北京地下直径线前三门隧道上跨地铁联络通道及电力隧道设计方案研究

郭剑勇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

0 引言

随着城市规模的不断扩大，北京市近年来投入大量资金新建和改造城市道路及桥梁，但仍然难以满足机动车辆增长的需求，道路堵塞现象日趋严重［1］。如何充分利用好地下空间资源，成为北京市现代化城市基础建设的重要一环。目前，北京市地下空间开发利用已经进入了快步发展阶段，近5年来，地下空间建成面积以每年约300万m2的速度增长［2］。城市轨道交通成为拓展地下空间的必然选择，截至2013年5月，北京地铁拥有17条线路270座车站，单日最高运送乘客已突破1 000万人次，运营线路总里程为456 km。预计到2016年底，北京地铁运营总里程将达到660 km以上，在远景规划中，到2020年时，运营总里程将超过1 000 km。

随着地铁的大规模建设，在有限的地下空间中，地铁隧道之间彼此“擦肩而过”、“上跨”和“下穿”的情况越来越多，近接隧道甚至双层隧道的工程实例层出不穷。那么，新建隧道如何施工才能保证既有隧道的结构安全就成为设计者亟待解决的难题。目前，国内同行业者对邻近隧道施工的问题做了大量而广泛的研究。姚捷等［3］对邻近双线地铁隧道盾构推进过程进行了仿真计算，研究了相邻平行隧道施工的相互影响;闫朝霞等［4］以北京地铁工程为例，研究运用了浅埋暗挖和注浆法穿越既有线的施工技术，较好地控制了既有结构的变形;钱双彬等［5］对某地铁盾构近距离下穿地铁出入口过程进行了仿真分析，得到了施工过程中既有结构的变化规律，并提出了施工中应采用的安全处理措施。

新建北京地下直径线前三门隧道上跨既有地下结构工程的难点在于该隧道与既有地铁联络通道与电力隧道在空间的交叉复杂度和净距问题都超出了一般邻近隧道工程，且对于既有结构变形控制的要求极高。本文在总结以往类似工程经验的基础上，提出“隔离桩保护，分步开挖”的隧道上跨施工方案，通过数值模拟验证其对既有结构变形的有效控制，探索应对城市高复杂度邻近隧道工程施工的新方法。

1 工程背景与概况

北京地下直径线是北京市正在建设中的一条铁路地下联络线，两端分别连接北京西站和北京站，是北京铁路枢纽的重要组成部分。其中，前三门隧道全长7 285 m，隧道进口段位于北京站西街与崇文门内外大街的交叉路口段，线路呈东西走向，从北京站西端引出后线间距由5 m渐变为4 m，且仅能在地铁2号线东南出入口与崇文门饭店之间的狭小地段铺设通过。该地区地下管线密集，地面交通繁忙，有多条有轨电车运营。

前三门隧道在DK0+792～+850段上跨地铁5号线与地铁2号线南联络通道和电力隧道，隧道结构顶板覆土约为2.95 m。隧道与联络通道的最小净距为4.61 m，隧道与电力通道的最小净距为1.9 m，地铁联络通道与电力隧道最小净距为0.75 m。考虑隧道穿越的地下空间狭小且矩形断面空间利用率较高，故采用矩形断面。隧道与地铁联络通道及电力隧道的关系如图1和图2所示。

图1 隧道与地铁联络通道及电力隧道的交叉平面图Fig.1 Plan showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

地铁5号线与地铁2号线联络通道采用暗挖法施工，复合式衬砌，断面最大开挖宽度为6.5 m，高度为5.95 m。衬砌的初期支护为格栅钢架、钢筋网及0.3 m厚C20喷射混凝土;二次衬砌采用C30，S10钢筋混凝土，厚度为0.4 m。

电力隧道最小覆土厚度为0.7 m，最大覆土厚度为12.1 m，埋深最大15.2 m。纵坡最小为0.5%，最大为21.4%。

图2 隧道与地铁联络通道及电力隧道的横断面图(单位:mm)Fig.2 Profile showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel(mm)

前三门隧道上跨既有地铁联络通道和电力隧道区段穿越地层由上至下分别为杂填土、粉土、细砂及黏土等，详见表1，该区段隧道开挖深度范围位于地下潜水位以上。

表1 工程地质情况Table 1 Geological conditions

2 前三门隧道施工保护方案

考虑地面交通繁忙等因素，宜采用盖挖法或暗挖法施工。相对于暗挖法而言，盖挖法对地面施工场地有特殊要求，更适宜于地铁车站深基坑的施工，而本工程穿越区段地面可供施工的空间狭小，综合考虑施工便利性及工程经济性，确定采用暗挖法开挖隧道。

2.1 采用临时路面支撑体系与隔离桩防护体系

1)在前三门隧道结构上方增设临时路面支撑体系，于隧道结构施工期间承担地面活载。临时路面支撑体系一般使用军便梁或标准化路面板结合钢筋混凝土纵横梁实施，军便梁适用于大跨度基坑临时支撑，但其为战备物质，租赁使用的经济性较差。临时路面板可采用3 m×1 m的标准化路面板，标准化路面板通常有3种不同的型式:钢筋混凝土路面板、钢板路面板及型钢组合路面板。其中，钢筋混凝土路面板自重偏大，装运困难，对下部支撑体系影响较大;钢板路面板吊装方便，但刚度偏小，不适合大跨度基坑使用;型钢组合路面板用并排H型钢焊接，自重适中，刚度大，布置灵活，适合较大跨度基坑使用，经济效益良好。本工程临时路面体系采用5根H型钢焊接而成，两端用平钢焊接加固。

2)使用隔离桩防护既有地下结构。隔离桩是一种广泛应用于工程施工防护的手段，其主要目的是将主体部分与相邻部分隔离开来，起到减少或消除相互之间的影响作用。根据具体工程情况，一般有钻孔灌注桩及水泥搅拌桩等。考虑本工程施工场地狭小，故采用φ800 mm钻孔灌注桩和φ300 mm复合锚杆桩作为隔离桩，在隧道主体结构施工前布置于隧道主体结构的两侧，形成隔离桩防护体系，避免在隧道施工过程中影响既有地铁联络通道及电力隧道。

2.2 采用超前支护及暗挖加强措施开挖隧道

前三门隧道采用超前支护及暗挖加强措施方法进行施工，其施工工法步骤如下:第1步，待完成路面支撑体系和隔离桩防护体系后，施作顶部双层小导管，超前注浆加固，并开挖中部导坑1，及时封闭初期支护;第2步，开挖下导坑2，及时封闭初期支护;第3步，施作顶部双层小导管，超前注浆加固，开挖左上导坑3，及时封闭初期支护;第4步，开挖左下导坑4，及时封闭初期支护;第5步，施作顶部双层小导管，超前注浆加固，开挖右上导坑5，及时封闭初期支护;第6步，开挖右下导坑6，及时封闭初期支护;第7步，分步开挖7—9导坑，并及时封闭初期支护;第8步，在临时支撑节点处凿除孔洞，安设格栅，喷混凝土封闭初期支护;第9步，分段凿除内部临时初期支护，用水泥砂浆找平后分段铺设底板防水层，施作保护层后绑扎钢筋，再浇筑底板及部分边墙混凝土;第10步，铺设边墙、顶板防水层，施作边墙及顶板混凝土，最后完成附属结构。隧道防护措施示意如图3所示。隧道分布开挖示意如图4所示。

图3 隧道防护措施示意图Fig.3 Protection of tunnel

图4 隧道分步开挖示意图Fig.4 Sequence excavation of tunnel

3 隧道结构安全计算

3.1 建立有限元模型

前三门隧道与电力隧道为矩形结构，地铁联络通道拱顶与仰拱为弧形结构，通过有限元软件对其分别进行三维几何建模及单元划分。前三门隧道与既有地铁联络通道及电力隧道的空间相对位置如图5所示。根据圣维南原理，弹性体小部分面积或体积内荷载作静力等效变换时，只在局部产生不同效应而对远处没有影响，隧道模型仰拱或底板下方围岩厚度取值为隧道高度的3倍［6］。围岩土体几何模型尺寸为水平方向65 m;竖直方向32 m，向上取自地表，向下取自隧道底板以下20 m;纵向58 m，沿隧道方向由DK0+792取至DK0+850。有限元模型单元划分如图6所示。

图5 隧道与联络通道及电力隧道相对位置示意图Fig.5 Model showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

图6 有限元计算模型Fig.6 FE calculation model

隧道顶部为管棚加固区域，两侧为隔离桩。围岩材料采用摩尔－库伦模型［7－8］，隔离桩采用结构桩单元模拟。前三门隧道、地铁联络通道及电力隧道的衬砌结构尺寸参数见表2，围岩物理力学参数见表3。衬砌模型的边界设置采用顶面自由边界，下部铰接，两侧全约束固定边界。数值模拟计算中，采用地层结构模型来计算隧道围岩自重应力，竖向压力采用围岩自重［9－10］。

表2 衬砌结构主要尺寸参数Table 2 Main dimension parameters of lining structure cm

表3 材料物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 模拟隧道开挖工况

前三门隧道采用分步开挖法模拟开挖工况，开挖步骤如下:第1步，施作隔离桩，完成顶部小导管超前注浆加固，开挖中部导坑1和导坑2，进尺5 m，封闭初期支护;继续施作顶部双层小导管超前注浆加固，开挖左上导坑3和左下导坑4，封闭初期支护;施作顶部双层小导管超前注浆加固，开挖右上导坑5和右下导坑6，封闭初期支护;分步开挖7—9步导坑，封闭初期支护。第2步，去除中间临时初期支护，施作边墙及底板初期支护和二次衬砌。第3步，开挖循环进尺5 m，重复第1步和第2步开挖断面，直至隧道开挖完成［11］。

3.3 邻近施工既有构筑物的控制标准相关内容

根据对既有地铁联络通道和电力隧道结构混凝土外观、强度、裂缝的安全监测和评估，同时参考北京地铁运营公司《北京地铁工务维修规则》针对既有线路轨道变形控制标准和北京地铁5号线上跨1号线等类似邻近隧道施工安全控制经验，制定了以下既有结构变形控制标准:当既有结构变形值达到预警值时，须降低施工速度，严密监测既有结构变形趋势，严格按照施工步骤施工;当变形值达到允许值时，应立即停止施工，及时封闭掌子面，加强临时支护措施，等变形趋于稳定并小于允许值时，根据监控量测反馈信息重新制定超前支护方案，逐步完成施工过程。邻近施工既有构筑物的控制标准如表4所示。

表4 邻近施工既有构筑物的控制标准Table 4 Control standards of adjacent existing structures during tunnel construction mm

3.4 数值模拟计算结果

见图7—12。

图7 隔离桩弯矩分配图Fig.7 Distribution of bending moment of isolating piles

图8 未采用防护方案既有结构第一主应力图Fig.8 The first principal stress of existing structures without protection measures

图9 采用防护方案后既有结构第一主应力图Fig.9 The first principal stress of existing structures with protection measures

图11 开挖完成后地铁联络通道位移云图Fig.11 Cloud of displacement of Metro connection gallery when the excavation of the mentioned tunnel is completed

图12 联络通道DK0+828断面处各点随开挖进尺的竖向位移Fig.12 Vertical displacement of Metro connection gallery at DK0+828 Vs tunnel excavation progress

3.5 对模拟结果的分析

对地铁联络通道数值模拟应力、位移云图及位移数据结果进行分析如下:

1)在未采用防护方案，即全断面开挖且没有施作隔离桩的工况下，既有结构第一主应力最大值为3.0× 103kPa;在采用了防护方案后，即施作了隔离桩分步开挖的工况下，既有结构第一主应力最大值为2.7× 103kPa。由此可知，在隔离桩的防护作用下，既有结构在施工中的应力明显下降。通过对既有结构进行强度验算，其安全性符合要求。

2)在前三门隧道开挖过程中，于隧道与联络通道最接近的DK0+828处，分别设置拱顶、左右边墙和底板4个测点，提取4个测点在隧道开挖过程中的位移值，可以得到联络通道在DK0+828处各监测点随隧道开挖进尺的位移曲线。结果表明:在开挖进尺前25 m，联络通道最大位移发生在右侧边墙，最大位移值为1.3 mm;在开挖进尺25～35 m，联络通道各测点位移明显增大，最大位移值为2.7 mm(因为这一区段为隧道与联络通道最接近的区段，其位移值的明显增大与实际情况相吻合);在开挖进尺35～58 m，联络通道各测点位移趋于稳定，最大位移值为2.9 mm，符合联络通道结构安全控制标准。

3)在前三门隧道开挖完成后，联络通道在最接近于前三门隧道的区段内位移值最大，最大位移值为2.9 mm，符合联络通道结构安全控制标准。

4 结论与建议

1)在前三门隧道开挖过程中，地铁联络通道与电力隧道均受到一定的影响，但是与地铁联络通道相比，电力隧道结构断面较小，且不是人行通道，其安全性要求远低于地铁联络通道，故本次计算主要以地铁联络通道的位移值作为结构安全性检算标准。通过数值模拟分析，前三门隧道采用临时路面支撑体系与隔离桩防护体系及加强措施分步开挖隧道的施工方案是可行的。

2)与以往新建隧道下穿、上跨既有构筑物不同，前三门隧道需要穿越的地段非常狭小，在空间上与多处既有地下结构交叉，工程变形控制标准较高。本文提出了“隔离桩保护，分步开挖”的隧道上跨施工方案。通过对隧道开挖过程进行数值模拟，得到了既有构筑物在邻近隧道施工时的位移变化趋势和极值，分析结果表明:“隔离桩保护，分步开挖”的方案有效地减小了邻近隧道施工对既有地下构筑物的影响，既有构筑物的数值模拟位移值符合变形控制的要求。

3)本文是通过有限元数值模拟软件对新建隧道上跨既有地下结构工程施工进行模拟，受有限元建模与围岩参数设置局限性的影响，对隧道周围土体不同土层的分界情况进行了简化，这样得出的数值模拟结果和实际结果会有一定的偏差。这些不足之处有望通过以后的现场试验进行分析校正，将数值模拟分析和现场试验分析相结合可以得到更加准确的结果。

4)为确保既有地铁联络通道与电力隧道的结构安全，在施工中应实时监控既有结构的变形情况，将监测数据与构筑物变形控制标准进行对比，并预测其变形趋势;按规范严格执行隧道开挖循环进尺和各台阶开挖步距;根据开挖地层的实际情况可用C25喷射混凝土封闭上导坑掌子面。

［1］ 石晓东.北京城市地下空间开发利用的历程与未来［J］.地下空间与工程学报，2006，2(S1):1088－1092.(SHI Xiaodong. History and future of underground space development and utilization in Beijing［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(S1):1088－1092.(in Chinese))

［2］ 叶大华，王军辉.北京地铁规划中对旧城古建筑地基基础的评估与保护对策研究［J］.城市勘测，2012(1):156－160.(YE Dahua，WANG Junhui.Evaluation and protection countermeasures of ancient architectural foundation inside historical city during planning of Beijing Metro［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2012(1):156－160.(in Chinese))

［3］ 姚捷，杨光华，张玉成，等.相邻线路盾构施工对既有隧道的影响［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(S2):3945－3951.(YAO Jie，YANG Guanghua，ZHANG Yucheng，et al.Influence of shield construction of adjacent line upon existing tunnel［J］.Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering，2009，28(S2):3945－3951.(in Chinese))

［4］ 闫朝霞，李振辉，许俊伟.北京新建地铁近距离穿越既有线施工技术［J］.铁道勘察，2010(2):96－99.(YAN Zhaoxia，LI Zhenhui，XU Junwei.Technology for construction of newly built subway passing through existing lines in short distance in Beijing［J］.Railway Investigation and Surveying，2010(2):96－99.(in Chinese))

［5］ 钱双彬，董军，陈方权，等.既有隧道受邻近盾构施工作用的变形行为研究［J］.建筑技术，2009，40(1):78－81. (QIAN Shuangbin，DONG Jun，CHEN Fangquan，et al.Reserch on deformation behavior of existing tunnel due to adjacent shield construction［J］.Architecture Technology，2009，40(1):78－81.(in Chinese))

［6］ 苏晓堃.隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究［J］.铁道工程学报，2012(3):64－69.(SU Xiaokun.Research on choosing boundary range of surrounding rock in numerical simulation of tunnel excavation［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012(3):64－69.(in Chinese))

［7］ 李荣伟.小净距隧道施工顺序FLAC3D模拟分析［J］.水科学与工程技术，2011(1):82－85.(LI Rongwei.Numerical simulation analyses on the construction sequence of twin-tunnel with short separation by FLAC3D［J］.Water Sciences and Engineering Technology，2011(1):82－85.(in Chinese))

［8］ 闫春岭，丁德馨，崔振东，等.FLAC在铁山坪隧道围岩稳定性分析中的应用［J］.地下空间与工程学报，2006(3): 499－503.(YAN Chunling，DING Dexin，CUI Zhendong，et al.Application of FLAC in the stability analysis of tieshanping tunnel surrounding rock［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006(3):499－503.(in Chinese))

［9］ 彭文斌.FLAC 3D实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［10］ 李围.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［11］ 王绍君，刘宗仁，陶夏新.浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析［J］.土木工程学报，2007(6):75－78.(WANG Shaojun，LIU Zongren，TAO Xiaxin.Numerical simulation and analysis of construction behavior of shallow tunneling by excavation［J］.China Civil Engineering Journal，2007(6):75－78.(in Chinese))