上中隔壁下雙側壁預錨錠工法在清華園隧道上穿地鐵15號線中的應用

凌云鵬 劉 方 呂 剛 王文謙 張宇寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近年來，隨著我國基礎交通設施的大力發展，鐵路建設的步伐也在逐漸加快，高速鐵路迎來了一輪新的建設高潮[1-3]。受鐵路線形和城市線網規劃的影響，高速鐵路不可避免地會與既有城市軌道交通產生立體交叉，對既有軌道交通的安全運營產生較大的影響[4-7]。

在北京、上海、廣州等一線城市，隨著其城市軌道交通網絡的加密，新建工程近接既有軌道交通的案例逐漸增多[8-12]。陳建樺[13]通過數值模擬的方法對廣深港客運專線隧道下穿深圳地鐵3號線隧道的施工力學問題進行研究，得出采用三臺階法施工時結構位移和安全系數能夠滿足運營要求的結論，并提出了“管棚預支護+旋噴樁”安全措施；梅勇文[14]對沈陽某隧道上跨地鐵區間隧道的施工進行分析和研究，提出設置“抗拔樁+坑內外加固”等控制既有隧道變形的措施。張文超等[15]對新建地鐵隧道下穿既有隧道進行數值模擬，得出了隧道近接施工過程中既有隧道的變形規律。周力軍[16]通過對地鐵隧道下穿市政隧道的分析和研究，提出了下穿市政隧道的保護措施。陳城等[17]對北京地鐵8號線區間隧道下穿地鐵10號線區間隧道進行數值模擬，通過優化超前注漿范圍，確保了既有地鐵隧道的安全運營。

大量案例的分析表明，大部分近接工程都是以下穿為主，上穿既有隧道的較少。對于新建工程下穿既有隧道，目前常用的措施有加強超前支護和合理的施工方法，如大管棚超前支護，三臺階臨時仰拱法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等[18-20]，而對上穿既有隧道工程的情況，常規施工方法難以控制既有隧道的上浮，尤其是在粉質黏土、卵石土等軟弱圍巖中，有必要引入新的施工工法來確保既有工程的安全運營。

以京張高鐵清華園隧道近距離上穿北京地鐵15號線為工程背景，提出一種新的施工方法：上中隔壁下雙側壁預錨錠工法，并通過數值模擬和現場實測，對該工法的實施效果進行驗證。

1 工程概況

1.1 新建工程概況

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區，于學院南路南側入地，于五環內出地面，進口里程DK13+400，出口里程DK19+420，全長6020 m。全隧依次下穿學院南路、北三環路、知春路、地鐵10號線、北四環路、成府路、雙清路。全隧近距離并行地鐵13號線，并穿越3處地鐵、6處主要市政道路及大量重要市政管線，對軌道交通等基礎設施的安全運營產生較大影響。

清華園隧道全線平行地鐵13號線，并于DK18+539處上穿地鐵15號線折返線，該處左線線路中線與地鐵13號線橋梁樁基礎的距離為19 m，埋深5.1 m，與地鐵15號線隧道之間的凈距為0.8 m，且該段落附近存在多處天然氣、電力和雨水管道，遷改困難，只能采用暗挖法施工，其位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 新建清華園隧道與地鐵平面位置關系(單位：m)

圖2 新建清華園隧道與地鐵立面位置關系(單位：cm)

地層以第四系全新統人工堆積(Q4ml)雜填土和第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)為主，自上至下地層依次為雜填土、粉土、粉質黏土、卵石土、細圓礫土。隧道基底主要是粉質黏土，圍巖級別為Ⅵ級。

1.2 既有地鐵概況

與該段并行的地鐵13號線高架橋墩基礎為直徑1 m的鉆孔灌注樁(摩擦+端承樁)，樁長25 m或34 m。軌道結構為無砟軌道，60 kg/m鋼軌。

該段15號線為雙線暗挖隧道(高10.02 m×寬12.3 m)，采用“初期支護+二次襯砌”的復合式襯砌結構。初期支護(厚度0.35 m)采用C20噴射混凝土，格柵鋼架，鋼架間距0.5 m；二次襯砌(厚度0.6 m)采用C40鋼筋混凝土，抗滲等級為P10，如圖3所示。軌道結構類型為無砟軌道，60 kg/m鋼軌，且上穿影響范圍內存在1組交叉渡線(9號道岔)。

該段落施工難度大，安全風險高，施工過程中如何控制15號線的上浮是一個亟待解決的問題，目前國內暫無如此近距離上穿地鐵隧道的先例。

2 設計方案

2.1 復合式襯砌設計

上穿15號線暗挖段埋深約5.1 m，與15號線凈距為0.8 m，與13號線橋梁樁基礎的凈距為13.9 m。采用上中隔壁下雙側壁預錨錠工法施工，其中上臺階設置臨時中隔壁和臨時仰拱，必要時中隔壁延伸至隧道底部。暗挖段采用復合式襯砌，曲墻帶仰拱結構，初支厚度為35 cm，采用格柵鋼架，鋼架間距為0.6 m，二次襯砌拱墻厚度為50 cm，仰拱厚度為60 cm。側導洞初期支護厚度為22 cm，采用I16型鋼鋼架，鋼架間距為0.6 m；臨時中隔壁和臨時仰拱厚度為22 cm，采用I18型鋼鋼架，鋼架間距為0.6 m。復合式襯砌斷面見圖3。

圖3 復合式襯砌斷面(單位：cm)

為了保證鋼架拱腳的穩定，在上臺階鋼架處設置擴大拱腳，并在側導洞內設置C30鋼筋混凝土，作為上臺階鋼架擴大拱腳的基礎。

2.2 抗浮錨索設計

為控制15號線上浮，在兩側導洞擴大基礎內設置了預應力錨索，擴大基礎分兩次澆筑。在15號線兩側新建隧道左、右側導洞擴大基礎腳趾上各設置3道預應力錨索(共計36道預應力錨索)。

預應力錨索為5φ15.2 mm鋼絞線，長度分別為25 m、30 m，設計拉力分別為600 kN、700 kN，錨固段長度均為14 m，打設角度為90°(垂直于地面)。預應力錨索布置如圖4、圖5所示。

圖4 預應力錨索立面布置(單位：cm)

圖5 預應力錨索平面布置

預應力錨索采用分批張拉的方式，先張拉擴大基礎內的12根預應力錨索至設計值，再依次張拉其余錨索，直至張拉至設計值。

3 數值分析

為了驗證技術方案的合理性，采用FLAC3D有限差分軟件對暗挖上穿15號線施工過程進行數值模擬。

3.1 計算模型及參數

圖6 整體三維模型

三維模型的尺寸為80 m×64 m×62 m，其中沿新建隧道和既有15號線隧道方向長度分別為64 m、80 m，模型如圖6、圖7所示。模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。隧道圍巖采用M-C模型，其余材料采用線彈性本構模型，圍巖及隧道襯砌單元采用Solid45單元，圍巖及隧道支護結構力學參數見表1。

圖7 清華園隧道與地鐵15號線相對空間位置

表1 計算參數

3.2 計算工況

采用上中隔壁下雙側壁預錨錠工法來模擬隧道的施工過程，具體施工工序如表2所示。

表2 施工工序

3.3 結果分析

(1)15號線豎向變形分析

隧道開挖完成后，地鐵15號線豎向變形如圖8所示。

圖8 15號線軌道豎向位移

計算完成后，15號線軌道最大上浮值為1.35 mm，位移基本沿15號線隧道縱向對稱分布。

(2)15號線二襯受力分析

清華園隧道施工過程中，引起15號線出現上浮，對15號線二次襯砌受力產生影響。施工完成后，15號線二次襯砌最大拉應力如圖9所示。

圖9 15號線二次襯砌最大拉應力

由圖9可知，隧道施工完成后，最大拉應力出現在交叉位置附近，主要分布于拱腰位置，最大拉應力值為1.1 MPa，小于GB50010—2010《混凝土結構設計規范》規定的1.71 MPa，表明二次襯砌安全。

(3)錨索對抗浮的作用分析

以15號線軌道為研究對象，分析錨索的抗浮作用。隧道施工完成后，施加錨索和不施加錨索情況下，15號線軌道沉降曲線如圖10所示，錨索受力如圖11所示。

由圖10可知，在無錨索情況下，15號線軌道最大上浮值為4.16 mm；有錨索情況下，最大上浮值降低至1.35 mm。通過圖11可知，施工完成后，錨索最大軸力為541 kN，與設計值比較接近。施加錨索后的位移和受力分析表明，預應力錨索對15號線的上浮有顯著的控制作用。

圖10 15號線軌道豎向變形曲線圖11 錨索軸力

4 現場實測

為了保證隧道施工過程中15號線的安全運營，驗證支護結構和施工方法的合理性，在上穿范圍內設置9個監測斷面，每個監測斷面設置4個軌道沉降監測點和2個襯砌沉降監測點，共計36個測點，現場監測點具體布置如圖12、圖13所示。

圖12 監測點平面布置

圖13 監測點橫斷面布置

隧道開挖完成后，選取靠近隧道中線的GDC01-1～GDC09-1測點為研究對象，以清華園隧道中線與15號線隧道中線交叉點為中心(x=0)，得出沿15號線方向的軌道豎向變形曲線(如圖14所示)。

圖14 15號軌道豎向變形實測曲線

從圖14可知，隧道開挖完成后，15號軌道最大上浮1.05 mm，且上浮曲線基本呈對稱分布。

選取受施工影響最大的GDC4-1～GDC6-1為研究對象，該暗挖段施工時間為2018年4月22日～2018年12月28日，在此施工期間，監測點位移隨時間的變化曲線如圖15所示。

圖15 15號軌道豎向變形隨施工進度的實測曲線

通過對圖15的分析可知，隨著開挖的進行，15號線軌道上浮值越來越大，開挖完成后，其上浮值基本趨于穩定，最大上浮值為1.2 mm，與數值模擬計算結果基本一致，小于運營單位提出的道岔區2 mm的控制指標。

5 結論

以京張高鐵清華園隧道上穿北京地鐵15號線區間隧道為工程背景，詳細論述了設計方案，對設計方案進行了數值模擬計算以及現場監控量測，結論如下：

(1)數值模擬結果表明，施工過程中，15號線軌道最大上浮值為1.35 mm，小于運營單位提出的道岔區2 mm的控制指標，二次襯砌最大拉應力為1.1 MPa，滿足現行規范規定的限值，能夠保證15號線的安全運營。

(2)對有無錨索工況的對比分析表明，施加錨索后，15號線軌道上浮值降低至1.35 mm，且錨索軸力與設計值較為接近，說明在側導洞內施加錨索可以有效控制15號線隧道的上浮。

(3)現場監測表明，地鐵15號線軌道上浮最大值為1.2 mm，證明了設計方案的合理性。