三管隧道開挖對周邊構筑物影響分析研究

邱 軍

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

隨著城市軌道交通建設的展開，越來越多的地鐵隧道與既有鐵路線、公路、樓宇等結構物交匯，產生諸多近接工程。前人對地下工程近接施工進行了深入研究，例如，廣州地鐵5號線區莊站多層立體交叉隧道工程[1]，C YOO、HB ZHAO通過室內試驗的方式研究了近接隧道工程對既有建筑物的影響[2-3]。西南交通大學仇文革團隊在盾構近接既有建筑物方面進行了研究[4-8]。在盾構隧道臨近既有建、構筑物方面，前人主要利用數值模擬與現場監測的方法對近接影響進行了分析。其中，蔡向輝利用有限元軟件ABAQUS建立了車輛-軌道耦合模型[9]，分析了高速鐵路與盾構隧道的相互作用；張舵利用有限元分析軟件ANSYS對不同支護措施下盾構隧道穿越既有鐵路的標準進行了研究[10]；黃文君等利用MIDAS對盾構隧道施工工藝對路基的沉降進行的數值計算，研究得到了沉降的影響規律[11]；馮超等對盾構隧道下穿鐵路橋涵的安全進行了研究[12]。高東奇等基于現場監測大直徑泥水盾構施工對高鐵橋涵的影響進行了研究[13]；朱紅霞基于武漢地鐵3號線現場監測對EPB盾構近距離下穿既有隧道的穩定性進行了分析[14]。目前研究多為單一盾構近接單個或兩個工程，類似本文所研究的盾構隧道與礦山法施工的鐵路近接橋樁與鐵路的情況較少，因此，本研究擬在建立三維數值計算模型的基礎上，結合現場監測，對多重隧道施工對周邊建、構筑物的影響進行分析。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程為成都地鐵1號線三期南段廣州路站—興隆湖站(廣興)區間及出入場線，位于成都市天府新區天府大道東側，施工期間需下穿成花鐵路。廣興區間，隧道埋深5.3 m(下穿麓溪河)～49.679 m，區間隧道穿越鐵路段結構管片采用特殊配筋的B型管片，外徑6 000 mm，內徑5 400 mm，管片厚度為300 mm，管片幅寬1 500 mm。

出入場線起止里程為RCK0+149.000～RCK0+291.000，長141 m，出入場線斷面為馬蹄形類型，采用礦山法(CD法或臺階法)施工，復合式襯砌結構。廣州路站—興隆湖站區間左右線盾構機均由興隆湖站始發向北掘進，地鐵隧道線路與鐵路水平交角均為68°，過鐵路后到達廣州路站。

地鐵列車出入場線設置在兩盾構隧道之間，出入場線起止里程為RCK0+149.000～RCK0+290.000，長141 m。由與廣州路站相連的明挖段軌排井自北向南開挖，出入場線暗挖施工穿越里程為RCK0+227.878～RCK0+239.778，共長11.9 m(相交鐵路里程為：K41+292.391)，穿越鐵路向南繼續開挖50.3 m完成整個暗挖段施工。

盾構隧道在穿越鐵路軌道范圍內所采用的襯砌環增設注漿孔，每環共15個注漿孔。

暗挖隧道采用復合式襯砌結構，即拱部120°范圍內設置φ42 mm單排超前注漿小導管作為超前支護；邊墻布置系統錨桿：φ22 mm砂漿注漿錨管1.0 m(環)×0.5 m(縱)，L=3.5 m；初期支護：φ25 mm鋼筋制成的鋼拱架間距為50 cm；φ8 mm，間距150 mm×150 mm，全環單層布置；噴射混凝土厚35 cm的C25、P6抗滲混凝土；二次襯砌采用厚50 cm的C35、P10模筑混凝土，初期支護和二次襯砌間設置全封閉的隔水層，結合隧道所處地層及施工方法在隧道全環鋼架設2處鎖腳錨管。

由于盾構施工對地層的擾動小、機械化程度高、施工精度高，施工過程和工藝容易控制、穩定性好。其次，盾構隧道之間的間距較大，盾構左右線的施工互相影響較小。在先施工的礦山法施工的隧道對地層的擾動大，再加上施工完成后在盾構隧道間形成了一個疊加的沉降槽，對后期盾構施工造成影響。因此施工順序為盾構左線施工，然后進行盾構右線施工，待盾構隧道加固完成穩定后再進行暗挖隧道的施工。

廣州路站—興隆湖站盾構區間左線距敖家溝雙線大橋5號橋臺橋樁凈距為8.9～11.6 m；盾構區間右線距陳家房子雙線大橋0號橋臺橋樁凈距為27.8～30.49 m。大橋上部結構為簡支梁，樁基采用直徑為1.25 m的鉆孔樁，樁底高程為467.390 m，約高于盾構隧道軌面高程，而且此范圍內的地質為中風化砂巖、自穩性較好。

1.2 工程地質概況

地層主要由第四系全新統人工填土層(Q4ml)，第四系全新統沖積洪積層(Q4al+pl)、第四系全新統殘積坡積層(Q4el+dl)，白堊系上統灌口組泥巖、砂巖、礫巖(K2g)及白堊系下統天馬山組-侏羅系上統蓬萊鎮組泥巖、砂巖(K1t-J3p)組成。

2 數值計算模型

2.1 模型的確定

本研究通過建立三維有限元模型，對地鐵隧道、出入場線隧道與既有鐵路路基和橋之間的相互影響進行全過程數值模擬研究。根據實際情況模擬隧道埋深及隧道開挖，模擬計算采用FLAC3D軟件。為充分模擬隧道的三維空間效應，模型范圍沿縱向取100 m，沿橫向取160 m，深度取隧道仰拱下方60 m。模型約束為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由。計算中地層及初期支護采用彈塑性實體單元模擬，管棚及超前小導管采用彈性實體單元模擬，二次襯砌采用彈性實體單元模擬。在整個計算模型中，采用六面體單元映射劃分，橋樁由Pile單元進行模擬，建立的模型共170 703個節點，198 072個單元。三維數值計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2.2 計算參數的選取

本次參數選取參照地勘資料所建議的地層參數選取，由于地質條件較為復雜，故計算時認為合并參數較為接近地層，具體參數如表1所示，混凝土材料計算參數如表2 所示。

表1 地質勘察資料地層參數

表2 混凝土材料物理力學參數

2.3 計算考察對象

計算時，先進行盾構左線施工，然后進行盾構右線施工，待盾構隧道加固完成穩定后再進行出入場線(暗挖)隧道的施工。計算分為兩個考察對象：

(1)盾構隧道以及暗挖隧道施工對敖家溝雙線大橋5號橋臺橋樁的影響分析；

(2)盾構隧道以及暗挖隧道施工對成花鐵路股道的影響分析。

3 計算結果分析

3.1 盾構隧道及暗挖隧道施工對橋樁的影響

根據三維數值模擬計算得到各施工步時盾構隧道及暗挖隧道施工對敖家溝雙線大橋5號橋臺橋樁的豎向位移云圖，如圖2所示。

圖2 橋樁的豎向位移云圖(單位：m)

由圖2可知，當盾構左線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.65 mm，盾構右線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.70 mm，出入場線(暗挖)隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為1.12 mm。根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)[15]，最大沉降控制值為5 mm，計算得到開挖引起的沉降均遠遠小于控制值。且盾構隧道與既有鐵路橋主要處于中風化砂巖地層中，自穩性較好，所以認為隧道施工對樁基影響較小，現有設計能夠保證既有鐵路橋安全。

3.2 盾構隧道施工對成花鐵路股道的影響

盾構左線隧道以及盾構右線隧道開挖后，股道豎向位移如圖3所示。按照設計參數施工盾構左右線隧道施工后，股道最大沉降約為0.65 mm，最大10 m弦測量的高低差約為0.08 mm。根據《鐵路線路修理規則》[16]，最大10 m弦測量的高低差控制值為4 mm，計算得到最大10 m弦值遠遠小于控制標準。

圖3 盾構隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

3.3 出入場線暗挖隧道施工對成花鐵路股道的影響

(1)CD法施工

當采用CD法施工時，出入場線隧道開挖完時股道豎向位移云圖如圖4所示。隨出入場線隧道掌子面推進的股道沉降槽曲線如圖5所示。

圖4 出入場線隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

圖5 出入場線隧道施工后股道的沉降槽曲線

由圖4、圖5可知，采用CD法施工時，出入場線隧道開挖完成后股道最大沉降為1.76 mm；線路軌道10 m弦測量的高低偏差為0.73 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.13 mm。根據《鐵路線路修理規則》，最大10 m弦測量的高低差控制值為4 mm，計算得到最大10 m弦值遠遠小于控制標準。

(2)核心土臺階法施工

當采用核心土臺階法施工時，出入場線隧道開挖完時股道豎向位移云圖如圖6所示。隨出入場線隧道掌子面推進的股道沉降槽曲線如圖7所示。

圖6 出入場線隧道施工后股道的豎向位移云圖(單位：m)

圖7 出入場線隧道施工后股道的沉降槽曲線

由圖6、圖7可知，采用核心土臺階法施工時，出入場線隧道開挖完成后股道最大沉降為2.33 mm；線路軌道10m弦測量的高低偏差為0.81 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.17 mm。根據《鐵路線路修理規則》，最大10 m弦測量的高低差控制值為4 mm，計算得到最大10 m弦值遠遠小于控制標準。

對比兩種不同工法計算得到的沉降值可知，CD法施工時，地表沉降更小，CD法對控制地表沉降更有利。

4 現場監測

根據圖5與圖7中股道沉降槽的變化趨勢，得到下穿隧道施工對股道的影響區域。由于核心土臺階法對股道的影響更大，因此監測以核心土臺階法為依據。假設0.6 mm為影響閾值，那么可以得到施工影響范圍與監測布置如圖8所示，其中斜線部分為影響區域，寬44 m，縱向長36.5 m。隧道開挖經過此區域時，應加快施工速度，在保證施工質量的前提下，快速通過。由圖8可知，共布置了4個監測點，每個監測點相距7 m，監測結果如圖9所示。

圖8 施工影響范圍與監測布置示意(單位：m)

圖9 監測點豎向位移時程曲線

由圖9可知，監測點4沉降最大，但最大值僅為0.5 mm，可以視為監測誤差。監測結果與數值計算結果在數值上屬于同一數量級，但數值有一定差異。分析差異原因在于，數值模擬計算中，盾構計算未考慮注漿對地層的改良作用。同時，當注漿壓力較大時，地表會向上位移，因此施工中較小的位移是注漿引起的向上位移與開挖施工向下位移的共同結果。

監測結果也說明，礦山法中較強的支護措施、盾構施工中注漿措施能夠控制開挖對周邊環境的影響。

5 結論

本文在建立復雜三維數值模型的基礎上，對地鐵盾構隧道開挖進行模擬，獲取施工過程中地鐵隧道所引起的軌道沉降位移曲線，同時得到了下穿隧道施工對近接橋樁的影響。通過分析施工過程中近接地下空間的位移響應趨勢，判斷地鐵盾構隧道對周邊地下空間環境的影響。同時，對于采用CD法與預留核心土臺階法兩種工法進行了對比研究，并且提出了此兩種方法對地表鐵路股道的影響。通過數值計算得到了以下結論。

(1)當盾構左線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.65 mm，盾構右線隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為0.70 mm，出入場線(暗挖)隧道開挖后既有鐵路橋最大沉降為1.12 mm，均遠小于控制值5 mm。

(2)盾構左右線隧道施工后，股道最大沉降約為0.65 mm，最大10 m弦測量的高低差約為0.08 mm，遠遠小于控制標準。

(3)采用CD法施工時，出入場線隧道開挖完成后股道最大沉降為1.76 mm；線路軌道10 m弦測量的高低偏差為0.73 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.13 mm。采用核心土臺階法施工時，出入場線隧道開挖完成后股道最大沉降為2.33 mm；線路軌道10 m弦測量的高低偏差為0.81 mm，且股道最大橫向差異沉降僅有0.17 mm。根據計算結果可知，CD法施工時，地表沉降更小，CD法對控制地表沉降更有利。

(4)根據計算結果得到了隧道開挖施工對股道影響范圍，為寬44 m、縱向36.5 m的區域。根據影響范圍區域，提出了監測方案。根據監測可知，沉降最大值僅為0.5 mm，采用目前的設計方案施工可以保證成花鐵路的運營安全。

研究所得結論對復雜地下空間中的多重隧道施工具有一定的參考價值。

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