小半徑為3 000 m，最大半徑為5 000 m。隧道內徑為5 400 mm，襯砌為厚度300 mm、寬度1 500 mm 的鋼筋混凝土管片，如圖2 所示。施工共使用2 臺海瑞克土壓平衡盾構機，2 臺盾構機始發(fā)時間相隔40 d，盾構機主要工作參數(shù)如表1所示。

圖2 地鐵隧道斷面Fig.2 Section of the Metro Tunnel（mm）

表1 盾構機主要工作參數(shù)Tab.1 Main Working Parameters of the Shield Machine

1.3 明挖隧道與地鐵隧道相互關系

明挖隧道與地鐵盾構區(qū)間的平面位置完全重合，明挖隧道基底與盾構隧道頂部的最小凈距僅為4.84 m，其中凈距在一倍洞徑內的長度為210 m，如圖3所示。兩者間主要地層為〈8-2-1〉中風化泥質砂巖，也存在部分〈7-2-1〉強風化泥質砂巖，如圖4和表2所示，明挖隧道對地鐵隧道結構的影響等級為特級。

圖3 明挖隧道與地鐵隧道空間關系Fig.3 Spatial Relationship between the Open-cut Tunnel and Metro Tunnel

圖4 地鐵隧道重合段地質縱斷面Fig.4 Geological Profile of the Overlapped Section of the Metro Tunnel

表2 巖土層主要物理力學參數(shù)Tab.2 The Main Physical and Mechanical Parameters of the Rock and Soil Layer

2 相互影響分析

2.1 計算分析模型

明挖隧道基坑在地鐵區(qū)間隧道正上方開挖，開挖深度從東西兩端向中部增加，開挖最大深度為14.65 m，基坑坑底與地鐵隧道結構豎向最小距離為4.84 m，最大卸載率為73.27%。根據(jù)明挖隧道與地鐵隧道相交處的工程地質情況，使用Midas GTS∕NX 軟件建立三維計算模型，如圖5所示，采用地層-結構法模擬計算明挖隧道與地鐵隧道交叉施工的相互影響。

圖5 明挖隧道與地鐵隧道計算模型Fig.5 Calculation Model of the Open-cut Tunnel and Metro Tunnel

2.2 明挖隧道施工對地鐵隧道影響分析

假設地鐵隧道已施工完畢，分析明挖隧道施工對下臥地鐵隧道結構的影響。根據(jù)各工況計算結果，當明挖隧道開挖至坑底時，由于卸載作用，地鐵隧道發(fā)生整體上浮，最大上浮值為10.99 mm，如圖6?所示，滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范：CJJ∕T 202—2013》［8］中隧道豎向位移小于20 mm的要求。當明挖隧道施工完畢并回填時，由于上部荷載的增加，使得地鐵隧道的上浮量有所減少，最終地鐵隧道最大豎向位移為上浮5.47 mm。

根據(jù)各工況下計算的彎矩結果，隨著明挖隧道基坑開挖卸載，地鐵隧道上覆土減少，隧道最大彎矩也減少。當明挖隧道開挖至坑底時，地鐵隧道最大彎矩為64.9 kN·m，如圖6?所示，小于開挖前的178.0 kN·m。各工況下地鐵隧道的管片鋼筋驗算情況如表3 所示，計算結果表明，明挖隧道施工期間的地鐵隧道管片滿足承載力要求，最大裂縫寬度0.04 mm，滿足文獻［8］中裂縫寬度小于0.2 mm的要求。

表3 隧道管片鋼筋驗算Tab.3 Rebar Checking of the Tube Piece of Metro Tunnel

圖6 明挖隧道開挖至坑底時地鐵隧道的豎向位移和彎矩Fig.6 Vertical Displacement of the Metro Tunnel

根據(jù)上述分析，由于明挖隧道的施工，開挖至基坑底時，地鐵隧道處于最不利狀態(tài)，此時地鐵隧道的內力變化影響較小，但由于卸載過程，對結構產生整體上浮，此時需引起重視，并采取必要有效措施，減小其影響。

2.3 地鐵隧道施工對明挖隧道影響分析

假設明挖隧道已施工完畢，分析地鐵隧道施工對上臥明挖隧道結構的影響。在最不利工況下，當單線地鐵隧道完成時上臥明挖隧道最大位移為2.61 mm，其中最大豎向沉降2.58 mm，如圖7?所示，最大水平位移0.69 mm。當雙線地鐵隧道完成時上臥明挖隧道最大位移為2.72 mm，其中最大豎向沉降2.70 mm，如圖7?所示，最大水平位移0.96 mm。雙線地鐵隧道完成時上臥明挖隧道抗拔樁的變形情況如圖8 所示，其最大的位移值為3.40 mm。

圖7 明挖隧道位移Fig.7 Displacement of the Open-cut Tunnel

圖8 明挖隧道抗拔樁位移（雙線地鐵隧道完成時）Fig.8 Displacement of Uplift Piles in Open-cut Tunnel（When the Two-line Metro Tunnel were Completed）

根據(jù)上述分析，由于地鐵隧道的施工，引起上臥明挖隧道的變形較小，均滿足文獻［9］中隧道結構位移小于2 mm的要求。

3 交叉施工安排

從數(shù)值仿真分析可知，明挖隧道和地鐵隧道獨立施工時，雙方結構均處于安全狀態(tài)，且明挖隧道先施工，地鐵隧道后施工造成的影響相對較小。但由于工期因素，雙方在時空上需進行交叉施工。經過安全評估分析，雙方建設單位對接研究，政府部門協(xié)調，雙方交叉施工安排為：對主要影響區(qū)域（雙方最小凈距小于一倍洞徑范圍區(qū)域）上臥明挖隧道進行優(yōu)先施工，在地鐵隧道盾構通過前必須完成其底板施工；在非主要影響區(qū)域，在雙方隧道結構、圍護結構等監(jiān)測結果正常情況下，雙方可以共同施工。

4 控制措施

4.1 明挖隧道施工

⑴嚴格控制明挖隧道的建設工期，優(yōu)先開挖主要影響區(qū)域的施工節(jié)段，長度約210 m，務必在地鐵盾構機在接近該區(qū)域前50 m時，完成該明挖節(jié)段的底板施工，且混凝土強度達到標準強度的90%以上。

⑵在非主要影響區(qū)域，存在雙方上下同時施工的區(qū)域，明挖隧道遵循每開挖完成一個施工節(jié)段后，及時架設基坑內支撐和澆筑底板。嚴禁多個施工節(jié)段同時開挖，嚴禁開挖基底長時間裸露。

⑶明挖隧道開挖前必須進行降水，降至坑底以下0.5～1.0 m，每施工節(jié)段開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”5 個要點，遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的施工原則。

⑷當出現(xiàn)地鐵管片上浮或明挖隧道基坑隆起時，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，采用沙袋或原土反壓上浮處的開挖面，同時控制地鐵隧道同步注漿壓力及注入量，抑制地層變形，并防止?jié){液穿透覆土層。

⑸明挖隧道底部設置抗拔樁，抗拔樁設置在隧道左右線兩側及中間。

4.2 地鐵隧道施工

⑴對主要影響區(qū)域內的地鐵隧道鋼筋混凝土管片進行加強配筋，次要影響區(qū)域內采用普通段配筋，其中含鋼量約為162 kg∕m3，加強管片含鋼量約為199 kg∕m3，含鋼量提高22%。

⑵在重合段范圍內，地鐵隧道管片全環(huán)預留注漿孔，隧道盾構機下穿過程中加強同步注漿和二次注漿，確保注漿的及時性和有效性，嚴禁向上方高壓注漿，以盡量減少超挖及對地層擾動，控制地層變形。

⑶地鐵盾構機在接近主要影響區(qū)域前50 m 時，嚴格按土壓平衡模式進行掘進控制，通過設定推進速度和調整排土量，確保土倉壓力與地層的水土壓力平衡，地層損失率控制在3%以內。盾構機掘進時，降低掘進軸線，并保持盾體軸線坡度角略低于隧道軸線坡度角，以克服因覆土荷載小發(fā)生盾構機抬頭現(xiàn)象。

4.3 其它措施

政府部門統(tǒng)籌協(xié)調，雙方建設單位成立統(tǒng)一工作領導小組，雙方嚴格遵照既定的總體施工方案進行實施。領導小組建立日常例會制度和信息報送機制，加強施工監(jiān)測和日常巡檢工作，每天將各自的施工進度情況和監(jiān)測情況通報對方，及時協(xié)調解決工地現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。

5 效果評價

5.1 明挖隧道監(jiān)測

明挖隧道圍護結構頂所有沉降和水平位移監(jiān)測點的累計變化量都較小，最大累計沉降量為-6.35 mm，最大累計水平位移為-17.54 mm，均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準：GB 50497—2019》中一級基坑監(jiān)測的要求（沉降累計值小于20 mm，水平位移累計值小于25 mm）。各監(jiān)測點支撐軸力荷載正常，最大累計值為2 473 kN，均在設計值范圍內?；又苓吔ㄖ锢塾嫵两盗枯^小，房屋結構未發(fā)生明顯變化。

5.2 地鐵隧道監(jiān)測

重合段地鐵隧道盾構區(qū)間累計沉降量范圍在0～-30 mm 之間，如圖9所示，地鐵隧道在二次注漿后，沉降值趨于穩(wěn)定。地鐵隧道貫通后，線型平順，管片無錯臺、開裂破損現(xiàn)象，滿足《盾構法隧道施工及驗收規(guī)范：GB 50446—2017》［10］的相關要求。

圖9 重合段地鐵隧道沉降情況Fig.9 Settlement of the Overlapped Section of the Metro Tunnel

6 總結

本文以佛山市某大道明挖隧道與佛山地鐵2號線某區(qū)間交叉施工為工程背景，利用數(shù)值分析軟件對施工過程進行動態(tài)模擬分析，交叉施工過程中嚴格要求雙方執(zhí)行控制措施，并取得了良好的施工效果，可為以后同類工程實踐提供借鑒。得出主要結論如下：

⑴上臥明挖隧道的開挖，由于卸載作用，會造成地鐵隧道的整體上浮；下臥地鐵盾構的掘進，對上臥明挖隧道的影響主要體現(xiàn)在沉降方面。

⑵明挖隧道和地鐵隧道獨立施工時，雙方結構均處于安全狀態(tài)，且明挖隧道先施工，地鐵隧道后施工造成的影響相對較小。

⑶交叉施工時，上臥明挖隧道開挖嚴格執(zhí)行“分層、分步、對稱、平衡、限時”的要求，下臥地鐵隧道嚴格控制盾構掘進參數(shù)并及時注漿，能有效控制雙方結構變形。

⑷對于2個對立的建設項目，建立統(tǒng)一協(xié)調工作小組，加強日常監(jiān)控和雙方信息報送管理非常必要。