新建地鐵隧道下穿既有洞室的施工安全控制

宋林俐

（重慶市設計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

近些年，重慶主城區(qū)開始大量建設地鐵，設計施工過程中經(jīng)常遇到近接其它建（構(gòu)）筑物的問題[1]，此類情況在早期開展地鐵建設的沿海城市已較為普遍。 但是，重慶主城區(qū)地質(zhì)條件與沿海城市完全不同，重慶主城區(qū)主要為砂泥巖地層，巖體完整性較好，隧道開挖過程中的圍巖變形相對較小。 因此，如完全照搬其它城市的設計與施工經(jīng)驗[2-4]，一方面施工安全的控制效果可能較差，另一方面將導致極大的工程投資浪費[5]。

本文以下穿既有洞室的重慶市地鐵五號線某段區(qū)間隧道為案例，討論其施工安全控制的分析方法，總結(jié)工程建設既安全又經(jīng)濟的施工方案。

1 工程概況

重慶市地鐵五號線區(qū)間隧道正交下穿既有電力隧道，分左右雙線，隧道限界為5.2m。電力隧道采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，為圓拱直墻結(jié)構(gòu)形式， 凈寬2.4m， 凈高2.3m。 區(qū)間隧道軌面設計高程為221.565m，與電力隧道結(jié)構(gòu)凈距最小為3.5m。

該區(qū)域為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，沿線上覆土層厚3.3～12.1m，主要為素填土及粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖夾薄層狀的砂巖，砂巖多以薄層狀或透鏡體形式出露，地下水量較小。巖土體物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2 地鐵隧道開挖塑性區(qū)半徑計算

在重力場作用下，σH=σV。 根據(jù)摩爾-庫倫強度屈服準則，地鐵隧道圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)的應力σr和σθ滿足下式[6-7]：

同時滿足下列平衡條件：

由此可得：

在此基礎上可推導出圍巖塑性區(qū)內(nèi)的應力。

式中：c——圍巖的粘聚力；Φ——圍巖的內(nèi)摩擦角；a——開挖洞室半徑；σa——洞室開挖面上的壓力。

對于塑性區(qū)邊界上的任一點，同時滿足下列條件：

由此確定塑性圈半徑為：

式中：R——塑性圈半徑；Φ——圍巖的內(nèi)摩擦角；a——開挖洞室半徑；σ0——巖體初始應力。

由此計算地鐵隧道開挖引起的塑性圈半徑R=3.19m，與二者結(jié)構(gòu)凈距3.5m 相比，地鐵隧道施工風險較大，為了減小施工對電力隧道的影響，開挖前需采用超前預注漿對其拱部圍巖進行加固處理。

3 地鐵隧道施工影響范圍分析

因為電力隧道是已建隧道，地鐵隧道施工過程中，有必要估計其影響范圍，以提前對該范圍內(nèi)的電力隧道加強觀測。 現(xiàn)采用有限元數(shù)值計算方法，模擬地鐵隧道施工過程，通過分析計算結(jié)果以確定施工影響范圍[8-11]。

3.1 計算模型

因為電力隧道和地鐵區(qū)間隧道為空間交疊的位置關系，為準確反應地鐵隧道施工對電力隧道的影響， 故采用三維數(shù)值計算模型。考慮邊界效應影響，模型寬度取值為100m， 高度取值67m，長度取值130m。水平邊界上采用橫向位移約束， 底部邊界采用豎向位移約束，上邊界為自由邊界。計算模型如圖1 所示。

圖1 三維計算模型

有限元三維計算模型為離散后的三維網(wǎng)格計算模型。 建模過程主要考慮地質(zhì)因素， 并進行了合理簡化。 一是因巖層強風化層較薄，因此將其視為填土層；二是巖層中風化巖層包括泥巖、 泥質(zhì)砂巖和砂巖等，其中，中風化泥巖的參數(shù)最弱，為降低建模難度，各中風化巖層統(tǒng)一按泥巖力學參數(shù)進行取值。 因此，簡化后的模型巖土層分為兩層，第一層是填土層，厚度為6.5m，第二層是中風化泥巖層，厚度為60.5m。

地鐵隧道施工過程中對圍巖采用了超前注漿措施，對加固后的圍巖力學指標作如下處理：彈性模量、塑性指標在原參數(shù)值基礎上提高30%，圍巖重度提高10%，泊松比取0.3。

3.2 電力隧道圍巖變形

圖2 為地鐵保護區(qū)內(nèi)電力隧道和地鐵隧道開挖后圍巖位移云圖。

圖2 圍巖位移分布云圖（m）

為了觀察電力隧道施工對地鐵隧道開挖后圍巖變形的影響，現(xiàn)取交疊段地鐵隧道洞周關鍵點（拱頂、仰拱和左右邊墻）處圍巖位移計算結(jié)果，以地鐵隧道受影響范圍外某處圍巖位移為基準點，繪制成圍巖相對位移曲線，如圖3 所示。 其中，拱頂、仰拱處圍巖位移為豎向，邊墻處圍巖位移為水平向。 圖中橫坐標為地鐵隧道縱向距離，“0”值對應電力隧道與地鐵隧道襯砌中線相交處，縱坐標為圍巖相對位移值。由圖3可知， 在兩個隧道相交處， 地鐵隧道拱頂和仰拱處圍巖相對位移最大， 而越偏離相交點， 其相對位移值越小。 在兩個隧道相交處10m 范 圍 內(nèi)，地鐵隧道左右邊墻相對位移值均較大。

總的來看，電力隧道施工對地鐵隧道拱頂處圍巖變形影響最大， 從影響范圍來看， 對圍巖變形影響范圍約為20m。

圖3 地鐵隧道洞周圍巖相對位移曲線

3.3 既有隧道結(jié)構(gòu)位移

為了便于觀察沿電力隧道縱向襯砌的附加位移變化規(guī)律，現(xiàn)提取相關節(jié)點位移值， 繪制成曲線，如圖4 所示。圖中橫坐標為電力隧道沿縱向距離， 縱坐標為地鐵隧道開挖引起的電力隧道襯砌總位移值。 圖中所示地鐵左右線分別對應為電力隧道與地鐵隧道左右線相交位置。

圖4 電力隧道襯砌總位移曲線

從圖4 可以看出，地鐵隧道開挖后，電力隧道拱頂引起的附加位移最大值約為0.7mm，位于地鐵左右線之間的段落；電力隧道左右邊墻的附加位移變化趨勢基本相同，最大附加位移值約為0.7mm，同樣位于地鐵左右線之間的段落。地鐵隧道開挖對電力隧道襯砌位移的影響范圍約為40m（沿電力隧道縱向）。

3.4 注漿長度影響

取縱向注漿長度分別為6m、12m、15m、18m、21m 五 種 工 況 進行計算，分析地鐵隧道開挖引起的電力隧道襯砌附加位移、主應力和地鐵隧道圍巖位移變化趨勢。

圖5、 圖6 分別為電力隧道襯砌位移和主應力峰值的變化曲線。 由圖可知，隨著注漿長度的增大，其峰值位移減小，但在注漿長度達到12m 后，位移變化趨于收斂；襯砌第一主應力峰值則變化不明顯；第三主應力在注漿長度由6m 變化到12m 時下降很快， 而后隨著注漿長度增加，主應力峰值下降幅度減小。

圖5 電力隧道襯砌位移峰值變化曲線

圖6 電力隧道襯砌主應力峰值變化曲線

圖7 電力隧道正下方地鐵隧道圍巖位移變化曲線

圖7 為電力隧道正下方地鐵隧道典型斷面關鍵點的圍巖位移變化曲線。 從圖中可以看出，隨著注漿長度增加，隧道拱頂處位移沉降量逐漸減小，當注漿長度大于12m 后，減小趨勢趨于收斂；仰拱處豎向位移基本呈線性減小；邊墻水平收斂值在注漿長度由6m 變化到12m 時快速減小，后隨著注漿長度增加變化趨于平緩。

4 結(jié)論

（1） 新建地鐵隧道下穿既有洞室，當二者凈距接近或小于新建隧道開挖的圍巖塑性區(qū)時，應采取相應工程措施，具體可進行超前注漿加固，它能有效控制圍巖變形，增強施工安全性。

（2） 既有洞室的存在對地鐵隧道開挖過程中的圍巖變形有一定影響，越靠近洞室，其地鐵隧道圍巖變形值越大，由上述工程案例分析可知， 影響范圍約為相交斷面處前后共20m 段落，即地鐵隧道開挖寬度的3～4 倍。

（3） 下穿地鐵隧道開挖可導致上方電力隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，越靠近地鐵隧道，其變形值越大，由上述工程案例分析可知，電力隧道結(jié)構(gòu)變形影響范圍約為相交斷面處前后共40m 段落，地鐵隧道施工過程中，應加強觀測。

（4） 由上述工程案例分析可知，地鐵隧道超前注漿長度由6m變化到12m， 其圍巖變形及對電力隧道的影響程度均快速減小，后隨著注漿長度繼續(xù)增大，其加固效果不明顯。 因此，與上述工程案例相似條件下， 下穿隧道注漿長度取2～2.5 倍洞徑較為合理。