盾構隧道始發段上跨穿越施工對既有地鐵隧道的影響分析

金 平， 趙 焱， 趙瑞桐

(1.中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230022； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近些年，國內眾多城市地鐵建設逐步加快，位于城市核心區域內的地鐵線路呈現密集化趨勢，新建地鐵隧道上跨或者下穿通過既有地鐵隧道的工程案例越來越多。對于這些工程的施工過程，在保證自身隧道滿足設計要求的同時，更要嚴格控制對既有隧道的影響，以確保既有線路的運營安全。深圳地鐵10號線福田口岸站-福民站區間段在盾構尚未完全出端頭加固區即上跨既有地鐵7號線隧道，與常見的新建隧道上跨或下穿既有隧道相比，此工點施工時不僅兩線路隧道之間會產生相互影響，而且由于上跨區段緊鄰車站基坑，還受到車站基坑結構的影響，進而存在更為復雜的力學響應規律，本文以此工程為依托，采用數值模擬方法，研究分析了此復雜工況的施工過程，重點論證袖閥管注漿加固方案的可行性，以期為類似工程的實施提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵10福田口岸站-福民站區間從福民站南端頭井始發，將上跨穿越已經運營的地鐵7號線?；蕝^間，兩線路隧道基本正交，結構垂直凈最小距僅1.3 m，7號線區間線路外邊緣距福民站南端頭僅7.85 m，福福區間盾構機未完全出端頭井加固區即上跨穿越7號線?；蕝^間。此區間采用復合式土壓平衡盾構進行施工，區間內管片襯砌混凝土強度等級為C50，厚度30 cm，幅寬1.5 m。

顯然，此工點施工最為關鍵的難點是避免盾構開挖時的排土卸載引起下覆地鐵7號線隧道上浮，進而造成管片破壞或對列車運營安全帶來影響。為此，在盾構開挖施工前采用袖閥管注漿措施對10號線南端頭井至7號線福皇區間與10號線福福區間隧道重疊部位(總長度約27.45 m)的地層進行預加固。加固范圍寬度方向上為10號線隧道及左右兩側各3 m，深度方向上為隧道頂3 m至隧道底2 m，上跨7號線區間正上方按照加固體距離既有隧道結構凈距不小于1 m對注漿壓力進行控制。本文將重點研究此加固措施能否保證盾構上跨施工過程中下覆既有隧道的安全。工程范圍內土層分布及新建與既有隧道的位置關系見圖1。

(a)平面

(b)斷面圖1 工程位置示意

2 數值模型建立

本次研究的數值模型采用有限差分軟件FLAC3D建立，模型左右邊界及下邊界計算范圍各取5倍開挖寬度。由于10號線是在始發段上跨穿越7號線，本文在數值模型中考慮了既有基坑(車站基坑)對上跨施工的影響。根據實際施工方案，本次數值模擬中將先開挖左線隧道至貫通，再進行右線開挖。圖2為三維計算模型圖，其中X軸方向為水平方向、Y軸正方向為盾構隧道軸向方向、Z軸正方向豎直向上。模型尺寸為：69.7 m×67.6 m×50 m，三維計算模型共劃分為45.05萬個單元。地鐵10號線、7號線及袖閥管注漿加固范圍的位置關系如圖3所示。

圖2 三維數值計算模型

圖3 工程結構位置關系

三維數值計算中相關結構的具體幾何參數為實際設計值，地層物理力學參數參考地勘和設計文件進行取值。計算中，各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，地下連續墻、基坑基礎底板及盾構隧道管片采用彈性模型。土層及其他構件計算參數詳見表1。

袖閥管注漿加固效應采用提高位于加固范圍內的②3含有機質砂、③6細砂、③10圓礫、⑧1全風化花崗巖這四個地層相應的彈性模量、黏聚力及內摩擦角的方法進行模擬。

3 計算結果分析

3.1 受力分析

圖4為10號線福福區間始發段施工過程中7號線隧道管片的應力云圖。可以看出，管片中應力分布比較均勻并且左右線的最大主應力值非常接近。在整個施工過程中7號線管片中主應力值的變化很小，10號線左線開挖貫通時分別為1.89 MPa和6.01 MPa；右線開挖貫通時分別為1.83 MPa和6.00 MPa。從總體上講，按設計方案進行10號線的施工，7號線的結構受力均在安全范圍內。

表1 計算模型材料物理力學參數

(a)左線開挖至貫通主拉應力

(b)左線開挖至貫通主壓應力

(c)右線開挖至貫通主拉應力

(d)右線開挖至貫通主壓應力

3.2 變形分析

圖5為10號線福福區間始發段施工過程中，7號線隧道管片的豎向位移云圖。可以看出，在10號線隧道開挖后，土體的卸載將會使7號線隧道管片與其相交部位產生向上的隆起變形，隆起量值左線比右線大，這是由于左線相比于右線距離車站基坑較遠，受到既有基坑地下連續墻約束較小且受10號線開挖影響范圍更大造成的。10號線左線隧道開挖至貫通后，7號線隧道管片的最大隆起值為2.55 mm；當10號線右線隧道開挖至貫通后，7號線隧道管片的最大隆起值為3.74 mm，隆起最大的部位出現在7號線左線隧道與10號線隧道相交位置的管片頂部。

圖6為7號線隧道拱頂和拱底各位移監測點在開挖完成后的豎向位移值曲線?？梢钥闯?，在施工完成后，7號線左、右線隧道的豎向變形規律基本相同。最終變形值均為中間較大，向兩側逐漸遞減，并且7號線左線的豎向變形要比右線大。

(a)左線開挖至貫通

(b)右線開挖至貫通

圖6 7號線隧道拱頂拱底位移測點豎向位移值曲線

選取7號線左線隧道的拱頂和拱底X坐標為-9 m、0 m、9 m的位移監測點來分析10號線隧道開挖過程中的豎向變形規律(圖7)。從圖中可以看出，隨著10號線開挖進程(圖中橫軸數字所代表的10號線開挖進程：1-左線開挖至7號線右線上方，2-左線開挖至7號線左、右線之間上方，3-左線開挖至注漿加固區邊緣，4-左線開挖至非注漿加固區中間位置，5-左線開挖至在模型中貫通，6-右線開挖至7號線右線上方，7-右線開挖至7號線左、右線之間上方，8-右線開挖至注漿加固區邊緣，9-右線開挖至非注漿加固區中間位置，10-右線開挖至在模型中貫通)，7號線隧道因開挖而出現的隆起值逐漸增大，并且拱頂和拱底的位移規律相似。Y=9m的兩個測點及Y=-9m的兩個測點分別在10號線左、右線開挖的過程中出現了隆起量值的差值逐漸增大的現象，而Y=0m的測點情況則介于前面兩者之間，這表明7號線隧道管片的豎向位移在Y=9m附近區域受10號線左線開挖影響較大；而在Y=-9m附近區域則受10號線右線開挖影響較大。

4 結論

本文以深圳地鐵10號線福福區間盾構始發段正交上跨既有7號線工程施工為依托，研究分析了在設計袖閥管注漿預加固方案下，上跨施工過程對既有隧道受力和變形的影響，得出如下結論：

(1)新建盾構隧道始發段正交上跨施工對位于其下方的既有隧道結構受力影響較小，既有隧道管片受力不會因為上跨施工而產生較大變化；

(2)10號線上跨穿越施工的土體卸載作用會使既有7號線隧道產生最大值為3.74 mm的隆起變形，該變形量值滿足既有隧道結構和地鐵運營安全的要求。

(3)采用設計方案進行10號線福福區間盾構始發段的施工，可保證既有7號線盾構隧道的受力和變形安全。

(a)Y=-9m測點曲線

(b)Y=0m測點曲線

(c)Y=9m測點曲線圖7 7號線隧道隨施工進程豎向位移變化曲線