淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵施工方案分析

劉國寶

0 引言

隨著城市地鐵建設速度的加快以及地下空間開發力度的加大，新建地鐵隧道近距既有地鐵施工的情況日益增多［1-5］。然而，新建淺埋暗挖隧道的施工不可避免要引起鄰近既有地鐵隧道結構和軌道結構的變形和內力增加，超過其承受能力或允許值時，就可能引起結構破壞，甚至危及列車運營安全;此外，由于隧道結構和軌道結構的變形，還可能導致凈空限界不足而影響列車運營安全。因此，新建淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵隧道施工時，必須根據既有地鐵的保護要求，采取科學的方案和有效措施以減小新建隧道周圍土體和既有地鐵結構的變形，確保既有地鐵的安全運營。

結合北京地鐵4號線角門西站下穿既有地鐵區間隧道工程，對穿越既有斷面的淺埋暗挖隧道斷面形式進行了比選，通過有限元方法對合適斷面形式下新建隧道施工對既有地鐵影響進行預測分析，并以數值分析和現場實測手段對輔助措施進行了驗證分析。研究結論可為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

依托工程為北京地鐵10號線角門西站穿越既有4號線暗挖隧道工程，兩站呈“十”字交叉。既有線為地下兩層端廳式車站，南、北兩端為明挖兩層站廳，底板埋深16.6 m;中部為單層三連拱暗挖段，長28.54 m，斷面總寬度221 m，總高度9.9 m，頂部覆土厚度約7.5 m。既有線車站暗挖段適當地預留了新線下穿的條件，即底板為厚度1.1 m平板，底縱梁尺寸1.3 m×2.5 m，底板縱向分布鋼筋加強。

新線車站需在既有線暗挖段下方穿越既有線車站，兩車站結構凈距0.15 m。其平面及剖面關系分別見圖1，圖2。

圖1 穿越隧道與既有車站位置關系總剖面圖

2 隧道施工方案

近年國內關于地鐵穿越既有線的工程實例較多，如北京地鐵5號線崇文門暗挖車站下穿地鐵2號線區間、機場線東直門站下穿、側穿13號線東直門折返線、廣州地鐵3號線廣州東站、體育西路站下穿1號線車站等。綜合各地已實施的穿越既有線的工程，措施方案的合理制定主要基于對既有線結構變形的控制，保證既有線結構的安全、正常運營，及確保施工過程的安全，避免災害事故的發生。

圖2 穿越隧道與既有車站位置關系平面圖

根據本工程的特點，在滿足車站功能的前提下，設計方案選取應盡量降低工程風險，優先采用暗挖小斷面穿越既有線。其目的在于減少開挖步序，減少對地層擾動的次數，從而有效的控制既有線的變形。此外，小斷面可簡化施工流程，有利于降低工程難度，加快施工進度，更充分利用“時空效應”，在一定程度上也減少了開挖施工引起的地層及既有結構變形。

根據既往穿越既有線的成功經驗，單洞小斷面穿越既有線可采用矩形和馬蹄形兩種斷面形式。矩形斷面穿越既有線在采取適當措施和合理施工工序的前提下，可利用其直墻對既有線形成豎向支撐，對施工期間控制沉降有利，但其工藝略復雜，造價略高。一般認為馬蹄形斷面對沉降控制較矩形斷面更不利，但其本身受力形式較好，工藝成熟，施工相對簡單，進度快，造價略低。

由于馬蹄形斷面有其自身的優勢，為加快工程進度，降低工程造價，本次主要針對馬蹄形斷面形式在本工程的適用性進行深入計算、研究分析。

3 下穿越數值模擬分析

3.1 數值分析模型

根據新線車站和既有車站的相對關系，建立土體和結構的三維有限元模型。

根據地質縱剖面圖、暗挖隧道與既有車站相對位置關系建立數值模型，模型橫向兩側各留約3倍洞徑，縱向取至兩側明挖豎井，整體模型寬80 m，長35 m，高41.5 m。不同土層厚度做了適當簡化，地層采用實體單元、摩爾材料模擬，既有車站采用實體單元、線彈性材料模擬，暗挖隧道初支采用殼(Shell)單元、線彈性材料模擬。

新線暗挖隧道開挖面寬度10.1 m，開挖面高度9.3 m，面積77.7 m2，兩洞間凈距3.65 m。開挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分六次開挖，平均每次開挖暴露掌子面面積12.95 m2。每次開挖進尺按0.5 m控制，開挖分部間縱向步長不小于5 m。

淺埋暗挖隧道設計支護參數為:初期支護厚度0.35 m、格柵鋼架間距0.5 m及二次襯砌厚度0.6 m。土體物理力學參數見表1。

表1 巖土物理力學參數

3.2 不注漿加固下隧道變形

在對既有地層不采用加固措施的前提下，既有線結構的豎向位移如圖3所示。由圖3可知，采用馬蹄形斷面而不采用注漿措施的前提下，既有線結構的沉降最大值已接近甚至超過評估要求值，其結論是不可行的，同時也證明了在此類地層中對基層加固的必要性。

圖3 不加固時既有結構豎向沉降

3.3 注漿加固下隧道變形

為控制沉降，對暗挖隧道的地層進行全斷面注漿加固，加固范圍取隧道兩側和下部各1.5 m。

注漿加固后，加固體的28 d無側限抗壓強度為0.8 MPa～1 MPa。計算分析時，考慮加固體參數的離散性，對加固體的強度進行適當的折減。既有線結構的豎向沉降計算結果如圖4所示。

3.4 現場監測反饋分析

通過以上計算分析表明，采用馬蹄形斷面形式并采取適當的輔助工法在本工程中是可行的。通過實際實施效果亦有效的驗證了這一點。本工程實施完成后，根據對既有線結構的監測報告整理的既有線沉降數據，最大沉降12.57 mm，既有線結構的最大縱向傾斜為0.07%，同時根據最終監測結果，既有結構明、暗挖變形縫兩側結構最大差異沉降2.4 mm。

圖4 加固時既有結構豎向沉降

根據本次計算結果，既有線結果的最大沉降接近15 mm，能滿足評估報告的要求。同時，既有線結構自身剛度較大，其沉降變化曲線接近線性，即其變化趨勢較均勻，車站暗挖段整體下沉特性較好。由于暗挖段和明挖段設置了變形縫，變形縫處差異沉降最大值為7 mm。同時根據計算結果，其橫向變形小于0.1 mm，亦能滿足相關要求。

4 結語

1)本工程根據評估報告及通過詳細的計算分析，突破了過既有線暗挖采用平頂直墻的固有思路，采用傳統的馬蹄形斷面形式，取得了很好的經濟、社會效益。初步估算，采用馬蹄形斷面比采用平頂直墻斷面節約工期1個月左右。本工程的成功實施，對類似工程有一定的借鑒意義。

2)暗挖法穿越既有線對施工的要求同樣較高，施工過程的控制對過既有線工程的成敗起關鍵作用。注漿加固的實際效果、暗挖格柵架設的及時性、格柵節點的處理、降水等都直接影響對既有線結構沉降效果的控制。

3)本工程在實施的過程中，對既有線的結構及軌道進行了全程的實時監測，結果表示，實時監測的數據準確性、及時性對本工程的實施起到了很好的指導作用，極大的指導了工程的順利實施。

［1］ 王占生，張頂立.淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的關鍵技術［J］.巖石力學與工程學報，2007(12):4208-4214.

［2］ 張成平，張頂立，吳介普，等.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制［J］.中國鐵道科學，2009，30(1):69-73.

［3］ 孔慶凱，劉化圖.新建隧道穿越施工對既有雙線地鐵隧道的影響［J］.地下空間與工程學報，2010(6):1448-1451.

［4］ 李東海，劉 軍，蕭 巖，等.盾構隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監測研究［J］.巖石力學與工程學報，2009(28):3182-3186.