廣深港高鐵深港隧道下穿地鐵1號線PBCRD工法數值計算研究

陳建樺,肖明清

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

隨著我國大規模開發地下空間，城市核心區域地下空間的開發逐漸立體化，同時產生了很多交通隧道近接既有工程的情況。洞樁法(PBA法)結合了淺埋暗挖法與蓋挖法，能有效控制地表沉降，且對地面交通與近接建筑物、地下管線的干擾小[1-2]。交叉中隔壁法(CRD法)能夠解決大跨淺埋隧道的圍巖穩定性問題[3]。因此，地下工程采用洞樁法或交叉中隔壁法被廣泛應用于淺埋大跨地鐵車站[4-9]。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[10]、小北站工程[11]、重慶地鐵6號線光電園站重疊段隧道工程[12]。張玉軍[12]、鄭余朝[13]、龔倫[14]等通過數值模擬的方法對隧道近接的施工力學問題進行了研究。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[15-16]。

本文利用數值模擬方法，針對廣深港高鐵某隧道在富水軟弱地層中下穿地下洞室群時，提出了采用PBCRD工法(Pile-Beam-Center Cross Diaphragm)(先墻后拱交叉雙隔壁法)施工。根據分析結果，對支護參數進行了優化并提出了施工對策。

1 工程概況與計算模型

1.1 工程概況

廣深港客運專線下穿深圳地鐵1號線的暗埋隧道位于福田車站南端，該段隧道下穿福華路地下商業街和深圳地鐵1號線會展中心—購物公園區間隧道結構，全長82.3 m。

隧道場地內自上而下分布以下地層。

(1)素填土：磚紅色，稍濕，松散，主要由粉質黏土堆填而成，含少量碎塊。

(2)淤泥質細砂：灰黑色，黑色，飽和，稍密，分選性較好，成分主要為石英，含有機質及黏性土，巖芯呈筒狀。

(3)淤泥：灰黑色，黑色，軟塑，有機質含量較高，土質黏滑，手抓巖芯起印模深，具臭味。

(4)粗砂：灰黃色，棕紅色，飽和，稍密，成分以石英為主，含少量黏性土，分選性一般。

(5)粉質黏土：硬塑，由花崗巖風化殘積而成，原巖結構尚可辨認，遇水易崩解，含約25%石英礫。

(6)花崗巖全風化帶：褐紅、棕紅、棕黃色，除石英外，其余礦物均已風化成高嶺土，巖芯呈土狀或土夾礫砂狀，土質堅硬，浸水易崩解，為Ⅲ級硬土。

(7)花崗巖強風化帶：褐黃色，強風化，巖芯呈碎塊狀，主要礦物成份為長石、石英，裂隙發育。

(8)花崗巖弱風化帶：肉紅色，弱風化，中粗粒花崗結構，塊狀構造，主要礦物成份為長石、石英，節理裂隙發育，巖芯呈柱狀。

擬建隧道場地位于深圳市南部沿海地帶，為海積平原，現均被人工改造。場地南部海積平原，地表水較發育，地表徑流密布，含水層分布廣、厚度大且連續穩定，地下水與地表水的水力聯系密切，互為補排關系明顯。

圖1 新建隧道周圍環境示意

客運專線隧道下穿地鐵1號線暗埋段隧道、福華路地下商業街、深圳地鐵1號線區間隧道。地表為益田路與福華路相交的十字路口，交通繁忙；地下一層為福華路地下商業街(有樁基礎)；地下二層為深圳地鐵1號線區間隧道(矩形斷面6.1 m×6.76 m，雙孔單線結構)；地下三層為新建暗挖隧道結構。新建隧道周邊環境示意如圖1所示。新建隧道為客運專線單孔雙線隧道，采用PBA法和CRD法相結合的PBCRD工法修建隧道。隧道超前支護主要采用拱部水平旋噴樁、側面注漿和拱部長管棚；隧道臨時支護主要采用鋼架和噴射混凝土；隧道初期支護主要采用“型鋼拱架+鋼筋網+噴射混凝土”；隧道二次襯砌為雙層鋼筋混凝土襯砌。本隧道設計的兩個控制性因素為地鐵區間隧道的沉降變形控制和地下商業街的樁基托換。隧道橫斷面如圖2所示。

圖2 高鐵隧道斷面及支護結構(單位：cm)

1.2 計算模型

利用MIDAS-GTS建立數值計算模型，建立的三維計算模型寬150 m，高60 m，縱向長62.4 m，共有369 412個單元，考慮滲流計算，模型邊界取最大開挖尺寸的4倍，模型如圖3所示。

圖4 施工工序示意

圖3 數值計算模型

其中，(1)模型的頂面為地表，地下一層為地下商業街，地下商業街內有支撐柱，地下商業街的樁基從地鐵附近穿過，進入到新建隧道范圍內。(2)地下二層為運營的深圳地鐵1號線區間隧道(矩形斷面6.1 m×6.76 m，雙孔單線結構)，既有地鐵與新建隧道十字垂直交叉。(3)地下三層為新建的暗挖隧道結構，采用PBCRD工法施工。導洞內施工圍護樁，圍護樁避開地下商業街樁。導洞采用臺階法施工，導洞只有一層初期支護。正洞采用CRD法施工，正洞設有臨時支撐、初期支護與兩層二次襯砌，第二層二襯作為安全儲備，此處沒有模擬。

施工共有14步：(1)開挖并施作兩導洞上臺階的初期支護；(2)開挖并施作兩導洞下臺階的初期支護；(3)施工導洞內的圍護樁；(4)施工導洞內的旋噴墻；(5)澆筑導洞內的冠梁；(6)澆筑導洞回填；(7)開挖正洞左上1部并閉合初期支護與臨襯；(8)開挖正洞右上2部并閉合初期支護與臨襯；(9)澆筑左上1部與右上2部的第一層二襯；(10)開挖正洞左下3部并閉合初期支護與臨襯；(11)開挖正洞右下4部并閉合初期支護與臨襯；(12)澆筑左下3部與右下4部的第一層二襯；(13)處理侵入的地下商業街樁；(14)拆掉正洞臨時支撐。工序如圖4所示。

1.3 計算參數

根據地質勘察與設計資料得到計算所需圍巖及支護結構力學參數如表1、表2所示。樁、隧道初期支護和二次襯砌采用彈性模型，圍巖采用Mohr-Coulomb模型模擬。

表1 圍巖力學參數

表2 支護結構力學參數

2 計算結果分析

2.1 位移結果

2.1.1 地鐵地板變形結果

高鐵隧道的修建應保護已運營的地鐵隧道。根據數值模擬計算得到地鐵底板沉降如圖5、圖6所示。圖5為關鍵施工環節下的地鐵底板沉降分布云圖。圖6為地鐵底板縱向中心線的沉降槽隨施工推進的變化曲線。

2.1.2 地下商業街樁基變形結果

圖7為緊鄰既有地鐵的地下商業街樁頂沉降變化曲線。由圖7可知，地下商業街左側樁樁頂的最大沉降為5.5 mm，中間樁樁頂的最大沉降為4.7 mm，右側樁樁頂的最大沉降為7 mm，樁頂沉降在可控范圍內；設計規定地下商業街相鄰樁基的沉降差應小于0.0012L(L為相鄰樁基的中心距)，地下商業街相鄰樁的最大沉降差為3.7 mm，地下商業街相鄰樁基的沉降差也符合要求。

圖5 地鐵底板沉降分布(單位：mm)

圖6 地鐵底板縱向中心線沉降隨施工推進的變化曲線

圖7 樁頂隨施工豎向位移曲線

2.1.3 正洞拱頂豎向變形結果

圖8為正洞拱部豎向位移情況。

由圖8(a)可知，正洞初期支護豎向位移沉降兩端小中間大。由圖8(b)可知，對于與既有地鐵縱向對稱面對應的正洞橫截面，左上初期支護拱頂的最大沉降為5 mm，右上初期支護拱頂的最大沉降為4.3 mm，均小于設計規定，符合要求。

2.2 結構應力結果

2.2.1 正洞初期支護與臨時支撐的應力

正洞的每一分部開挖后，支護及時封閉成環。圖9為正洞初期支護與臨時支撐的最小主應力分布情況(縱向長度對應地鐵及兩側各4.8 m)。

圖8 正洞拱部初期支護豎向位移

圖9 正洞初期支護與臨時支撐的最小主應力云圖(單位：kPa)

由圖9可知：(1)正洞左上1部在初期支護臨襯閉合后，初期支護與臨時支撐的最大壓應力為16.7 MPa；在正洞右上2部的初期支護與臨時支撐閉合后，初期支護與臨時支撐的最大壓應力為16.9 MPa；在正洞左下3部的初期支護與臨時支撐閉合后，初期支護與臨時支撐的最大壓應力為18.4 MPa；在正洞右下4部的初期支護與臨時支撐閉合后，絕大部分區域的壓應力小于19 MPa，最大壓應力為33.5 MPa，但所占比例相當小；在施作第一層二襯后，正洞初期支護與臨時支撐的受力性狀將明顯改善，判斷能否拆掉臨時支撐需根據第一層二襯的受力情況。總體而言，正洞初期支護與臨時支撐安全。(2)在閉合正洞右下4部的初期支護與臨時支撐、拆掉正洞臨時支撐這兩個環節，最大壓應力均發生在侵入的地下商業街樁與初期支護底板的相交處，施工時應采取措施降低此處的應力集中。(3)除了侵入的地下商業街樁與正洞初期支護相交處容易引起應力集中外，初期支護、臨時支撐與導洞、圍護樁的相交處，初期支護與臨時支撐的相交處，水平臨時支撐與豎向臨時支撐的相交處等結構的交接部位也容易發生應力集中，設計時可在這些部位設計圓角過渡。(4)對于正洞的臨時支撐，當封閉后，水平臨時支撐的最大壓應力為8.5 MPa，豎向臨時支撐的最大壓應力為17.8 MPa，當考慮到臨時施工荷載，應加強豎向臨時支撐的監測。

2.2.2 第一層二襯的應力

圖10為正洞第一層二襯的最小主應力分布情況(縱向長度對應地鐵及兩側各4.8 m)。

由圖10可知：(1)第一層二襯的最大壓應力逐漸增大，最終的最大壓應力為9.4 MPa，小于混凝土的抗壓強度設計值，結構安全；(2)導洞部位第一層二襯混凝土澆筑完后，開挖3部使第一層二襯的最大壓應力由0.2 MPa增大到3.3 MPa，應力顯著增加，因此建議導洞以上的第一層二襯混凝土澆筑完后，等到拱部第一層二襯達到設計強度后，再開始開挖正洞下部；(3)在處理侵入的地下商業街樁前后，第一層二襯的最大壓應力均發生在侵入的地下商業街中間樁與第一層二襯上拱部的交界處，截斷地下商業街的樁使第一層二襯的最大壓應力由3.4 MPa增大到7.5 MPa，處理大直徑的侵入樁顯著增大了第一層二襯的最大壓應力，易引發安全事故。

2.2.3 地下商業街樁基底端在新建隧道拱頂上

當地下商業街樁基貫穿新建隧道導洞與正洞，這在一定程度上相當于“超前支護”，對于新建隧道的開挖是有利的。若地下商業街樁基底端恰好在新建隧道正洞與導洞拱頂，意味著開挖隧道后樁基就懸空，此時為最不利工況，如圖11所示。

圖10 正洞第一層二襯的最小主應力云圖(單位：kPa)

由圖12可知：地鐵底板最大沉降為11.4 mm，地下商業街樁頂的最大沉降差為2.3 mm，靠近地鐵前側的地下商業街樁的最大軸力為1 967 kN，最大彎矩為522 kN·m。在此最不利情況下，結構的受力與變形仍在可控范圍內。圖12為靠近地鐵前側的地下商業街樁位移與內力云圖。

圖11 樁基底端于隧道拱頂工況

圖12 靠近地鐵前側的地下商業街樁位移與內力云圖

3 現場監測

監測范圍為客運專線隧道3倍的隧道斷面直徑，斷面間距為客運專線隧道的半徑。上、下行線各設11個斷面，隧道中線2倍直徑范圍內，斷面間距為5 m，2倍直徑之外為10 m，監測斷面布置如圖13所示。以S04-S7點為例，豎向位移監測結果如圖14所示。

圖13 監測斷面布置

圖14 豎向位移監測曲線

將沉降監測結果與數值模擬結果對比可知，監測結果與數值計算結果在數值上屬于同一數量級，數值差異不大，數值計算結果相對保守，本數值計算模型結果可為設計、施工提供參考。

4 施工對策

根據前文對結構安全性的分析，針對保護1號線地鐵運營與地下商業街的實際需求，為保障地下洞群的安全，提出以下施工對策。

(1)在地下商業街樁基兩側的孔樁上設置水平錨桿(長5 m、豎向間距1 m)。

(2)應及時封閉掌子面和及時施工初期支護。

(3)當既有地下結構有樁基侵入新建隧道時，要制定詳細的處理方案。對于大直徑侵入樁，有可能完全侵入隧道，也可能部分侵入，要根據具體情況分析。侵入樁樁底土體開挖后，應及時用千斤頂臨時支撐。當樁基侵入隧道導洞時，將冠梁主筋貫通植入樁基內，不進行鑿除作業。當樁基侵入正洞時，要對樁基進行托換。樁基托換采用被動托換方式，將鑿除后的樁基作用在隧道結構上。

5 結論

結合工程實際，通過數值模擬方法，分析了廣深港客運專線某隧道下穿深圳地鐵1號線與地下商業街采用PBCRD工法的施工安全性，得出以下結論。

(1)采用PBCRD法施工，地鐵底板各點的沉降均逐漸加大，最大沉降為9.95 mm，沒有超過設計規定的10 mm；地下商業街相鄰樁的最大沉降差為3.7 mm，地下商業街相鄰樁基的沉降差符合要求；初期支護拱頂的最大沉降為5 mm，小于設計規定，符合要求。

(2)對PBCRD法整個施工過程進行了模擬，計算分析了地鐵結構、地下商業街樁基、導洞初期支護、圍護樁、正洞初期支護、正洞臨時支撐、正洞第一層二襯受力規律，掌握了新建隧道導洞與正洞、既有地鐵隧道、地下商業街樁基相互作用的成因和發展變化規律。

(3)當地下商業街樁基底端就在新建隧道拱頂上時，地鐵底板最大沉降為11.4 mm，地下商業街樁頂的最大沉降差為2.3 mm，靠近地鐵前側的地下商業街樁的最大軸力為1 967 kN，最大彎矩為522 kN·m。在此最不利情況下，結構的受力與變形都還在可控范圍內。

(4)采用PBCRD法施工的結構整體性較強，受力轉換過程較少，施工空間較大，導洞空間大，二次襯砌工序減少。同時，PBCRD法在保證施工安全的前提下，也能夠保證近接建筑物的安全。

(5)為保障地下洞群的安全，提出了施工對策：采用高壓水平旋噴樁改良地層；及時封閉掌子面，并及時施作初期支護；針對樁基侵入新建隧道的情況制定詳細的處理方案。

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