高速鐵路淺埋暗挖隧道近距離上穿既有地鐵隧道風險控制研究

杜貴新 蒲 松 葉來賓 陳 爽

(1.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211800； 2.西南交通大學，成都 610031)

1 概述

隨著城市地下空間利用的進一步提高，隧道近距離施工越來越多，如上跨(下穿)既有隧道、左右并行等。其中，新建上跨隧道近距離施工可能對下臥隧道造成破壞，影響其運營安全[1]。

近年來，許多學者對隧道近接施工進行相關研究，陳志海應用FLAC3D三維數值軟件模擬土壓盾構以25°角下穿間距5.5 m的既有隧道，獲得土壓盾構快速掘進施工參數[2]；韓高升在新苔井山隧道平行近接施工中，證明采用3 cm/s的爆破振動控制標準安全可行[3]；諸軍通過注漿加固地層、加強錨桿支護參數、接近施工處加強對既有隧道和新建隧道監控測量等優化施工方案，保證新建隧道安全下穿既有隧道[4]；沈剛應用MIDAS模擬新建盾構隧道垂直下穿既有隧道，并研究兩隧道相互影響機理[5]；郭建寧等基于寧波地鐵斜下穿運營公路隧道，應用數值分析方法研究新建隧道對既有公路隧道的影響[6]；梁建波通過有限元模擬廣州新建盾構隧道下穿既有隧道，并結合實測數據與有限元模擬結果分析，總結既有隧道沉降影響[7]；GHABOUSSI等研究紐約布魯克林區污水隧道近距離垂直上穿運營地鐵隧道工程，發現下臥隧道在上方隧道施工影響區內管片在豎向上呈現“拉長”現象[8]；王劍晨等發現，可以采用Peck 高斯公式擬合下臥隧道上浮變形[9]；劉亮等采用MIDAS模擬某軟土地區三層交疊的地鐵區間，并結合現場數據分析，發現上方隧道施工會引起下方既有隧道上浮，其上浮量與交疊隧道的凈距有關[10]；張曉清采用預制乳膠膜袋放水的類比試驗法模擬盾構掘進過程中的地層損失和卸荷作用，對比后發現先施工下洞后施工上洞時，對下洞的影響較小[11]；丁智等利用有限元軟件模擬新建盾構隧道對既有地鐵線的影響，總結既有地鐵結構變形及內力變化規律[12]。

不難看出，以往研究多基于新建隧道下穿或平行接近既有線，在新建隧道近距離上穿既有隧道施工措施方面的研究還較少，以新建清華園暗挖隧道一期工程為研究背景，對淺埋暗挖隧道近距離上穿既有隧道風險控制進行深入研究。

2 工程背景

2.1 新建隧道工程概況

新建京張高鐵清華園隧道全長6 020 m，隧道起始里程為DK13+400，終止里程為DK19+420，埋深為4.99～5.39 m。采用礦山法開挖，馬蹄形斷面，總開挖寬14.188 m，總開挖深11.216 m，開挖面積約110 m2，隧道在清華路段近距離上穿地鐵15號線，且整個隧道走向與地鐵13號線一致。

2.2 工程地質概況

區間隧道穿越地層依次為：雜填土、粉質黏土、卵石、粉質黏土，其物理力學參數見表1。其中，新建隧道洞身和洞頂土層主要為粉質黏土層，洞身范圍內主要為上層滯水，水量較少，水位埋深為38.45～44.95 m，存在于粉土、粉質黏土孔隙中。

表1 土層參數

2.3 15號線折返區間及13號線工程概況

京張高鐵清華園隧道DK18+509～DK18+570暗挖段上穿地鐵15號線清華東路西口站折返區間(K4+400～K4+415)。新建隧道近似垂直于地鐵15號線，平面交角為88.8°，隧道底部與15號線結構頂部最小凈距離為0.8 m，見圖1。

圖1 清華園隧道與既有地鐵15號線相對關系(單位：m)

京張高鐵清華園隧道DK18+506～DK18+570暗挖段鄰近地鐵13號線五道口地鐵站—上地區間(K6+822～K6+872)。該區間范圍內地鐵13號線為橋梁段，其基礎為φ1.0 m的鉆孔灌注樁，承臺上為混凝土方形雙柱墩，13號線橋樁距隧道結構外緣約13.8 m。

根據DB11/1067—2014《城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規范》和仇文革的研究，清華園暗挖隧道與地鐵13號線的風險等級為三級；與地鐵15號線的施工風險等級為特級[13]。故以下主要分析新建清華園暗挖隧道施工對上跨已有地鐵線路15號線產生的主要風險并提出相應的解決措施。

3 風險分析

在該暗挖段中，地鐵15號線的建設對地層進行首次擾動，原本在初始應力狀態下平衡的地層發生應力重分布；支護結構形成增加了圍巖徑向壓力，圍巖再次受擾動，地層發生第三次應力重分布。新建清華園隧道的施工再次打破地層的平衡狀態，從開挖再到支護結構的施加，地層再次發生2次應力重分布，最終圍巖經歷了5次應力重分布。應力重分布將徹底改變地層最初的應力分布狀態。在地層應力不斷轉化、演變的復雜地層環境下，新建上跨地鐵隧道在保證安全施工的同時，還要最大限度減小對既有線的影響，這將會是一個極其復雜的工程挑戰。

與此同時，本段穿越粉質黏土層，該土層在遇水或失水情況下將產生嚴重的土層變形；另外，暗挖段下穿清華東路段，車流量較大，重載車輛較多，地層極易產生大量的不均勻沉降；另兩垂直隧道之間的夾土層厚度僅有0.8 m，施工過程中很有可能造成夾土層破壞，并對下臥隧道造成損害，土體的壓重釋放也會使下方土體回彈，使下臥隧道發生不均勻的豎向變形。這都將加大工程施工難度。

4 控制措施

為確保15號線正常運營，必須最大限度降低隧道施工對下臥隧道的影響，減少結構變形。先根據工程類比的經驗分析法及現場實地勘測分析，得出一系列風險控制措施；再通過現場自動化監測及時反饋信息來指導下一步施工。

4.1 雙側壁導洞法開挖

為最大限度減小施工對既有隧道的影響以及地表沉降，本次開挖工法選擇雙側壁導洞法，左右側導洞分兩步開挖，中間分三步開挖。初期支護采用“噴射混凝土+I22a+鋼筋網”的形式，二襯為素混凝土。襯砌形式采用整體受力較好的曲墻帶仰拱式。為使初支發揮更好的支護效果，在施工過程中，通過設置臨時仰拱和中隔壁來及時閉合斷面，增加結構剛度，從而減少地面沉降。在施工中嚴格采用標準化施工，防止事故發生。

本次工法開挖步序為：先采用預留核心土的上下臺階法開挖寬8 m，高7.63 m的右側導洞，預留臺階長小于5 m；待右側導洞進行15 m后，以同樣方法開挖左側導洞；開挖15 m后，開挖正洞上臺階右側部分，待正洞上臺階右側部分進行15 m后，開挖正洞上臺階左側部分，每次循環開挖0.6 m；再開挖正洞中臺階，一次開挖，最后開挖正洞下臺階。

4.2 預應力錨索集中加固鄰近土層

上部土體的開挖會對下方既有隧道起到卸荷作用，下臥隧道會發生一定上浮變形，其大小與兩隧道間的夾土層厚度、新建隧道開挖方法等有關。其中，夾土層厚度越小，下臥隧道整體上浮值越大[14]。本工程兩隧道最近處夾土層厚度僅0.8 m(這是夾土層厚度相對很小的案例)，為確保下臥隧道的正常運營，必須采取相應措施。

經綜合分析，制定上穿15號線地段處集中施加預應力錨索方案。在DK18+528.5、DK18+529.5、DK18+530.5、DK18+548、DK18+549、DK18+550處，垂直向下各設置6道預應力錨索(一側擴大基礎腳趾上設置3道，兩側共設置6道)，即新建隧道通過前后段各設置18道預應力錨索，共采用36道預應力錨索。預應力錨索采用鋼絞線，長25 m，錨固段長14 m，設計拉力為600 kN(見圖2)。

圖2 錨索布設示意(單位：cm)

4.3 超前注漿加固地層

(1)表層注漿加固

本暗挖段路面荷載偏大，且區間穿越地層主要以遇水及失水情況下易產生濕陷下沉現象的粉質黏土層為主，土質較差，上跨既有隧道施工不僅會對下臥隧道造成影響，也會對上表地層造成影響，為防止上表地面出現大幅度不均勻沉降，就需采取一定加固措施。針對本項工程，采用φ50 mm導管進行超前注漿。

新建隧道拱頂土層注漿加固是工程的重難點，由于本暗挖段有很多重要管線，如污水管、燃氣管、電線管等，在注漿前，需先采用地質雷達掃描，確定管線位置，標注記號，然后在靠近管線位置時停止鉆孔施工，以避免注漿施工對地下管線的破壞。

(2)掌子面注漿加固

地層應力多次重分布，導致洞室圍巖穩定性較差，若不提前對掌子面進行加固，易產生一系列工程風險。對于開挖掌子面的加固有很多措施，可以進行注漿加固，即對掌子面周圍的不穩定土層注漿增加其黏聚力；還可以對周圍土層打設錨桿增加其整體剛度。

考慮施工安全和經濟性原則，選擇局部性注漿方案。選用水泥—水玻璃雙液漿，漿液配合比為1∶1，在進行注漿加固時，注漿壓力宜控制在0.8～1 MPa，注漿范圍為正洞開挖輪廓線以外3 m、側導洞開挖輪廓線以內1 m，注漿深度為10 m。應按照由外到內的順序循環注漿，每循環斷面上設4環注漿孔，每環25個注漿孔，共設100個，孔與孔之間間隔注漿。注漿孔布置見圖3。

圖3 注漿孔布設(單位：cm)

(3)小導管注漿加固

側導洞開挖高度較高，開挖面積較大，若不進行側導洞超前注漿支護，就會有掌子面倒坍的風險。綜合分析后采取超前小導管注漿支護開挖面的措施，在兩側導洞中上部分施作φ42 mm、長3.5 m、間距30 cm的注漿小導管，每環布置29根，插入角為10°～15°(見圖4)。

圖4 側導洞小導管布設(單位：cm)

漿液選用水泥—水玻璃雙漿液，水灰比為0.5～1，注漿壓力為0.5～1 MPa。小導管的注漿量為

(1)

式中，q為注漿量；R0為注漿漿液的注漿半徑；L′為注漿鋼花管中至中的距離；L為鋼花管長度；n為圍巖空隙率，本段取10%。

值得注意的是，小導管上需預留止漿段，以防止漿液從管尾遺漏。

5 施工監測及信息反饋

5.1 施工監測

陳亮指出，上跨隧道在施工過程中，下臥隧道會經歷沉降、隧道通過隆起、隧道穿越急劇隆起、后期沉降4個階段[15]。在新建隧道施工監測方面，需對地表位移、已有隧道拱頂和拱底位移、既有地鐵線路軌道結構變形、既有隧道洞周收斂進行監測，見表2。其中，既有地鐵線路軌道結構隆起變形值直接影響既有運營隧道的安全，其檢測精度和頻率應顯著提高，故將其列入自動化監測項目中，見表3。

表2 監測項目及其監測頻率

表3 自動化監測項目

5.2 測點布置及監測方法

(1)地表沉降監測

測點布置與埋設：嚴格按照審查后的監測圖紙布點，應優先考慮在輔路上設置，其次是道路兩側路邊及應急停車帶，最后是道路中間。

監測方法：采用水準儀，將監測點與基準點(或工作基點)構成閉合環線或附合水準路線檢測。

(2)新建隧道拱頂位移

測點埋設：拱頂位移測點布置在隧道上導洞頂部，隨著工程進展的形成而延伸，平均每8 m布設1個測點，在近接處集中布設。

監測方法：采用水準儀和鋼卷。架設水準儀，將鋼掛尺懸掛在測點上，待鋼尺平穩后讀出基點數值ai和待測點的數值bi，計算本次沉降和累積沉降值，有

hi=|ai-bi|-|ai-1-bi-1|

(2)

h=∑hi

(3)

式中，ai為本次測得的基點數值；bi為本次測得的待測點數值；ai-1為前一次測得的基點數值；bi-1為前一次測得的待測點數值；hi為本次沉降值；h為總累積沉降值。

(3)既有隧道拱頂位移

測點布設：拱頂位移測點布置在隧道軸線頂部，每8 m布設1個測點，在近接處集中布設。

監測方法：同新建隧道拱頂位移測量方法一致，為不影響隧道正常運營，宜在夜間測量。

5.3 現場實時變形監測

新建隧道拱頂位移、下臥隧道拱頂位移及下臥隧道結構水平收斂測點布設見圖5。

圖5 測點埋設示意

現場監測數據顯示，最大地表沉降發生在新建隧道軸線上方，最大沉降值為7.08 mm，遠小于地表下沉控制值。圖6為最大地表沉降監測點隨施工進度位移變化情況，橫坐標代表施工斷面到監測斷面的距離，縱坐標代表通過監測點前到通過后的位移變化情況。

圖7為新建隧道最大拱頂位移監測點隨施工掘進的位移變化情況，最大拱頂下沉為2.4 mm，遠小于拱頂下沉控制值。從圖6、圖7可以看出，隧道拱頂下沉同地表下沉變化相似，通過前略上拱，通過中快速下降，通過后趨于穩定。

圖6 最大地表沉降監測點位移變化

圖7 新建隧道最大拱頂位移監測點位移變化

圖8為下臥隧道最大拱頂位移監測點隨施工掘進的位移變化情況，下臥隧道拱頂位移最終表現為上浮，上浮值為4.8 mm，遠小于拱頂位移控制值，分析可得，新建隧道通過下臥隧道前，下臥隧道首先發生小的沉降，通過時緩慢向上隆起，通過后急劇隆起，最后平緩沉降。

圖8 既有隧道最大拱頂位移監測點位移變化

6 結論

(1)大型隧道淺埋暗挖施工采用雙側壁導洞法，可減少對土體的擾動，從而減少對下臥隧道的影響，還可有效地控制地表沉降。

(2)新建隧道拱頂位移變化同地表沉降變化一致，均表現為通過前隆起，通過時迅速下沉，通過后緩慢趨于穩定。

(3)下臥隧道地鐵15號線在新建隧道通過后，最終表現為上浮隆起，最大隆起值為4.8 mm。其拱頂變形同樣經歷了上方新建隧道通過前沉降、通過后上浮、穿越后迅速上浮、后期平緩沉降4個階段。

(4)采用風險控制措施能有效地控制上方地表沉降、新建隧道拱頂沉降、下臥隧道拱頂位移等，使其變化值均在規定范圍之內，既保證了新建隧道的安全通過，也不影響下臥隧道的正常運營。