復雜環境下盾構下穿既有運營線影響研究

摘要：為減弱新建地鐵對既有線結構的不利影響，確保既有線在地鐵施工及運營期間的安全，成為軌道交通建設面臨的重點技術問題。針對此種情況，以武漢軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區間下穿既有運營軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區間為例，結合三維有限元模型數值模擬計算，提出施工控制措施，通過實地監控量測驗證設計、施工方案的合理性和有效性。

關鍵詞：盾構；下穿既有運營線； 數值模擬； 施工控制； 監測分析

中國分類號：U455.43A

［定稿日期］2023-03-20

［基金項目］中國鐵建投資集團有限公司科技研發項目（項目編號：2022-A01）

［作者簡介］任志亮 （1982—），男，碩士，高級工程師，從事地鐵建設管理工作。

0 引言

隨著軌道交通建設的發展，軌道交通工程與既有運營軌道交通工程存在穿越、鄰近的情況，新建工程與既有區間距離較近，地鐵施工及運營對鄰近既有線結構不同程度的存在一定影響。采取有效的工程措施，減少修建軌道交通工程對鄰近既有線結構的不利影響至關重要，確保既有線結構在地鐵施工及運營期間的安全成為重點解決的技術問題。

郭棟、張好旗等［1-4］以新建隧道工程下穿既有線車站為研究背景，采取數值模擬和現場監測相結合的方法，研究了新建隧道施工對既有隧道的影響分析。仇文革［5］系統地提出了地下工程近接度的分類、分區以及近接度等級概念。譚文［6］研究分析了廣州軌道交通5號線與6號線交叉段超淺埋暗挖立體交叉隧道的施工。冷彪等［7］以白水江水電站引水隧洞下穿昆內鐵路隧道為工程背景，運用數值模擬分析方法，結合現場測驗，對隧道交叉角度、動力與靜力方面進行了研究分析。郭子紅［8］利用極限平衡原理，得到了沉埋隧道的滑動面分布。

本文以武漢軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區間（以下簡稱茶青區間）下穿既有運營軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區間（以下簡稱光白區間）為例，根據施工工況建立有限元模型，進行數值模擬計算，提出施工控制措施，同時通過監控量測驗證設計、施工方案的合理性和有效性，以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

12號線茶青區間線路出青菱站后側穿越軌道交通5號線光白區間，區間隧頂埋深約11.0～30.7 m。盾構隧道管片內徑5.5 m，外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，管片寬度1.5 m。光白區間穿越區間段為高架區間，采用4×40 m簡支梁。樁基采用1000 mm直徑的鉆孔灌注樁，樁采用C35混凝土，承臺和基礎梁采用C40混凝土、HPB300、HRB400鋼筋現澆。樁頂標高為16.9 m，樁長為36 m，入巖，樁端持力層為15a-2中風化泥質粉砂巖。承臺埋深2.2 m，26號承臺尺寸為6.1 m×6.1 m×2.2 m，27號承臺尺寸為6.0 m×9.6 m×2.2 m。茶青區間穿越5號線橋樁角度為正交，距離區間側26號橋樁距離約為6.65 m，距離光霞站側27號橋樁水平距離約為4.99 m。穿越5號線位置12號線區間埋深約為10.2～12.1 m，隧道中心距為16.2 m，凈距約為10 m（圖1、圖2）。

1.1 既有線沉降情況

根據5號線光白區間2021年12月監測數據顯示，區間左線測點累計沉降量在-10.39 （Z5+399）～-1.56 mm之間；右線測點累計沉降量在-4.84～2.39 mm之間；整體表現為下沉趨勢。臨近12號線橋樁左線豎向變形分布在-7.52 mm，右線豎向變形分布在-4.18 mm。

1.2 既有線保護措施

區間穿越段地層采用800@600 mm三重旋噴樁加固，加固長度約為39.2 m，鄰近橋樁區段按二重管注漿壓力0.5～1.0 MPa進行控制。空樁加固區深度約為13.32～15.21 m，實樁加固區為隧道中心線下側6.1m范圍，左右兩側加固區范圍為隧道中心線外側5.1 m，共10.2 m寬度。區間平面加固圖如圖3所示。

2 下穿既有高架區間數值模擬計算

2.1 建立計算模型

采用MIDAS GTS NX巖土與隧道有限元軟件進行數值模擬計算，建立茶青區間穿越既有軌道交通5號線光白區間模型，按實際施工順序模擬新建工程施工。模型以12號線線路走向為X軸，垂直線路走向為Y軸，豎直方向為Z軸。模型在X軸方向取75 m，Y軸方向取70 m，Z軸方向取50 m。結合新舊工程的相對位置關系建立三維模型，如圖4、圖5所示。

2.2 計算參數

下穿區域從上到下地層及各土層的各項參數如表1所示。

2.3 計算工況

為綜合考慮12號線區間施工過程中最不利因素對既有車站的影響，選取關鍵施工控制點進行數值模擬計算，以便對施工過程中既有車站所受到的影響進行分析。

工況1：地鐵施工前的初始狀態。為得到地鐵施工前地層的初始狀態，首先計算初始地應力，計算完畢后，保留計算所得的應力狀態，同時將位移歸零，以此為后續5號線地鐵施工階段的初始狀態。

工況2：地鐵5號線光白區間高架結構施作，得到12號線施工前的狀態，計算完畢后，保留計算所得的應力狀態，同時將位移歸零，以此考慮后續12號線地鐵施工時的附加影響。

工況3：12號線茶青區間盾構穿越，模擬盾構穿越工況，左右線前后錯開，共分為18個子工序。

2.4 計算結果

通過有限元模型數值模擬分析，得到12號線施工過程中各工況下既有5號線區間高架結構最大位移。

5號線光白區間高架結構在施工最終的變形如圖6～圖8所示。

通過數值模擬計算分析，盾構隧道穿越期間引起周圍土體發生變形，引起既有5號線高架橋墩向盾構穿越方向產生一定位移，隨著盾構穿越，橋墩水平位移逐漸增大，盾構穿越橋樁時達到峰值，穿越后，受盾構工后沉降影響，位移有所回落。橋墩1最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，Z向最大豎向位移為-0.432 mm。橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm，Z向最大豎向位移為-0.317 mm。橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm，Z向最大豎向位移為-0.284 mm。

2.4.1 水平位移

通過模擬計算結果可見，橋墩1變形最大，最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，；橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm；橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm。最大水平差異變形發生于橋墩1與橋墩2，最大水平差異變形發生于工況3-15，為1.387-0.028=1.359 mm（圖9、圖10）。

2.4.2 豎向位移

橋墩1最大Z向豎向位移為-0.432 mm；橋墩2 最大Z向豎向位移為-0.317 mm；橋墩3 最大Z向豎向位移為-0.284 mm。最大差異沉降發生于橋墩1與橋墩2，最大差異沉降發生于工況3-7，為0.407-0.286=0.121 mm（圖11）。

2.4.3 橋墩傾斜率

提取墩頂、墩底水平位移分析，橋墩傾斜率最大發生在橋墩1（圖12）。傾斜率：（1.4100-1.3649）/6900=6.53×10-3‰＜0.6‰

盾構隧道穿越期間引起周圍土體發生變形，進而引起既有5號線高架橋墩向盾構穿越方向產生一定位移，隨著盾構穿越，橋墩水平位移逐漸增大，盾構穿越橋樁時達到峰值，穿越后，受盾構工后沉降影響，位移有所回落。橋墩1最大X向水平位移為-0.674 mm，Y向最大水平位移為1.410 mm，Z向最大豎向位移為-0.432 mm；橋墩2最大X向水平位移為-0.669 mm，Y向最大水平位移為0.213 mm，Z向最大豎向位移為-0.317 mm；橋墩3最大X向水平位移為-0.449 mm，Y向最大水平位移為0.123 mm，Z向最大豎向位移為-0.284 mm，未超過變形控制標準。橋墩最大水平差異變形為1.359 mm，差異沉降為0.121 mm，未超過變形控制標準。橋墩傾斜率為6.53×10-3‰，在變形控制范圍內。

3 施工控制及現場監測情況

3.1 施工控制措施

施工前編制詳細施工方案，備齊防汛、應急材料、設備等到位，保證發生問題時能夠及時有效地處理。穿越前設置試驗段，獲得同類地層中盾構掘進的最優參數。在盾構通過風險源之前檢修好盾構各零件，檢查盾構機狀態，刀盤磨損等，確保性能完好，調整盾構姿態，復核盾構導向，穿越期間不停工檢修，防止在風險源附近位置停機。

施工中合理安排施工工序，優化施工工藝。穿越過程中中速均衡勻速連續地通過，根據地形及地質條件及時調整盾構施工參數。嚴格控制地面荷載不超過20 kPa，減少荷載對地鐵結構的影響。及時進行盾尾的同步注漿和隧道背后二次注漿，填充隧道與圍巖之間的空隙，減少地面沉降變形，減小工后沉降，一次性穿越完成。

3.2 現場監控量測數據情況

在5號線白光區間布置監測點，監測時間為2022年4月23日至7月28日，各個監測項目最終變化量：5號線橋墩沉降累計變化最大為-2.11 mm，道床沉降累計變化最大為-2.09 mm，橋墩水平位移累計變化最大為-2.1 mm。整個監測過程中，監測數據變形速率及累計值均在控制值范圍內，各項監測數據均在規范和設計要求范圍以內。

4 結束語

本文以武漢市軌道交通12號線茶葉所站—青菱站區間穿越既有軌道交通5號線光霞站—白沙六路站區間為工程案例，通過建立有限元模型計算分析研究，采取地面注漿加固措施，盾構掘進時加以施工控制，施工過程中加強監控量測，保證了盾構區間穿越過程中均未超過變形控制值，確保高架橋結構變形安全可控，保證了既有運營地鐵線路的安全。

參考文獻

［1］ 郭棟.北京地鐵盾構隧道近接施工技術研究［D］.北京：北京交通大學，2008.

［2］ 張好旗. 新建隧道下穿對既有運營地鐵隧道影響及控制研究［D］.重慶：重慶交通大學，2022.

［3］ 金大龍. 盾構隧道群下穿既有地鐵運營隧道變形機理及控制研究［D］.北京：北京交通大學，2018.

［4］ 李美欣，邵志國，于德湖.近距離下穿既有運營地鐵車站的換乘車站施工風險評價研究［J］.鐵道標準設計，2022，66（4）：155-161.

［5］ 仇文革.地下工程近接施工影響程度分區理論的探討［C］//中國土木工程學會年會文集.北京：中國土木工程學會，2004： 202-204.

［6］ 譚文.復雜地質條件下超淺埋暗挖立體交叉隧道施工［J］.都市快軌交通，2011，24（3）：79-83.

［7］ 冷彪，仇文革，龔倫.新建下穿隧道對既有隧道影響的可拓學分析［J］.西南交通大學學報，2014，49（4）：637-641.

［8］ 郭子紅.地下立交近接隧道穩定性的理論分析與模擬研究［D］.重慶：重慶大學，2010.