地鐵隧道超近距離下穿既有線安全施工技術

張福忠

（中鐵三局集團華東建設有限公司，江蘇 南京 211153）

1 概述

隨著城市軌道交通建設規模的不斷擴大，必然帶來各種新舊線路相互交叉穿越的工程問題[1]，一些大的綜合樞紐位置，線路復雜多變，新舊線路的近距離穿越也不可避免[2]，新建隧道的下穿施工如何保證既有線結構的安全，不影響既有線的正常運營[3]，越來越受到研究人員的重視。某地鐵礦山法單線隧道，左右線均下穿既有鐵路線（已建寧蕪貨線先期實施段）明挖隧道，交叉段長度約240 m，與既有線區間結構最近距離只有1.70 m、最小夾角只有7°，新建隧道因工期原因必須采用爆破施工，還需破除大量寧蕪貨線鐵路圍護樁。隧道地面周邊建筑物密集且多為高層建筑，地下管線密布，地面交通異常繁忙。

下穿段隧道斷面和既有寧蕪貨線區間隧道的情況及相互位置關系如圖1、圖2。

圖1 寧蕪貨線隧道與地鐵結構平面關系圖

圖2 寧蕪貨線隧道與地鐵結構剖面關系圖（其中右上為最不利斷面）

綜合相關規范和有關規定，對既有寧蕪貨線隧道的保護原則為：

a）混凝土結構裂縫寬度不得大于0.2 mm，并不得貫通。

b）隧道結構由于地鐵施工引起的沉降不得大于12 mm，隧道的豎向及平面曲率半徑大于15 000 m。

c）由于地鐵施工產生的震動隧道引起的峰值速度小于等于2 cm/s。

d）施工過程中，注漿施工等情況下引起的附加荷載應不大于20 kPa。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質

下穿區間隧道拱頂絕大部分為③-1b1-2粉質黏土、J1-2x-2c強風化粉細砂。區間洞身局部位于J1-2x-2c強風化粉細砂巖、J1-2x-3c中風化粉細砂巖中，其物理力學性質差異較大。交叉段落洞身穿越J1-2x-3c中風化粉細砂巖層，圍巖級別Ⅲ級。隧道拱頂埋深14～26 m，下穿段寧蕪貨線埋深為13 m。

2.2 場地水文地質條件

本段落地下水主要為孔隙潛水，其中孔隙潛水主要賦存于①填土中。地下水初見水位埋深1.0～2.5 m，地下水靜止水位埋深在1.20～3.20 m，年水位變化幅度約1.0～1.50 m。

3 隧道施工對既有線影響的安全性分析

為了解施工過程中地層的變形及施工對既有區間隧道的影響，利用三維有限元仿真計算，對下穿既有寧蕪貨線的施工過程進行數值模擬分析。

3.1 計算模型及參數

根據本工程的實際情況和特點，在三維有限差分元分析時有如下考慮：

a）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料,其本構模型采用M-C彈塑性模型。

b）模型的前、后、左、右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由。

根據工程經驗和理論分析，選取土體范圍為130 m×330 m×70 m（X×Y×Z)，見圖 3。在此區域模擬土層，通過激活和鈍化開挖區的土體單元、襯砌單元模擬隧道施工過程及其土體位移，整個三維有限元計算模型共93 764個單元。

計算分3種工況：

a）工況1 地鐵隧道開挖一次性完成；

b）工況2 地鐵隧道分40步開挖完成；

c）工況3 地鐵隧道結構考慮塌方計算。

圖3 計算模型

3.2 數值模擬結果及分析

a）隧道的最大沉降允許值為12 mm，數值分析結果表明隧道結構最大沉降為6.13 mm，滿足沉降要求。

b）通過數值模擬，地鐵施工對結構斷面的軸力影響較為復雜，但軸力變化幅度較小，隧道軸向壓力最大值均在右側墻頂部位置，通過比較，地鐵施工對隧道結構的縱向彎矩產生的影響較大，隧道結構在本段的縱向鋼筋由普通段的φ16@100加強為φ20@100，結構受力主筋由 φ22@100加強為φ28@100，經核算本段結構配筋的加強能夠滿足地鐵結構引起的隧道結構受力變化。

c）計算分別考慮了一次性通過開挖和分40步開挖的工況，按照一次性通過的方式計算時，最大豎向位移為6.13 mm，橫向位移為3.8 mm，開挖步驟增加至40步時，最大豎向位移減小為2.61 mm，橫向位移減小為2.09 mm。通過開挖步驟的增加，能有效地減小隧道結構由于地鐵施工引起的位移及受力變化，加大隧道結構的安全保障，但是，施工產生的影響只能通過增加開挖步驟減弱，不能夠完全消除。

d）計算在工況2的基礎上增加了塌方影響的模擬計算，塌方縱向長度7.86 m（一個開挖循環的長度）考慮，橫向寬度按破裂面考慮，塌方位置選取在寧蕪貨線隧道與地圖隧道結構垂直距離最近處。計算結果表明，小范圍的臨時脫空對已建寧蕪貨線隧道的影響總體不大，寧蕪貨線隧道結構配筋的加強滿足受力的增加。

4 隧道下穿施工方案

4.1 施工方案的確定

在下穿施工過程中，必須保證地鐵隧道施工和已建鐵路隧道結構的安全。通過采用有限元仿真分析隧道下穿施工對既有線的影響，經過多次專家論證，決定該區段采用超前小導管、超前掏槽導洞、分步分塊控制爆破、大剛度和強度初支進行支護、初支背后及時注漿加固等技術，其中，破除侵入地鐵隧道內的鐵路隧道圍護樁，采用機械破除+人工鑿除+控制爆破相結合的方法。

4.2 工藝流程

圖4 施工工藝流程圖

4.3 操作要點

4.3.1 超前支護

超前小導管施做時按照10°外插角進行布置打設。將原設計第二排40°超前小導管調整為外插角10°，與第一排小導管交錯布置，以避免導管過高上揚碰著寧蕪貨線隧道底板。

4.3.2 破除圍護樁

a）上臺階樁體破除。先施打拱部超前支護小導管注漿，然后采用人工風鎬配合機械炮頭破除上臺階樁，清理殘渣，保留核心土。

b）架立上臺階鋼架并噴混封閉。上臺階土體挖除，及時架立一榀型鋼鋼架。型鋼鋼架要與樁體預留筋進行焊接并掛網噴混封閉。

c）下臺階樁體破除。待上臺階挖進3～6 m后，采用弱爆破反頭破除下臺階樁體。架設下臺階鋼架與上臺階對應鋼架連接。與樁體預留鋼筋進行焊接并掛網噴混封閉成環。

4.3.3 開挖及支護

下穿段采用臺階法、弱爆破、短進尺開挖，為了讓初期支護即時受力，地鐵隧道初期支護中噴射混凝土強度等級提高到C25，將原格柵鋼架調整為I22b型鋼鋼架，間距50 cm。若遇圍巖破碎地帶，鋼架間距調至30 cm以確保支護強度。現場實施時，必須確保在每循環隨挖隨支。

通過爆破波形圖（由解放軍理工大學監控）及現場試驗裝藥量分析，爆破施工中采用掏槽導洞超前、分部分塊進行弱松動爆破，根據距離寧蕪貨線不同距離及監測數據確定最大一次齊爆藥量，通過在開挖斷面中心、周邊及底板均設減震孔的方法，有效地控制了爆破震動對寧蕪貨線的影響。

鑒于后期寧蕪貨線運營動載對地鐵的影響，二襯由300 mm厚加強至400 mm厚，同時配筋由φ22@150加強到φ28@150。加強段長度超出地鐵結構與貨線隧道邊線15 m范圍。

5 施工監測

5.1 監測項目及測點布置

為了掌握地層和洞室在施工過程中的力學動態，確保洞室的穩定和寧蕪貨線建筑物的安全，下穿段落在正常地表、地鐵隧道拱頂下沉、凈空收斂監控量測工作量情況下，另外：a）在寧蕪貨線隧道主體結構底板上布設沉降監測點，每20 m（或沉降縫處）布設一個斷面，交叉區段向外兩側距離20 m、50 m、100 m位置各設一個斷面，每個斷面布設2個測點，共設19個斷面，計38個測點；b）在寧蕪貨線隧道主體結構頂板、側墻埋設收斂監測點，監測斷面與沉降監測斷面相同，每20 m布置一斷面，交叉段兩端各延伸一個監測斷面，每個斷面布設5個反射片，總計15個斷面，計75個測點。監測點布置如圖5。

圖5 下穿寧蕪貨線段貨線隧道監測點分布示意圖

5.2 監測結果分析

5.2.1 沉降監測

寧蕪貨線隧道各沉降監測點累計沉降變化量見圖6，部分累計沉降和差異沉降超警戒值。

圖6 累計沉降圖

沉降值超警戒值原因分析：

a)由于地鐵隧道拱頂距寧蕪貨線底板距離較小，隧道開挖施工在圍巖周圍形成松弛圈，對寧蕪貨線框架結構底板下土體造成擾動，出現土體松散，強度降低。

b）原寧蕪貨線隧道明挖施工后，隧道結構周邊土體之間存在空隙并有滲水，形成“水囊”。此現象特別明顯，在開挖過程中寧蕪貨線下掌子面流水經常散發一股臭味。

c）原寧蕪貨線隧道明挖施工后，對隧道結構周邊巖體有一定破壞作用，造成巖體較為松散。

d）由于寧蕪隧道底板處于強風化粉砂巖層，該巖層遇水易軟化，強度降低，導致寧蕪隧道底板出現沉降。

以上原因綜合導致寧蕪貨線框架出現較大沉降，而開挖影響范圍外的框架結構沉降小，因此寧蕪貨線框架底板兩側形成差異沉降超警戒值。

后期通過采取注漿抬升措施，使沉降恢復到可控范圍內，滿足結構安全要求。

5.2.2 收斂監測

寧蕪貨線隧道內收斂控制值為5 mm。如圖7，各收斂監測點累計變化量均未超警戒值。

圖7 累計收斂變化圖

5.2.3 裂縫監測

寧蕪貨線隧道內裂縫控制值為0.2 mm。通過統計各裂縫累計變化量均未超警戒值。

5.2.4 其他監測

a）結構主筋應力監測 監測區段范圍內45個監測點的應力變化量較小，均未超±25 MPa。

b）空隙監測 未發現明顯空隙。

6 結語

采用有限元仿真計算分析了新建地鐵隧道下穿既有區間結構的安全性，在施工過程中進行多項目的現場監測。通過監測數據結果表明，施工中采用超前小導管、超前掏槽導洞、分步分塊控制爆破、大剛度和強度初支進行支護、初支背后及時注漿加固等技術，其中，破除侵入地鐵隧道內的鐵路隧道圍護樁，采用機械破除+人工鑿除+控制爆破相結合的方法，保證了地鐵隧道施工和已建鐵路隧道結構的安全。