新建隧道超小凈距下穿既有隧道施工沉降規律研究

王美霞，趙鳳凱

(青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266000)

1 工程概況

青島地鐵8#線區間線路全長99.232 m，采用礦山法施工，區間隧道以單洞單線形式敷設，線間距37 m，平面線型為直線。其中，青滄區間左線里程ZDK47+540.430～ZDK47+670下穿已運營地鐵3#線永青區間，采用非爆破暗挖法施工，先下穿3#線右線，平面角度約16°，后下穿3#線左線，平面角度約17°，縱斷面坡度為30‰～2‰(西高東低)。

青島地鐵3#線于2015年12月16日北段通車運營，全線開通運營時間為2016年12月18日。3#線線間距10.235～13 m，平面線型為圓曲線、緩和曲線，縱斷面坡度為13‰(西低東高)，采用礦山法爆破施工。下穿段范圍內，3#線右線YDK24+160～YDK24+242.004列車運行速度72.5 km/h，左線ZDK24+108～ZDK24+200列車運行速度74.5 km/h。

8#線拱頂至3#線底板距離為0.445～4.247 m。8#線洞身位于中、微風化花崗巖，設計為VI級圍巖，巖石強度單軸飽和抗壓強度最大43 MPa。地下水以第四系孔隙潛水、基巖裂隙水為主，地下水量中等。

2 沉降規律數值模擬分析

2.1 數值模型建立

計算采用巖土有限元分析軟件MIDAS/GTS建立整體三維有限元模型進行計算分析。模型建立在如下簡化與假設基礎上：3#線和8#線均處于最不利地層條件選定，模型自上而下地層劃分為雜填土、強風化下亞帶、中風化節理發育帶、微風化節理發育帶；初始應力假定為自重應力場，即各土層均呈勻質水平層狀分布切同一土層各向同性，結構體變形、受力均在彈性范圍內；不考慮地下水影響。

以地鐵8#線線路方向為Y軸，其垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析。為消除模型邊界效應，X軸方向取120 m，Y軸方向取80 m，Z軸(深度)方向取60 m。由此建立的模型如圖1所示。模型計算采用4節點四面體單元和8節點六面體單元，共包含356 267個單元和77 247個節點。計算模型中各地層物理力學參數見表1。

表1 地層物理力學參數

圖1 數值計算模型

模型中除自重外，考慮列車荷載。列車車軸重140 KN，六輛編組，單輛列車荷載如圖2所示。

圖2 列車豎向活載圖

2.2 計算結果分析

地鐵3#線區間右線隧道結構沉降云圖見圖3?？芍?，地鐵8#線右線開挖完成后，地鐵3#線最大沉降發生在右線區間，沉降部位位于隧道拱頂，最大沉降值為0.000 7 mm,水平位移為0.011 6 mm。

圖3 右線隧道結構沉降云圖

地鐵3#線區間左線隧道結構沉降云圖見圖4?？芍罔F8#線左線開挖完成后，地鐵3#線最大沉降發生在左線區間，沉降部位位于隧道拱頂，最大沉降值為0.283 mm,水平位移為0.000 5 mm。

圖4 左線隧道結構沉降云圖

綜上分析，地鐵8#線隧道開挖對既有3#線結構變形影響較小，3#線結構變形主要表現為豎向位移，水平位移可忽略不計，影響最大工況為8#線左線掌子面距3#線最近時工況，最大豎向位移為0.393 mm，最大水平位移為0.000 5 mm，滿足3#線結構安全要求。

3 沉降規律現場監測數據分析

3.1 監測布設概況

為保證既有地鐵3#線永青區間在8#線下穿施工過程中的運營安全，對既有地鐵區間隧道結構采用自動化監測，監測區段里程DK24+100～DK24+250，監測范圍為150 m。監測點布設于隧道主體，雙線雙洞。既有地鐵3#線永平青區間監測點布置。測量初始值采集時間為2019年2月22日，截止2019年9月25日完成測量工作。

3.2 監測沉降數據分析

通過在地鐵3#線隧道內布設自動化監測設備，24 h實時監測3#線軌道沉降、結構收斂等數據變化情況。經監測可知，地鐵3#線永青區間隧道各項監測數據正常，運營地鐵3#線結構的累計沉降值控制在2 mm以內，遠低于運營3#線結構沉降控制值5 mm。地鐵3#線永青區間左右線隧道監測點沉降曲線見圖5。

圖5 隧道監測點沉降曲線圖

4 施工難點及控制措施

(1)下穿段隧道開挖采用非爆開挖，減少土體及巖體間震動，降低地鐵3#線拱底下沉及沉降。經過充分的方案論證，采用懸臂掘進機進行下穿段開挖施工。

(2)采用臺階法開挖，開挖完成后及時施做初期支護，嚴格控制開挖進尺與開挖輪廓。

(3)實施自動化監測，采用測量機器人、小棱鏡等監測設備，24 h實時監測地鐵3#線軌道沉降、結構收斂等數據變化情況。

(4)實施運營安全評估與限速，下穿施工期間，列車通過速度限速為30 km/h。

5 結 論

(1)通過數值計算得出下穿過程中既有隧道左線和右線結構變形均在安全控制范圍之內。因有限元理想彈塑性模型及土工試驗報告與實際情況會存在偏差，導致計算結果與實際產生一定的差異。

(2)建立完善的監測方案、監測方法和施工應急預案，并制定監測控制指標和監測預警值，實施24 h自動化監測，并將列車運行速度調整為15～30 km/h，確保既有線路運營的安全。

(3)采用懸臂掘進機進行掘進施工，對圍巖擾動極小，提高隧道機械化施工程度及其配套施工技術并降低施工安全風險，減少爆破對已運營的3#線軌面影響。進一步驗證，懸臂掘進機特別適用對周邊圍巖擾動要求等級較高的隧道施工，具有快速高效、節約成本、降低安全風險等優點。