高風險城市環境地鐵小凈距隧道近接隧道群施工方案優選*

崔光耀,田宇航,肖 毅,何繼華,孟令瀚

(1.北方工業大學 土木工程學院，北京 100144;2.中鐵二十三局集團第六工程有限公司，重慶 400012)

0 引言

隨著國家經濟蓬勃發展，交通運輸發展重心從地上轉為地下，地鐵隧道作為主要交通運輸工具占居重要地位。 隨著城市地鐵的逐步完善，地下空間利用率逐步提升，地下軌道可用空間逐漸趨于飽和，地鐵工程在高風險城市環境施工時經常出現近接既有線路、多條隧道管線交叉縱橫的現象。隨隧道數量增加，小凈距隧道施工逐漸增多，因此，確保小凈距隧道施工時的安全穩定性尤為重要[1-2]。目前，國內外學者針對小凈距隧道的研究包括：利用2D-σ軟件研究地下隧道施工中雙向雙線隧道之間的最小凈距[3]；對于小凈距隧道圍巖力學特性的計算分析[4-5]；不同開挖方式在周邊圍巖中產生的應力大小及變化趨勢的研究[6-7]；不同地質條件下小凈距隧道施工時的圍巖穩定性研究[8]；對于多線隧道施工情況下，深埋小凈距盾構隧道施工相互影響和淺埋小凈距盾構隧道施工相互影響的研究[9-12]；對于地質條件差、干擾強度大的斷面小凈距隧道的施工力學效應分析和方法的研究[13-15]。綜上，有關小凈距隧道的施工設計已經取得一定成果，但針對復雜地質條件下的小凈距隧道施工使用加固措施并改變施工順序的研究較少。本文依托北京地鐵19號線小凈距隧道新草區間工程段，新建19號線小凈距隧道西面為新機場線大斷面區間隧道，底部為10號線雙盾構隧道，通過對小凈距隧道近接隧道群采取管棚管幕預加固措施和改變施工順序后的位移進行分析，選取最優施工方案。研究結果可為高風險城市環境的近接隧道施工提供參考。

1 計算情況

1.1 工程概況

新建19號線新發地站-草橋站區間施工現場北面為鎮國寺北街，西面為馬草河，總長度為264 m，2條新建線路并排，19號線為小凈距隧道，修建19號地鐵下方為10號線雙盾構隧道，位于新機場線大斷面區間隧道東部。根據施工現場土質勘測信息可知，地面以下40 m深度范圍內的地層分別為人工填土層、新近沉積層、第四紀沖洪積層和古近紀基巖層。

1.2 計算模型

以北京地鐵19號線暗挖區間隧道為背景，根據隧道實際參數信息，建立計算模型。模型水平長度100 m，縱向長度80 m，豎直高度30 m。 施工隧道下部已有隧道為直徑為6 m的2孔雙向盾構隧道，2孔間距為10 m。施工隧道西部為新機場線上寬10.3 m、高7.7 m的單孔雙向大斷面隧道。為便于區分，設1號隧道為新建小凈距隧道的西側小斷面，設2號隧道為東側大斷面隧道，1號隧道采用中隔壁法(以下簡稱CD法)開挖，隧道直徑約6.5 m，2號隧道采用洞樁法(以下簡稱PBA法)進行開挖，隧道最大開挖斷面高約8.8 m，寬約15.8 m。1、2號隧道之間的凈距離僅為1.3 m，埋深約4.8 m。 新建隧道底部與10號線隧道交叉，2者最小距離約0.9 m，角度約110°；新建隧道與西部新機場線現有隧道平行，距離為11.8 m左右。隧道計算模型如圖1所示。

圖1 隧道計算模型Fig.1 Calculation model of tunnel

1.3 計算參數

本模型為彈塑性本構模型，運用摩爾-庫倫準則進行有限差分計算，邊界條件為模型四周施加水平約束，下邊界施加豎直約束，模型上邊界無約束。根據工程設計文件及地勘報告選取計算參數，見表1。

表1 結構計算參數Table 1 Structural calculation parameters

1.4 計算工況

為研究管棚管幕預加固措施及施工順序變化對位移的控制效果，設置隧道預加固措施和開挖順序2種工況，見表2。其中，西側隧道為CD法開挖，東側隧道為PBA法開挖。通過對比工況1、工況2，研究管棚管幕預加固措施對位移的控制效果；通過對比工況2、工況3，研究改變施工順序對位移的控制效果。

表2 計算工況Table 2 Calculation conditions

1.5 測點布置

1)隧道監測點布置

由于小凈距隧道與西部新機場線隧道相互平行，所以2者選取相同的監測斷面，設置N1～N9共9個斷面，其中N4～N6斷面間距設為8 m，其余斷面間距設為

7 m。在監測斷面內設置監測點，記錄隧道測點的位移情況，監測斷面布置如圖2所示，斷面內監測點布置如圖3所示。

圖2 新建隧道及西側既有隧道監測斷面布置Fig.2 Monitoring section layout of new tunnel and existing tunnel at west side

圖3 監測點布置Fig.3 Layout of monitoring points

2)路面與既有線監測點布置

以2號隧道頂部為中心，以4 m為間隔，向兩側布置路面監測點，共設12處監測點，自西向東分別編號為L1～L12，監測記錄路面在施工過程中的沉降情況，測點布置詳圖及測點編號如圖4所示。在下方10號線隧道以5 m的間隔布置11個監測斷面，編號設置為S1～S11，在各斷面上記錄10號線隧道拱頂位移情況，如圖5所示。

圖4 路面監測點布置Fig.4 Layout of pavement monitoring points

圖5 既有線監測點布置Fig.5 Layout of monitoring points on existing line

3)監測頻率

工程監測頻率為施工期間3次/d，施工結束后初期2次/d，待位移呈收斂趨勢，變為1次/d，直至工程交付驗收。

2 計算結果及分析

2.1 路面沉降分析

提取各個工況開挖后的路面最大沉降值，如圖6所示。由圖6可知，3種工況下出現路面沉降現象最嚴重的地方均為新建2號隧道頂部，并向兩側沉降減?。灰驗榍?個工況開挖順序相同，所以2種工況的路面沉降曲線相似，由于工況2采取管棚管幕預加固措施，因此工況2的位移在對應監測點處的路面沉降均小于工況1的沉降；工況3改變施工順序，2個隧道頂部路面沉降較為平緩。通過統計對比，3種工況的最大沉降值分別為-43.65，-25.94，-20.83 mm，工況2的最大沉降值比工況1減小17.71 mm。由此可見，采取管棚管幕預加固措施能有效降低路面沉降；工況2和工況3的沉降控制效果分別為40.57%,52.28%，工況3對路面沉降控制效果較好，即先東后西的開挖順序可以很好地降低路面沉降值。

圖6 路面沉降分布Fig.6 Distribution of pavement settlement

2.2 底部既有線拱頂位移分析

提取各個工況開挖結束后底部既有線隧道結構位移極值，具體數值見表3，根據計算結果繪制位移曲線，如圖7所示。

表3 底部既有線拱頂豎向最大位移值Table 3 Maximum vertical displacement on vault of existing line at bottom mm

圖7 拱頂位移曲線Fig.7 Curves of vault displacement

由表3和圖7可知，在新建和已有隧道交叉處位移值較大，向兩側位移值逐漸變??；工況1主要為向上位移，工況2、3主要為向下位移，原因是工況2、3相比工況1均采取預加固措施，加固的管棚、管幕重量、施做面積均較大，所以導致底部既有線的位移方向變化；工況1在新建1號隧道底部出現變形最大值6.60 mm，工況2和工況3在新建2號隧道底部出現變形極值，分別為-2.11，-1.64 mm。通過對比工況1和工況2可知，在采取管棚管幕預加固措施后，隧道底部既有線拱頂位移大幅度降低，有效降低隧道底部既有線的位移；工況2和工況3的位移控制效果分別為68.03%,75.15%，改變施工順序后的工況3的底部既有線變形極值最小，滿足控制標準，先東后西的施工順序更好。

2.3 西側新機場線橫向位移

整理并提取3種工況下西側新機場線大斷面區間隧道的橫向位移，具體參數見表4。根據位移情況繪制位移變化曲線，如圖8所示。

表4 西側新機場線橫向最大位移Table 4 Maximum transverse displacement of new airport line at west side mm

圖8 西側新機場線橫向位移變化曲線Fig.8 Change curves of transverse displacement of new airport line at west side

由表4和圖8可知，因西側新機場線和新建隧道方向相同并互相平行，所以新機場線的變形值在各處相差甚微；工況1、2、3的位移極值分別為0.165，-0.193，-0.084 mm，工況1的變形方向為正向，即朝著新建隧道方向移動，施加預加固措施的工況2、3位移方向均為負向，朝遠離新建隧道的方向移動。通過對比3種工況的橫向位移可知，采用管棚管幕預加固措施略微增大西側新機場線的橫向位移；工況2和工況3的位移控制效果分別為-14.51%,49.09%，工況3的橫向位移遠小于工況1和工況2。由此可見，采用先東后西的施工順序可明顯降低西側新機場線的橫向位移。

2.4 新建1號隧道位移

提取各工況下1號隧道的橫向、豎向最大位移值，并以工況1為對照，計算工況2和工況3的位移控制效果，各向最大位移與計算結果見表5。

表5 新建1號隧道各向最大位移值及控制效果Table 5 Maximum displacement values at each direction of new tunnel 1 and control effect

由表5可知，工況1、工況2和工況3的橫向位移極值分別為-2.59，-1.99，-1.71 mm；3種工況的豎向位移極值分別為9.70，4.84，4.28 mm。采取預加固措施后，工況2條件下新建1號隧道的橫向、豎向位移分別降低0.60，4.86 mm，位移控制效果顯著；工況2和工況3的橫向位移控制效果分別為23.17%,33.98%，豎向位移控制效果分別為50.10%,55.88%，在使用先東后西的開挖順序后，新建1號隧道的位移明顯降低，工程采用先東后西的開挖順序比先西后東更好。

2.5 新建2號隧道位移

提取新建2號隧道3種工況的橫向、豎向最大位移值，并以工況1為對照，計算工況2和工況3的位移控制效果，各向最大位移與計算結果見表6。

表6 新建2號隧道各向最大位移值及控制效果Table 6 Maximum displacement values at each direction of new tunnel 2 and control effect

由表6可知，工況1、2、3的橫向位移極值分別為-2.68，-1.60，-1.43 mm，3種工況的豎向位移極值分別為-15.54，-3.98，-3.79 mm。采取預加固措施后，工況2新建2號隧道的橫向、豎向位移分別降低1.08，11.56 mm，管棚管幕預加固措施對2號隧道的橫、豎向位移控制作用較好；工況2和工況3的橫向位移控制效果分別為40.29%,46.64%，豎向位移控制效果分別為74.39%,75.61%；新建2號隧道在使用先東后西的開挖方法后，隧道的橫、豎向位移得到較好控制。

3 結論

1)通過對比工況1、2可知，在采取管棚管幕預加固措施后，工程的最大路面沉降減少17.71 mm；底部既有線拱頂位移減少4.49 mm；西部新機場線橫向位移改變極小，僅增加0.028 mm；新建1號、2號隧道橫向位移分別減少0.60，1.08 mm，豎向位移分別減少4.86，11.56 mm。采用管棚管幕預加固措施可以較好地控制施工位移變化。

2)同時采用管棚管幕預加固措施，在施工順序由先西后東開挖變為先東后西開挖后，以工況1為對照，工況2和工況3的最大路面沉降控制效果分別為40.57%,52.28%；底部既有線拱頂位移控制效果分別為68.03%,75.15%；西側新機場線橫向位移控制效果分別為-14.51%,49.09%；在1號隧道，工況2和工況3的橫向、豎向位移控制效果分別為23.17%,33.98%，50.10%,55.88%；在2號隧道，工況2和工況3的橫向、豎向位移控制效果分別為40.29%,46.64%，74.39%,75.61%。顯然，施工順序為先東后西開挖有效減少施工中產生的位移。

3)高風險城市環境地鐵小凈距隧道近接隧道群施工時采用工況3的施工方案，即施加管棚和管幕的預加固措施，并且以先東后西的順序開挖可明顯降低路面沉降和既有、新建隧道結構變形。