北京地下直徑線前三門隧道上跨地鐵聯絡通道及電力隧道設計方案研究

郭劍勇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

0 引言

隨著城市規模的不斷擴大，北京市近年來投入大量資金新建和改造城市道路及橋梁，但仍然難以滿足機動車輛增長的需求，道路堵塞現象日趨嚴重［1］。如何充分利用好地下空間資源，成為北京市現代化城市基礎建設的重要一環。目前，北京市地下空間開發利用已經進入了快步發展階段，近5年來，地下空間建成面積以每年約300萬m2的速度增長［2］。城市軌道交通成為拓展地下空間的必然選擇，截至2013年5月，北京地鐵擁有17條線路270座車站，單日最高運送乘客已突破1 000萬人次，運營線路總里程為456 km。預計到2016年底，北京地鐵運營總里程將達到660 km以上，在遠景規劃中，到2020年時，運營總里程將超過1 000 km。

隨著地鐵的大規模建設，在有限的地下空間中，地鐵隧道之間彼此“擦肩而過”、“上跨”和“下穿”的情況越來越多，近接隧道甚至雙層隧道的工程實例層出不窮。那么，新建隧道如何施工才能保證既有隧道的結構安全就成為設計者亟待解決的難題。目前，國內同行業者對鄰近隧道施工的問題做了大量而廣泛的研究。姚捷等［3］對鄰近雙線地鐵隧道盾構推進過程進行了仿真計算，研究了相鄰平行隧道施工的相互影響;閆朝霞等［4］以北京地鐵工程為例，研究運用了淺埋暗挖和注漿法穿越既有線的施工技術，較好地控制了既有結構的變形;錢雙彬等［5］對某地鐵盾構近距離下穿地鐵出入口過程進行了仿真分析，得到了施工過程中既有結構的變化規律，并提出了施工中應采用的安全處理措施。

新建北京地下直徑線前三門隧道上跨既有地下結構工程的難點在于該隧道與既有地鐵聯絡通道與電力隧道在空間的交叉復雜度和凈距問題都超出了一般鄰近隧道工程，且對于既有結構變形控制的要求極高。本文在總結以往類似工程經驗的基礎上，提出“隔離樁保護，分步開挖”的隧道上跨施工方案，通過數值模擬驗證其對既有結構變形的有效控制，探索應對城市高復雜度鄰近隧道工程施工的新方法。

1 工程背景與概況

北京地下直徑線是北京市正在建設中的一條鐵路地下聯絡線，兩端分別連接北京西站和北京站，是北京鐵路樞紐的重要組成部分。其中，前三門隧道全長7 285 m，隧道進口段位于北京站西街與崇文門內外大街的交叉路口段，線路呈東西走向，從北京站西端引出后線間距由5 m漸變為4 m，且僅能在地鐵2號線東南出入口與崇文門飯店之間的狹小地段鋪設通過。該地區地下管線密集，地面交通繁忙，有多條有軌電車運營。

前三門隧道在DK0+792～+850段上跨地鐵5號線與地鐵2號線南聯絡通道和電力隧道，隧道結構頂板覆土約為2.95 m。隧道與聯絡通道的最小凈距為4.61 m，隧道與電力通道的最小凈距為1.9 m，地鐵聯絡通道與電力隧道最小凈距為0.75 m。考慮隧道穿越的地下空間狹小且矩形斷面空間利用率較高，故采用矩形斷面。隧道與地鐵聯絡通道及電力隧道的關系如圖1和圖2所示。

圖1 隧道與地鐵聯絡通道及電力隧道的交叉平面圖Fig.1 Plan showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

地鐵5號線與地鐵2號線聯絡通道采用暗挖法施工，復合式襯砌，斷面最大開挖寬度為6.5 m，高度為5.95 m。襯砌的初期支護為格柵鋼架、鋼筋網及0.3 m厚C20噴射混凝土;二次襯砌采用C30，S10鋼筋混凝土，厚度為0.4 m。

電力隧道最小覆土厚度為0.7 m，最大覆土厚度為12.1 m，埋深最大15.2 m。縱坡最小為0.5%，最大為21.4%。

圖2 隧道與地鐵聯絡通道及電力隧道的橫斷面圖(單位:mm)Fig.2 Profile showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel(mm)

前三門隧道上跨既有地鐵聯絡通道和電力隧道區段穿越地層由上至下分別為雜填土、粉土、細砂及黏土等，詳見表1，該區段隧道開挖深度范圍位于地下潛水位以上。

表1 工程地質情況Table 1 Geological conditions

2 前三門隧道施工保護方案

考慮地面交通繁忙等因素，宜采用蓋挖法或暗挖法施工。相對于暗挖法而言，蓋挖法對地面施工場地有特殊要求，更適宜于地鐵車站深基坑的施工，而本工程穿越區段地面可供施工的空間狹小，綜合考慮施工便利性及工程經濟性，確定采用暗挖法開挖隧道。

2.1 采用臨時路面支撐體系與隔離樁防護體系

1)在前三門隧道結構上方增設臨時路面支撐體系，于隧道結構施工期間承擔地面活載。臨時路面支撐體系一般使用軍便梁或標準化路面板結合鋼筋混凝土縱橫梁實施，軍便梁適用于大跨度基坑臨時支撐，但其為戰備物質，租賃使用的經濟性較差。臨時路面板可采用3 m×1 m的標準化路面板，標準化路面板通常有3種不同的型式:鋼筋混凝土路面板、鋼板路面板及型鋼組合路面板。其中，鋼筋混凝土路面板自重偏大，裝運困難，對下部支撐體系影響較大;鋼板路面板吊裝方便，但剛度偏小，不適合大跨度基坑使用;型鋼組合路面板用并排H型鋼焊接，自重適中，剛度大，布置靈活，適合較大跨度基坑使用，經濟效益良好。本工程臨時路面體系采用5根H型鋼焊接而成，兩端用平鋼焊接加固。

2)使用隔離樁防護既有地下結構。隔離樁是一種廣泛應用于工程施工防護的手段，其主要目的是將主體部分與相鄰部分隔離開來，起到減少或消除相互之間的影響作用。根據具體工程情況，一般有鉆孔灌注樁及水泥攪拌樁等。考慮本工程施工場地狹小，故采用φ800 mm鉆孔灌注樁和φ300 mm復合錨桿樁作為隔離樁，在隧道主體結構施工前布置于隧道主體結構的兩側，形成隔離樁防護體系，避免在隧道施工過程中影響既有地鐵聯絡通道及電力隧道。

2.2 采用超前支護及暗挖加強措施開挖隧道

前三門隧道采用超前支護及暗挖加強措施方法進行施工，其施工工法步驟如下:第1步，待完成路面支撐體系和隔離樁防護體系后，施作頂部雙層小導管，超前注漿加固，并開挖中部導坑1，及時封閉初期支護;第2步，開挖下導坑2，及時封閉初期支護;第3步，施作頂部雙層小導管，超前注漿加固，開挖左上導坑3，及時封閉初期支護;第4步，開挖左下導坑4，及時封閉初期支護;第5步，施作頂部雙層小導管，超前注漿加固，開挖右上導坑5，及時封閉初期支護;第6步，開挖右下導坑6，及時封閉初期支護;第7步，分步開挖7—9導坑，并及時封閉初期支護;第8步，在臨時支撐節點處鑿除孔洞，安設格柵，噴混凝土封閉初期支護;第9步，分段鑿除內部臨時初期支護，用水泥砂漿找平后分段鋪設底板防水層，施作保護層后綁扎鋼筋，再澆筑底板及部分邊墻混凝土;第10步，鋪設邊墻、頂板防水層，施作邊墻及頂板混凝土，最后完成附屬結構。隧道防護措施示意如圖3所示。隧道分布開挖示意如圖4所示。

圖3 隧道防護措施示意圖Fig.3 Protection of tunnel

圖4 隧道分步開挖示意圖Fig.4 Sequence excavation of tunnel

3 隧道結構安全計算

3.1 建立有限元模型

前三門隧道與電力隧道為矩形結構，地鐵聯絡通道拱頂與仰拱為弧形結構，通過有限元軟件對其分別進行三維幾何建模及單元劃分。前三門隧道與既有地鐵聯絡通道及電力隧道的空間相對位置如圖5所示。根據圣維南原理，彈性體小部分面積或體積內荷載作靜力等效變換時，只在局部產生不同效應而對遠處沒有影響，隧道模型仰拱或底板下方圍巖厚度取值為隧道高度的3倍［6］。圍巖土體幾何模型尺寸為水平方向65 m;豎直方向32 m，向上取自地表，向下取自隧道底板以下20 m;縱向58 m，沿隧道方向由DK0+792取至DK0+850。有限元模型單元劃分如圖6所示。

圖5 隧道與聯絡通道及電力隧道相對位置示意圖Fig.5 Model showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

圖6 有限元計算模型Fig.6 FE calculation model

隧道頂部為管棚加固區域，兩側為隔離樁。圍巖材料采用摩爾－庫倫模型［7－8］，隔離樁采用結構樁單元模擬。前三門隧道、地鐵聯絡通道及電力隧道的襯砌結構尺寸參數見表2，圍巖物理力學參數見表3。襯砌模型的邊界設置采用頂面自由邊界，下部鉸接，兩側全約束固定邊界。數值模擬計算中，采用地層結構模型來計算隧道圍巖自重應力，豎向壓力采用圍巖自重［9－10］。

表2 襯砌結構主要尺寸參數Table 2 Main dimension parameters of lining structure cm

表3 材料物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 模擬隧道開挖工況

前三門隧道采用分步開挖法模擬開挖工況，開挖步驟如下:第1步，施作隔離樁，完成頂部小導管超前注漿加固，開挖中部導坑1和導坑2，進尺5 m，封閉初期支護;繼續施作頂部雙層小導管超前注漿加固，開挖左上導坑3和左下導坑4，封閉初期支護;施作頂部雙層小導管超前注漿加固，開挖右上導坑5和右下導坑6，封閉初期支護;分步開挖7—9步導坑，封閉初期支護。第2步，去除中間臨時初期支護，施作邊墻及底板初期支護和二次襯砌。第3步，開挖循環進尺5 m，重復第1步和第2步開挖斷面，直至隧道開挖完成［11］。

3.3 鄰近施工既有構筑物的控制標準相關內容

根據對既有地鐵聯絡通道和電力隧道結構混凝土外觀、強度、裂縫的安全監測和評估，同時參考北京地鐵運營公司《北京地鐵工務維修規則》針對既有線路軌道變形控制標準和北京地鐵5號線上跨1號線等類似鄰近隧道施工安全控制經驗，制定了以下既有結構變形控制標準:當既有結構變形值達到預警值時，須降低施工速度，嚴密監測既有結構變形趨勢，嚴格按照施工步驟施工;當變形值達到允許值時，應立即停止施工，及時封閉掌子面，加強臨時支護措施，等變形趨于穩定并小于允許值時，根據監控量測反饋信息重新制定超前支護方案，逐步完成施工過程。鄰近施工既有構筑物的控制標準如表4所示。

表4 鄰近施工既有構筑物的控制標準Table 4 Control standards of adjacent existing structures during tunnel construction mm

3.4 數值模擬計算結果

見圖7—12。

圖7 隔離樁彎矩分配圖Fig.7 Distribution of bending moment of isolating piles

圖8 未采用防護方案既有結構第一主應力圖Fig.8 The first principal stress of existing structures without protection measures

圖9 采用防護方案后既有結構第一主應力圖Fig.9 The first principal stress of existing structures with protection measures

圖11 開挖完成后地鐵聯絡通道位移云圖Fig.11 Cloud of displacement of Metro connection gallery when the excavation of the mentioned tunnel is completed

圖12 聯絡通道DK0+828斷面處各點隨開挖進尺的豎向位移Fig.12 Vertical displacement of Metro connection gallery at DK0+828 Vs tunnel excavation progress

3.5 對模擬結果的分析

對地鐵聯絡通道數值模擬應力、位移云圖及位移數據結果進行分析如下:

1)在未采用防護方案，即全斷面開挖且沒有施作隔離樁的工況下，既有結構第一主應力最大值為3.0× 103kPa;在采用了防護方案后，即施作了隔離樁分步開挖的工況下，既有結構第一主應力最大值為2.7× 103kPa。由此可知，在隔離樁的防護作用下，既有結構在施工中的應力明顯下降。通過對既有結構進行強度驗算，其安全性符合要求。

2)在前三門隧道開挖過程中，于隧道與聯絡通道最接近的DK0+828處，分別設置拱頂、左右邊墻和底板4個測點，提取4個測點在隧道開挖過程中的位移值，可以得到聯絡通道在DK0+828處各監測點隨隧道開挖進尺的位移曲線。結果表明:在開挖進尺前25 m，聯絡通道最大位移發生在右側邊墻，最大位移值為1.3 mm;在開挖進尺25～35 m，聯絡通道各測點位移明顯增大，最大位移值為2.7 mm(因為這一區段為隧道與聯絡通道最接近的區段，其位移值的明顯增大與實際情況相吻合);在開挖進尺35～58 m，聯絡通道各測點位移趨于穩定，最大位移值為2.9 mm，符合聯絡通道結構安全控制標準。

3)在前三門隧道開挖完成后，聯絡通道在最接近于前三門隧道的區段內位移值最大，最大位移值為2.9 mm，符合聯絡通道結構安全控制標準。

4 結論與建議

1)在前三門隧道開挖過程中，地鐵聯絡通道與電力隧道均受到一定的影響，但是與地鐵聯絡通道相比，電力隧道結構斷面較小，且不是人行通道，其安全性要求遠低于地鐵聯絡通道，故本次計算主要以地鐵聯絡通道的位移值作為結構安全性檢算標準。通過數值模擬分析，前三門隧道采用臨時路面支撐體系與隔離樁防護體系及加強措施分步開挖隧道的施工方案是可行的。

2)與以往新建隧道下穿、上跨既有構筑物不同，前三門隧道需要穿越的地段非常狹小，在空間上與多處既有地下結構交叉，工程變形控制標準較高。本文提出了“隔離樁保護，分步開挖”的隧道上跨施工方案。通過對隧道開挖過程進行數值模擬，得到了既有構筑物在鄰近隧道施工時的位移變化趨勢和極值，分析結果表明:“隔離樁保護，分步開挖”的方案有效地減小了鄰近隧道施工對既有地下構筑物的影響，既有構筑物的數值模擬位移值符合變形控制的要求。

3)本文是通過有限元數值模擬軟件對新建隧道上跨既有地下結構工程施工進行模擬，受有限元建模與圍巖參數設置局限性的影響，對隧道周圍土體不同土層的分界情況進行了簡化，這樣得出的數值模擬結果和實際結果會有一定的偏差。這些不足之處有望通過以后的現場試驗進行分析校正，將數值模擬分析和現場試驗分析相結合可以得到更加準確的結果。

4)為確保既有地鐵聯絡通道與電力隧道的結構安全，在施工中應實時監控既有結構的變形情況，將監測數據與構筑物變形控制標準進行對比，并預測其變形趨勢;按規范嚴格執行隧道開挖循環進尺和各臺階開挖步距;根據開挖地層的實際情況可用C25噴射混凝土封閉上導坑掌子面。

［1］ 石曉東.北京城市地下空間開發利用的歷程與未來［J］.地下空間與工程學報，2006，2(S1):1088－1092.(SHI Xiaodong. History and future of underground space development and utilization in Beijing［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(S1):1088－1092.(in Chinese))

［2］ 葉大華，王軍輝.北京地鐵規劃中對舊城古建筑地基基礎的評估與保護對策研究［J］.城市勘測，2012(1):156－160.(YE Dahua，WANG Junhui.Evaluation and protection countermeasures of ancient architectural foundation inside historical city during planning of Beijing Metro［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2012(1):156－160.(in Chinese))

［3］ 姚捷，楊光華，張玉成，等.相鄰線路盾構施工對既有隧道的影響［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(S2):3945－3951.(YAO Jie，YANG Guanghua，ZHANG Yucheng，et al.Influence of shield construction of adjacent line upon existing tunnel［J］.Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering，2009，28(S2):3945－3951.(in Chinese))

［4］ 閆朝霞，李振輝，許俊偉.北京新建地鐵近距離穿越既有線施工技術［J］.鐵道勘察，2010(2):96－99.(YAN Zhaoxia，LI Zhenhui，XU Junwei.Technology for construction of newly built subway passing through existing lines in short distance in Beijing［J］.Railway Investigation and Surveying，2010(2):96－99.(in Chinese))

［5］ 錢雙彬，董軍，陳方權，等.既有隧道受鄰近盾構施工作用的變形行為研究［J］.建筑技術，2009，40(1):78－81. (QIAN Shuangbin，DONG Jun，CHEN Fangquan，et al.Reserch on deformation behavior of existing tunnel due to adjacent shield construction［J］.Architecture Technology，2009，40(1):78－81.(in Chinese))

［6］ 蘇曉堃.隧道開挖數值模擬的圍巖邊界取值范圍研究［J］.鐵道工程學報，2012(3):64－69.(SU Xiaokun.Research on choosing boundary range of surrounding rock in numerical simulation of tunnel excavation［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012(3):64－69.(in Chinese))

［7］ 李榮偉.小凈距隧道施工順序FLAC3D模擬分析［J］.水科學與工程技術，2011(1):82－85.(LI Rongwei.Numerical simulation analyses on the construction sequence of twin-tunnel with short separation by FLAC3D［J］.Water Sciences and Engineering Technology，2011(1):82－85.(in Chinese))

［8］ 閆春嶺，丁德馨，崔振東，等.FLAC在鐵山坪隧道圍巖穩定性分析中的應用［J］.地下空間與工程學報，2006(3): 499－503.(YAN Chunling，DING Dexin，CUI Zhendong，et al.Application of FLAC in the stability analysis of tieshanping tunnel surrounding rock［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006(3):499－503.(in Chinese))

［9］ 彭文斌.FLAC 3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［10］ 李圍.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［11］ 王紹君，劉宗仁，陶夏新.淺埋暗挖隧道施工性態的數值模擬與分析［J］.土木工程學報，2007(6):75－78.(WANG Shaojun，LIU Zongren，TAO Xiaxin.Numerical simulation and analysis of construction behavior of shallow tunneling by excavation［J］.China Civil Engineering Journal，2007(6):75－78.(in Chinese))