深埋礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路隧道影響研究

陳志勇

(健研檢測集團有限公司 福建廈門 361100)

0 引言

地鐵隧道在越來越多的城市中建設，給市民帶來方便，同時具有緩解城市交通壓力，但新建地鐵隧道難免存在下穿既有鐵路、隧道、公路等情況。在新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道時，必然擾動周邊巖土層，使應力重新分布，導致巖土體運動，產生隧道拱頂下沉、凈空收斂、地表不均勻沉降等。既有鐵路隧道亦產生變形、收斂、軌道面沉降等，當結構不均勻變形到達臨界強度時，隧道結構就會出現開裂破壞，嚴重的甚至出現塌陷，從而影響鐵路的正常運營。

新建地鐵隧道下穿既有隧道會產生一系列變形，眾多學者研究淺埋隧道下穿既有隧道相互間變形規律。沈剛[1]利用MIDAS研究深圳地鐵新建盾構隧道垂直下穿既有隧道相互影響機理；郭建寧等[2]利用三維有限元數值分析方法研究寧波地鐵隧道斜交下穿公路隧道對既有公路框架隧道的影響；梁建波[3]通過實測數據與有限元模擬分析廣州新建盾構區間下穿既有線沉降影響。江華等[4]采用數值模擬和現場實測相結合的方法分析北京新建盾構區間隧道下穿既有結構工程誘發的車站結構變形等。然而，目前國內對深埋隧道研究較少，雖然比起淺埋隧道影響較小，但在圍巖強度低、土質不好等情況下仍然會誘發較大變形。

本文通過數值模擬與現場實測相結合方法，以廈門某礦山法深埋隧道下穿既有鐵路隧道位研究背景，分析隧道開挖對上部鐵路隧道的變形情況以及新建地鐵隧道的變形規律，期為指導施工提供依據，優化設計參數，保證隧道開挖過程相互之間的安全穩定。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

廈門某礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路隧道，與既有鐵路隧道的交角為28°，區間隧道左右線結構頂距既有鐵路隧道結構底的距離約為38m。區間礦山法隧道鉆孔揭露巖層從上而下依次為：素填土、散體壯強風化花崗巖、碎裂強風化花崗巖和中風化花崗巖。隧道主要穿越地層為中風化花崗巖。根據地勘資料和工程巖體分級標準，研究范圍內的區間隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖。隧道上部地表無其他建構筑物。

1.2 深埋隧道界定及監測項目確定

研究范圍內區間隧道埋深約為34m～81m，隧道開挖直徑約7m，《城市軌道交通工程監測技術規范》[5]對隧道埋深大于3倍的開挖直徑，劃分為深埋隧道。不適用于采用地表沉降曲線Peck計算公式預測的方式對淺埋隧道劃分，建議對于影響區域的劃分參照接近度概念。因此，結合隧道埋深及周邊環境和相關地區監測經驗，依據《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》[6]對軌道交通地下工程影響范圍環境設施的相互鄰近程度及相互位置關系，推定該區間隧道地表“不接近”，屬于一般影響區外；其次，《鐵路隧道監控量測技術規程》[7]對隧道埋深大于3倍隧道直徑，地表沉降可不必測。綜上，本次新建隧道監測項目僅考慮隧道凈空收斂、拱頂沉降，未設置地表沉降監測，既有鐵路隧道結構沉降由相關自動化單位提供監測布點圖及數據。

2 數值模擬及分析

2.1 巖土體物理力學參數

計算模型中涉及的巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

2.2 模型建立

根據設計及工程地質資料，模型坐標原點位于模型底面，考慮地鐵隧道開挖影響范圍為(3～5)D，取x=y=100m，z方向高度根據實際地形取z=(57～112m)。根據區域實際情況，存在1條既有隧道，中風化花崗巖層按巖體強度等級分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖，各級圍巖按隧道掘進方向長度分別為25m、45m和30m；地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關系如圖1所示。

圖1 地鐵隧道與既有鐵線隧道空間位置關系

2.3 隧道開挖對既有鐵路隧道結構沉降的影響分析

新建地鐵隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖，在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交部位圍巖等級分別為Ⅳ級(鄰近Ⅳ、Ⅲ級圍巖交界面)、Ⅲ級(鄰近Ⅲ、Ⅱ級圍巖交界面)(下稱(右交、左交))。從圖2(a)模擬隧道開挖過程既有鐵路結構底板變形情況分析可知：

(1)在Ⅳ圍巖區間，即新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交這一區間，采用臺階法施工。臺階法施工有利于開挖面的穩定，尤其是上部開挖支護后，可以通過初支限制圍巖的變形。從圖2(b)可以看出，在該區間既有鐵路隧道結構沉降從0.85mm增加至1.15mm，在斜交處達到最大，說明在Ⅳ圍巖地質條件下地鐵隧道開挖對既有鐵路隧道產生一定沉降量。

(2)在新建隧道右線、左線與既有鐵路隧道斜交之間的區間隧道圍巖等級為Ⅲ級，為了降低隧道開挖對既有鐵路隧道的影響，在下穿既有鐵路隧道部位前后30m范圍采用臺階法，其他部分為全斷面開挖，從數值模擬的結果可知，Ⅲ級圍巖條件下，既有鐵路結構沉降趨于線性減少，從1.15mm降至0.60mm，說明圍巖強度越高，隧道開挖對既有鐵路沉降影響降低。

(a)

A—新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道相交處B—新建地鐵隧道左線與既有鐵路隧道相交處(b)圖2 新建隧道開挖開挖過程中既有鐵路隧道底板結構沉降變形情況

(3)在Ⅱ級圍巖區間，即左線與既有鐵路隧道斜交至最后部位，圍巖強度較好，采用全斷面開挖方式，沉降量從0.65mm降至0.50mm，既有鐵路隧道受影響越來越小，一方面圍巖強度越來越好，另一方面隧道開挖面與既有鐵路隧道距離越遠。

(4)在隧道開挖過程，既有鐵路隧道沉降位移云圖均勻，并沒有表現出不規則、突變情況。并且在Ⅳ圍巖強度，沉降最大為1.15mm。假定對既有鐵路結構沉降超過1.00mm為新建地鐵隧道對既有鐵路隧道的影響范圍，那么，影響范圍為新建隧道右線與既有鐵路隧道斜交處前后15m左右，即30m左右對既有鐵路隧道影響范圍。

2.4 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖凈空收斂變形分析

在數值模擬中取Ⅳ級圍巖、Ⅳ級(右交)、Ⅲ級(左交)、Ⅱ級圍巖，4個斷面來綜合分析新建地鐵隧道開挖的變形規律。

從圖3的4個側墻位移云圖可以看出，4個斷面位移云圖最大位移分別為1.0mm、0.8mm、0.4mm、0.3mm，對應的收斂位移值為2.0mm、1.6mm、0.7mm、0.5mm。新建隧道開挖對凈空收斂變形較小，圍巖性質越好，變形越小。新建隧道凈空收斂大小與圍巖強度等級有關，強度越高變形越小。

(a) (b)

(c) (d)圖3 Ⅳ級圍巖、Ⅳ級圍巖(右交)、Ⅲ級圍巖(左交)、Ⅱ級圍巖側墻位移云圖

2.5 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖拱頂沉降變形分析

(a) (b)

(c) (d)圖4 Ⅳ級圍巖、Ⅳ級圍巖(右交)、Ⅲ級圍巖(左交)、Ⅱ級圍巖拱頂沉降位移云圖

同分析隧道凈空收斂一樣，取相同部位的4個斷面(圖4)來分析新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道的沉降變形規律。從圖4可知，不同圍巖等級下新建隧道拱頂沉降最大位移為4.7mm、3.9mm、2.5mm、1.6mm，方向向下。新建地鐵隧道左右線拱頂沉降，在Ⅳ級圍巖下沉降量最大，Ⅱ級圍巖下沉降量最小，拱頂沉降變形規律同側墻變形規律：隨著圍巖強度的提高，隧道拱頂沉降變形越小，如表2所示。

表2 不同圍巖等級下各監測項累計變形最大值

3 現場監測數據分析

地鐵隧道施工監測運用于隧道開挖全過程，監測數據直接反饋隧道在初期支護下的變形大小，及時掌握施工過程出現的各種突變情況，以便確定和優化下一步施工參數，從而指導現場施工，對預防可能出現的事故具有重要指導意義。

3.1 現場主要監測布設情況

根據工程地質情況，對新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道部位左、右線各布設8個監測斷面，在Ⅳ圍巖以及下穿既有鐵路隧道位置布設2對收斂線，1個拱頂沉降監測點，布設間距為10m/斷面；其他圍巖條件下布設1條收斂線和1個拱頂沉降監測點，布設間距為15m/斷面。

在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交前10m，左線與既有鐵路隧道斜交后10m，共布設6個監測斷面，每個監測斷面在上部既有鐵路襯砌結構的拱腳處左右側各布設一個監測點，共計布設12個沉降監測點。布設情況如圖5所示。

圖5 新建地鐵隧道下穿既有鐵路隧道監測點平面圖

3.2 既有鐵路隧道結構沉降分析

由于既有鐵路隧道受鐵路管控，從相關自動化監測單位獲取數據并匯總如圖6所示。從圖6可知，既有鐵路隧道結構沉降先增大后減少，在新建地鐵隧道右線與既有鐵路隧道斜交處沉降最大，最大沉降量為1.3mm；在Ⅱ級圍巖也就是在第六個監測斷面既有鐵路隧道沉降最小，沉降量為0.4mm；在新建隧道開挖初期，既有隧道結構沉降量大于開挖后期，表現出圍巖強度越高、沉降越小。現場實測數據與模擬數據及變化趨勢一致，驗證了模擬的可靠性與準確性。

圖6 既有鐵路隧道結構沉降累計值

3.3 新建地鐵隧道拱頂沉降變形分析

(a)

(b)圖7 新建地鐵隧道左線、右線拱頂沉降累計變化值曲線圖

圖7數據總結如表3所示。由表3可見，隧道拱頂沉降累計最大值為6.2mm，右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：5.7mm、3.2mm，隨著圍巖強度的提高，變形越小。現場實測數據變化趨勢與數值模擬吻合。由于受施工現場初期支護滯后、注漿滯后等施工因素影響，監測值略大于模擬數據屬于正常情況。在隧道開挖后期，受初期支護結構作用，圍巖處于應力平衡狀態，圍巖穩定。

表3 現場實測下新建地鐵隧道拱頂沉降變形最大值

3.4 新建地鐵隧道凈空收斂變形分析

圖8數據總結如表4所示。由表4可見，新建地鐵隧道在Ⅳ級圍巖收斂最大，最大值為4.81mm；右、左線下穿斜交既有鐵路隧道收斂最大值分別為：3.66mm、2.79mm。新建隧道變形表現出圍巖強度越高，變形越小。隧道凈空收斂的變形趨勢與數值模擬相似，受現場爆破振動、支護滯后、開挖步距偏差、監測儀器的誤差等，監測值略大于模擬值屬于正常情況。隧道收斂在開挖初期的1～2月基本完成隧道的收斂變形，在監測后期，收斂趨于穩定。

(a)

(b)圖8 新建地鐵隧道左線、右線凈空收斂累計值變化曲線

表4 現場實測下新建地鐵隧道凈空收斂變形最大值

4 結論

為研究新建深埋地鐵隧道下穿既有鐵路隧道對既有鐵路結構沉降的影響，以及下穿過程中新建地鐵隧道拱頂沉降、凈空收斂的變化規律，通過對深埋地鐵隧道開挖過程數值模擬及現場監測數據對比分析，總結如下：

(1)從模擬數據可知既有鐵路隧道結構最大沉降量為1.15mm，并且在下穿部位都未出現突變等變化較大的情況，同時模擬數據與現場實測高度吻合，而《城市軌道交通工程監測技術規范》[5]對隧道結構沉降變形控制值為3mm～10mm。因此，在Ⅱ級～Ⅳ級圍巖下深埋隧道開挖對既有鐵路隧道的影響較小。

(2)現場監測結果與模擬結果反應出來的變形規律吻合，并且都表現為圍巖強度越高，變形越小。受現場初期支護滯后、不可避免地存在注漿空洞缺陷、監測儀器誤差等，圍巖強度等級越低現場監測數據變形略大于模擬數據，從而驗證了模擬結果的準確性。

(3)結合模擬數據與現場監測數據，Ⅳ級圍巖下的位移值約為Ⅲ圍巖變形值的2倍，因此，在深埋隧道施工中重點關注較低強度圍巖的安全穩定，其次關注上部既有鐵路隧道等周邊環境的影響。