浅埋暗挖隧道穿越既有地铁施工方案分析

刘国宝

0 引言

随着城市地铁建设速度的加快以及地下空间开发力度的加大，新建地铁隧道近距既有地铁施工的情况日益增多［1-5］。然而，新建浅埋暗挖隧道的施工不可避免要引起邻近既有地铁隧道结构和轨道结构的变形和内力增加，超过其承受能力或允许值时，就可能引起结构破坏，甚至危及列车运营安全;此外，由于隧道结构和轨道结构的变形，还可能导致净空限界不足而影响列车运营安全。因此，新建浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁隧道施工时，必须根据既有地铁的保护要求，采取科学的方案和有效措施以减小新建隧道周围土体和既有地铁结构的变形，确保既有地铁的安全运营。

结合北京地铁4号线角门西站下穿既有地铁区间隧道工程，对穿越既有断面的浅埋暗挖隧道断面形式进行了比选，通过有限元方法对合适断面形式下新建隧道施工对既有地铁影响进行预测分析，并以数值分析和现场实测手段对辅助措施进行了验证分析。研究结论可为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

依托工程为北京地铁10号线角门西站穿越既有4号线暗挖隧道工程，两站呈“十”字交叉。既有线为地下两层端厅式车站，南、北两端为明挖两层站厅，底板埋深16.6 m;中部为单层三连拱暗挖段，长28.54 m，断面总宽度221 m，总高度9.9 m，顶部覆土厚度约7.5 m。既有线车站暗挖段适当地预留了新线下穿的条件，即底板为厚度1.1 m平板，底纵梁尺寸1.3 m×2.5 m，底板纵向分布钢筋加强。

新线车站需在既有线暗挖段下方穿越既有线车站，两车站结构净距0.15 m。其平面及剖面关系分别见图1，图2。

图1 穿越隧道与既有车站位置关系总剖面图

2 隧道施工方案

近年国内关于地铁穿越既有线的工程实例较多，如北京地铁5号线崇文门暗挖车站下穿地铁2号线区间、机场线东直门站下穿、侧穿13号线东直门折返线、广州地铁3号线广州东站、体育西路站下穿1号线车站等。综合各地已实施的穿越既有线的工程，措施方案的合理制定主要基于对既有线结构变形的控制，保证既有线结构的安全、正常运营，及确保施工过程的安全，避免灾害事故的发生。

图2 穿越隧道与既有车站位置关系平面图

根据本工程的特点，在满足车站功能的前提下，设计方案选取应尽量降低工程风险，优先采用暗挖小断面穿越既有线。其目的在于减少开挖步序，减少对地层扰动的次数，从而有效的控制既有线的变形。此外，小断面可简化施工流程，有利于降低工程难度，加快施工进度，更充分利用“时空效应”，在一定程度上也减少了开挖施工引起的地层及既有结构变形。

根据既往穿越既有线的成功经验，单洞小断面穿越既有线可采用矩形和马蹄形两种断面形式。矩形断面穿越既有线在采取适当措施和合理施工工序的前提下，可利用其直墙对既有线形成竖向支撑，对施工期间控制沉降有利，但其工艺略复杂，造价略高。一般认为马蹄形断面对沉降控制较矩形断面更不利，但其本身受力形式较好，工艺成熟，施工相对简单，进度快，造价略低。

由于马蹄形断面有其自身的优势，为加快工程进度，降低工程造价，本次主要针对马蹄形断面形式在本工程的适用性进行深入计算、研究分析。

3 下穿越数值模拟分析

3.1 数值分析模型

根据新线车站和既有车站的相对关系，建立土体和结构的三维有限元模型。

根据地质纵剖面图、暗挖隧道与既有车站相对位置关系建立数值模型，模型横向两侧各留约3倍洞径，纵向取至两侧明挖竖井，整体模型宽80 m，长35 m，高41.5 m。不同土层厚度做了适当简化，地层采用实体单元、摩尔材料模拟，既有车站采用实体单元、线弹性材料模拟，暗挖隧道初支采用壳(Shell)单元、线弹性材料模拟。

新线暗挖隧道开挖面宽度10.1 m，开挖面高度9.3 m，面积77.7 m2，两洞间净距3.65 m。开挖施工采用交叉中隔壁法，洞室共分六次开挖，平均每次开挖暴露掌子面面积12.95 m2。每次开挖进尺按0.5 m控制，开挖分部间纵向步长不小于5 m。

浅埋暗挖隧道设计支护参数为:初期支护厚度0.35 m、格栅钢架间距0.5 m及二次衬砌厚度0.6 m。土体物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

3.2 不注浆加固下隧道变形

在对既有地层不采用加固措施的前提下，既有线结构的竖向位移如图3所示。由图3可知，采用马蹄形断面而不采用注浆措施的前提下，既有线结构的沉降最大值已接近甚至超过评估要求值，其结论是不可行的，同时也证明了在此类地层中对基层加固的必要性。

图3 不加固时既有结构竖向沉降

3.3 注浆加固下隧道变形

为控制沉降，对暗挖隧道的地层进行全断面注浆加固，加固范围取隧道两侧和下部各1.5 m。

注浆加固后，加固体的28 d无侧限抗压强度为0.8 MPa～1 MPa。计算分析时，考虑加固体参数的离散性，对加固体的强度进行适当的折减。既有线结构的竖向沉降计算结果如图4所示。

3.4 现场监测反馈分析

通过以上计算分析表明，采用马蹄形断面形式并采取适当的辅助工法在本工程中是可行的。通过实际实施效果亦有效的验证了这一点。本工程实施完成后，根据对既有线结构的监测报告整理的既有线沉降数据，最大沉降12.57 mm，既有线结构的最大纵向倾斜为0.07%，同时根据最终监测结果，既有结构明、暗挖变形缝两侧结构最大差异沉降2.4 mm。

图4 加固时既有结构竖向沉降

根据本次计算结果，既有线结果的最大沉降接近15 mm，能满足评估报告的要求。同时，既有线结构自身刚度较大，其沉降变化曲线接近线性，即其变化趋势较均匀，车站暗挖段整体下沉特性较好。由于暗挖段和明挖段设置了变形缝，变形缝处差异沉降最大值为7 mm。同时根据计算结果，其横向变形小于0.1 mm，亦能满足相关要求。

4 结语

1)本工程根据评估报告及通过详细的计算分析，突破了过既有线暗挖采用平顶直墙的固有思路，采用传统的马蹄形断面形式，取得了很好的经济、社会效益。初步估算，采用马蹄形断面比采用平顶直墙断面节约工期1个月左右。本工程的成功实施，对类似工程有一定的借鉴意义。

2)暗挖法穿越既有线对施工的要求同样较高，施工过程的控制对过既有线工程的成败起关键作用。注浆加固的实际效果、暗挖格栅架设的及时性、格栅节点的处理、降水等都直接影响对既有线结构沉降效果的控制。

3)本工程在实施的过程中，对既有线的结构及轨道进行了全程的实时监测，结果表示，实时监测的数据准确性、及时性对本工程的实施起到了很好的指导作用，极大的指导了工程的顺利实施。

［1］ 王占生，张顶立.浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术［J］.岩石力学与工程学报，2007(12):4208-4214.

［2］ 张成平，张顶立，吴介普，等.暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道施工控制［J］.中国铁道科学，2009，30(1):69-73.

［3］ 孔庆凯，刘化图.新建隧道穿越施工对既有双线地铁隧道的影响［J］.地下空间与工程学报，2010(6):1448-1451.

［4］ 李东海，刘 军，萧 岩，等.盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究［J］.岩石力学与工程学报，2009(28):3182-3186.