淺埋小凈距雙線隧道平行下穿既有道路設施工法影響研究

杜 宇

(北京市市政專業設計院股份公司 北京市 100037)

0 引言

伴隨地下交通網絡日益完善，新建隧道下穿既有交通設施情況逐漸增多，受隧道施工擾動，地層初始應力狀態被打破，不可避免地對既有交通設施產生影響[1]。許多學者[2-5]針對盾構隧道垂直穿越既有道路影響分析進行了大量研究，但目前關于新建隧道平行下穿對既有道路影響方面的研究較少，故以北京地鐵某區間雙線隧道為研究背景，采用數值計算方法，分析小凈距雙線隧道在采用不同施工工法情況下平行下穿既有道路時，施工對既有道路的影響程度，并結合規范要求，確定該種情況下較為合理的施工工法。

1 工程概況

新建隧道區間全長851.6m，全線采用暗挖法進行施工作業，雙線間距約為6.25m。隧道開挖斷面凈寬6.7m，凈高6.7m，拱頂施做小導管注漿超前支護，初支為0.25m厚C25噴混，二襯為0.3m厚C40防水混凝土。施工過程中區間隧道平行下穿朝陽門外大街，覆土厚度為6.12～8.39m，區間隧道與上方既有道路位置關系如圖1所示。

圖1 區間隧道與既有道路位置關系示意圖

2 影響范圍分析

結合《穿越既有道路設施工程技術要求》中的相關規定，對該區間雙線隧道平行下穿既有道路施工影響范圍進行劃分。綜合考慮下穿道路的道路等級及穿越位置關系，判定該區域穿越風險等級為一級，依照現行規范要求，最終確定隧道施工過程中主要影響區寬度為28～30.8m，次要影響區寬度為5.5～7.56m，影響區域劃分結果如圖2所示。

圖2 雙線隧道施工影響分區圖

3 影響分析研究

3.1 建立計算模型

采用有限元分析軟件Midas GTS NX建立留核心土臺階法、CD法及CRD法三維計算模型，并分別進行施工模擬計算。為充分考慮上述分析所得隧道施工影響范圍、模型計算尺寸效應及邊界效應，最終將各模型計算尺寸確定為100m(長)×70m(寬)×55m(高)，隧道埋深根據設計資料進行確定，于模型四周施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，地表不設置任何約束，計算模型三維圖如圖3所示。

圖3 計算模型三維圖

模型建立過程中，除隧道初支采用二維板單元外，其余均采用三維實體單元進行建模。分析過程中土體開挖采用鈍化相關單元的方式進行實現。模擬過程中結構力學參數如表1所示，主要土層物理力學參數如表2所示。

表1 結構力學參數表

3.2 不同工法模擬分析

各工法施工開挖步序如圖4所示。

3.2.1留核心土臺階法施工步序

表2 土層物理力學參數表

圖4 各工法施工步序圖

(1)開挖①并施做初支。

(2)開挖②。

(3)開挖③并施做初支。

(4)施做二襯結構④。

(5)開挖⑤并施做初支。

(6)開挖⑥。

(7)開挖⑦并施做初支。

(8)施做二襯結構⑧。

3.2.2CD法施工步序

(1)開挖①并施做初支及臨時鋼架。

(2)開挖②并施做初支。

(3)施做二襯結構③并拆除臨時鋼架。

(4)開挖④并施做初支及臨時鋼架。

(5)開挖⑤并施做初支。

(6)施做二襯結構⑥并拆除臨時鋼架。

3.2.3CRD法施工步序

(1)開挖①并施做初支及臨時支護結構。

(2)開挖②并施做初支及臨時支護結構。

(3)開挖③并施做初支及臨時支護結構。

(4)開挖④并施做初支及臨時支護結構。

(5)施做二襯結構⑤并拆除臨時支護結構。

(6)開挖⑥并施做初支及臨時支護結構。

(7)開挖⑦并施做初支及臨時支護結構。

(8)開挖⑧并施做初支及臨時支護結構。

(9)開挖⑨并施做初支及臨時支護結構。

(10)施做二襯結構⑩并拆除臨時支護結構。

3.3 計算結果分析

施工結束后圍巖豎向位移云圖如圖5所示，從云圖分布情況可以看出，由于隧道開挖卸壓，隧道周邊巖體向隧道方向發生變形，拱頂上方巖體發生豎向沉降，由于該隧道埋深較淺，拱頂上方土體自成拱效應不明顯，導致拱頂上方巖體豎向變形一直延伸至地面，從云圖上可以看到現況路面發生了較為明顯的豎向沉降。

圖5 施工結束后圍巖豎向位移云圖

隧道施工結束后，隧道正上方路面沉降量最大，隧道開挖區外側路面沉降值伴隨距隧道中心線間距離的增加而呈下降趨勢。在三種施工工法中，采用留核心土臺階法施工后路面沉降量最大，約為-16mm；CRD法由于盡可能細化單次開挖范圍，并且于施工過程中采用了剛度較大的臨時支護結構，有效地限制了隧道周邊巖體的收縮，致使CRD法施工后路面沉降最小，約為-10mm，相較于臺階法，路面沉降量降低37.5%；CD法施工后路面沉降介于另兩種工法之間，路面最大沉降量約為-14mm。

為充分分析路面沉降影響，于地表相同位置(A-A)布置監測點，提取路面沉降數值，所得路面沉降曲線如圖6所示。

圖6 路面沉降曲線

由沉降曲線可以看出，無論何種工法，在先行隧道施工完畢后，地面沉降曲線均呈V字型，之后伴隨后行隧道的施工，圍巖擾動范圍進一步加大，地面沉降槽逐漸拓寬且其形狀由V字型轉化成W型，且地面沉降峰值不同程度的有所增加，三種工法中由于后行隧道施工所導致的路面沉降峰值增加量最大為-2mm(留核心土臺階法)，最小為-1mm(CRD法)。

留核心土臺階法先行隧道施工結束后，路面沉降影響范圍約為35m，此時路面最大沉降值約為-14mm,雙線隧道全部貫通后，沉降槽寬度增至48m，增幅約為37%，路面最大沉降增長14%，最終路面穩定最大沉降為-16mm。該沉降量已超過規范所規定的路面變形允許控制值(15mm)，將對路面結構產生破壞，無法有效保證行車安全。

CD法施工結束后，路面變形穩定后沉降槽寬度約為45m，在影響范圍方面該工法相較于留核心土臺階法略有降低(約6%)，路面最大沉降縮小至-13.5mm，滿足現行規范中關于既有道路結構變形控制值的相關要求，且由于路面沉降所引起的道路坡度變化未超過1%，滿足《公路工程技術標準》規定，可有效保證路面行車的舒適度。

CRD法施工結束后，路面沉降槽寬度約為42m，為三種工法中最小，路面最大沉降不足-10mm，低于規范中所規定的路面沉降警戒值(-9mm)，由路面沉降所引起的道路坡度變化僅為0.61‰，影響很小，可最大限度地保證行車的舒適性及安全性。

4 建議

(1)在圍巖巖性及整體性較差的情況下，若采用臺階法進行施工，應充分考慮施工對于下穿道路的影響，進行安全評估，并根據實際工程情況，增加圍巖加固措施或路面保護措施，避免隧道上方既有道路沉降變形較大，對路面結構產生破壞，造成安全風險。

(2)從計算結果上看，CD法及CRD法施工導致路面沉降趨勢相似，兩種工法施工后，均可保證路面沉降量處于現行規范要求的變形控制值之內，但CRD法可以更好地限制路面沉降及影響范圍寬度，可最大限度地保證路面行車安全及道路結構安全，在道路安全等級較高或對路面沉降變形要求嚴苛的區域建議優先考慮CRD法施工。

(3)從計算結果可以看出，后行隧道施工會進一步加大共同影響區內巖體的豎向位移，且沉降增加量與施工工法有關，建議先行隧道施工過程中應進行圍巖的加固處理，尤其是針對雙線隧道中間區域巖體應更為重視，以降低后續施工時該區域巖體的豎向位移。

5 結論

針對淺埋小凈距雙線隧道平行下穿既有道路設施施工工法影響進行研究分析，所得結論如下：

(1)地表最大沉降出現在隧道開挖區在路面垂直投影范圍內。拱腰外側路面沉降量伴隨距開挖區域距離的增加呈下降趨勢。

(2)通過有限元模擬計算，對比不同施工工法下穿施工對既有道路的影響，發現留核心土臺階法由于單次開挖區域面積較大，施工過程中未設置臨時支撐結構，對圍巖的變形控制能力較差，最終導致既有道路路面沉降幅度過大，超出規范規定的變形控制值，若采用該工法施工應增加圍巖加固措施及道路保護措施。

(3)CD法及CRD法由于將開挖斷面合理細化，并在每一部分開挖支護后形成獨立的閉合單元，利于圍巖的穩定，可以有效控制施工過程中地面沉降，施工結束后路面沉降均符合現行規范要求，但從路面結構保護及最大限度保證行車安全的角度考慮，建議優先采用CRD法進行施工。

(4)在雙線隧道施工過程中，建議先行隧道增加圍巖加固措施，以限制后續施工對該部分巖體的影響，降低路面沉降增加量。