公路隧道建设引起下卧运营地铁隧道变形的控制研究

周灿朗，林湘

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)

公路隧道建设引起下卧运营地铁隧道变形的控制研究

周灿朗，林湘

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)

随着城市轨道交通发展和地下空间开发，越来越多的地下工程靠近或位于运营地铁上方，在保护地铁安全的前提下进行地下工程建设成为难点。本文以垂直上跨广佛线季华路—同济路站盾构区间的汾江路公路隧道为背景，针对止水帷幕未能将透水性砂层隔断的情况，提出了冷冻法止水方案。同时，采用了基底加固、分段分期施工、纵向抽条开挖等技术措施，并运用MIDAS/GTS进行全过程三维动态数值分析。通过三种工况下的对比分析和现场监测数据表明，本工程采取的措施合理有效。

基坑开挖 盾构隧道 基底加固 冷冻法 数值分析

随着国家基础设施建设的投入，城市轨道交通迅速发展。同时，在地上资源有限的情况下，城市建设者们将更多的投资转向了地下空间开发，从而造成越来越多的地下工程邻近或位于地铁隧道上方。如何在保护地铁安全的前提下进行地下工程建设，成为工程界和学术界的热点和难点。由于地下结构基坑开挖，打破了隧道原有受力平衡，必将引起地应力的重分布，隧道也产生相应的内力和变形［1］。台北市某处地铁附近开挖深基坑导致临线隧道管壁破坏，造成了巨大经济损失［2］。地铁的安全运营是关系民生及社会稳定的大事，必须从设计与施工两方面采取有效的、严格的工程措施，保证地铁的正常使用和安全［3］。

近年来，许多学者对该问题进行了研究，如文献［4］以上跨地铁隧道的南京龙蟠路隧道为背景，针对未经加固以及运用高压旋喷法加固坑内地基两种工况，进行三维弹塑性有限元数值模拟计算，但计算未考虑分层分步开挖、土方跳仓抽条等。文献［5］以上海某邻近地铁隧道的基坑工程为背景，提出坑外二次加固的施工工艺，采用FLAC-3D软件建立三维弹塑性模型进行模拟。文献［6］以上海市轨道交通10号线豫园地下大通道工程的施工实践，介绍了一种在地铁区间隧道上方进行超大面积基坑工程开挖卸载的施工技术。

本文以广佛线季华路—同济路站盾构区间隧道正上方建设汾江路公路隧道的工程实例为对象，针对止水帷幕未能将透水性砂层隔断的情况，提出冷冻法止水方案。同时，为控制隧道变形，采用了基底加固、分段分期施工、纵向抽条开挖等技术措施，并运用MIDAS/GTS进行全过程三维动态数值分析。分3种工况进行对比分析，以验证本工程采取措施的有效性，以期为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

汾江路公路隧道分为敞开段、遮光段、暗埋段，在暗埋段垂直上跨地铁区间。该暗埋段为单层双跨箱形框架结构，净宽27.5 m(总宽29.5 m)，净高5.8 m(总高7.7 m)，顶板覆土1.5 m。地铁隧道为盾构隧道，外径6.0 m，管片厚度0.3 m，左右线净距7 m。地铁隧道顶覆土约15.8 m，地铁上方基坑开挖深度约9.8 m，基坑底与隧道之间的净距约6 m，见图1。

图1 围护结构横剖面(单位:mm)

工程场地地层从上到下依次为〈1〉素填土层、〈2〉淤泥质土层、〈6〉中砂层、〈7〉粗砂层、〈8〉粉质黏土层、〈12〉强风化粉砂质泥岩层、〈13〉微风化粉砂质泥岩层。隧道拱顶位于〈8〉粉质黏土层，腰部以下位于〈12〉强风化粉砂质泥岩层，地下水位在地面下2 m。公路隧道基坑最大开挖深度约9.8 m，基坑底位于中砂层。

2 控制目标与重难点分析

运营地铁对隧道变形要求非常严格。盾构隧道绝对最大沉降≤15 mm，最大隆起量≤10 mm，变形曲率半径＞15 000 m，相对弯曲＜1/2 500，施工产生的振动对盾构隧道引起的峰值速度≤25 mm/s［7-8］。公路隧道建设过程中，进行卸载与加载，必将引起地铁隧道出现隆起变形和内力变化，控制隧道隆起变形与实现有效止水是本工程的重难点。隆起变形分两种:第一种位移是基坑开挖引起坑内土体回弹，从而引起盾构隧道的隆起;第二种位移是卸荷引起盾构隧道本身的变形。工程实践证明，从空间效应和时间效应两方面控制隧道的隆起变形切实有效。空间上，采用基坑小断面开挖比大断面开挖引起的隆起变形小;时间上，主体结构浇筑越快，基坑暴露时间越短，基坑隆起的位移越小［9-10］。止水帷幕的设计，是本工程的另一个重点，关系到整个工程的成败。

3 基坑设计

3.1 围护结构设计

本场地砂层很厚，围护结构采用800 mm厚地下连续墙及两道支撑(第一道混凝土支撑、第二道钢支撑)，第一道支撑距地面0.5 m，两道支撑竖向间距4.5 m。基坑底至隧道之间为砂层，为保护地铁隧道安全，南北两侧连续墙底与隧道之间保留1.5 m的安全净距，从而导致围护结构未隔断透水层，形成了1.5 m高的透水缝隙。如何解决止水问题，是基坑设计的关键。本工程采取两方面的措施:①在基坑南北两侧吊脚墙位置采用冷冻法，形成冻结止水帷幕，即第一道止水防线;②基坑底至地铁隧道结构顶2.0 m的范围内采用φ850@600三轴水泥搅拌桩满堂加固，形成第二道水平止水防线。同时，也可控制隧道隆起变形。

3.2 施工顺序设计

为有效控制地铁隧道隆起，公路隧道基坑采用分期分段施工。地铁隧道正上方30.8 m长范围内设置了2排800 mm厚地下连续墙和1排φ1 000@1300旋挖桩，均深入基岩。平面上3排隔离围护结构将基坑分为东西4个区域，西侧2个区，东侧2个区，见图2。总体施工工序如下:①先施工西侧基坑1，待该部分公路隧道主体结构施工完成后，再开挖东侧基坑1;②在西侧基坑1、东侧基坑1的主体合并为一个节段并覆土后，再对称开挖西侧基坑2、东侧基坑2。

图2 围护结构及第二道支撑平面布置(单位:mm)

4 三维数值计算

4.1 计算模型

本工程场地较平整，计算模型采用规则的六面体，计算范围沿区间隧道方向取72 m(2倍基坑深度)，垂直隧道方向取110 m(隧道暗埋段长度)。采用实体单元模拟地层，板单元模拟盾构管片、连续墙、围护桩，梁单位模拟冠梁、腰梁、支撑。土体采用弹塑性的摩尔—库伦本构关系，其他均采用弹性本构关系，各地层力学参数如表1。

4.2 分析工况

为验证本工程采取措施的有效性，分3种工况进行模拟对比分析:①采用基底加固及分期分段、抽条开挖;②采用基底加固，取消分期分段、抽条开挖;③采用分期分段、抽条开挖，取消基底加固。

表1 土层力学参数

4.3模拟计算

公路隧道建设过程中，施工时序复杂，地铁隧道上方重复的卸载与加载必然导致其变形和内力发生变化。本文对3种工况下公路隧道建设的整个过程，均采用MIDAS/GTS进行全过程的三维动态模拟，以掌握变化规律及薄弱环节，以采取有效的针对措施。限于篇幅，工况1下的部分有限元模型见图3。

图3 基坑开挖的有限元模型

4.4 计算结果

为进行对比分析，将3种工况下东侧隧道(右线)的最大隆起变形绘制于图4。由图4可见，工况2、工况3下东侧隧道最大隆起变形分别达到了22.34，15.56 mm，远大于工况1的5.84 mm。结论表明，采用大断面开挖或不进行基底加固，将导致地铁隧道隆起变形过大，也进一步验证了本文采用措施的有效性。

图4 地铁隧道隆起变形

工况1下西侧隧道最大隆起变形为5.22 mm，东侧隧道最大隆起变形为5.84 mm，均出现在隧道正上方的基坑开挖至基底时。此时，隧道变形曲率半径为19 396 m≥15 000 m，相对弯曲0.75/2 500≤1/2 500。

5 监测结果与计算结果对比分析

根据设计要求，施工单位及第三方监测单位对运营隧道的内部均匀布置了13个监测断面，每个监测断面布置5个测点，对工程建设过程中隧道变形进行自动化的实时监测。将整个施工过程中东侧隧道(右线)出现最大隆起变形工况下的变形绘制于图4中。由图可见，现场实测最大隆起变形为4.30 mm，与计算结果基本一致，也说明了MIDAS/GTS模型是基本准确的，所选计算参数是合理的，计算结果是可信的，采取的措施是有效的。

6 结论

以广佛线季华路—同济路站区间隧道正上方建设汾江路公路隧道的工程实例为背景，对施工全过程进行动态数值模拟，并进行了对比分析，得出如下结论:

1)通过3种工况下的对比分析，说明用大断面开挖或不进行基底加固，将导致地铁隧道隆起变形过大。实测结果也证明了本工程采取措施的有效性。

2)基坑工程下隧道隆起变形的计算值与施工实测值基本吻合，说明了三维弹塑性数值分析评估隧道变形是有效的，该方法具有可行性，可以运用到类似的基坑工程中。

3)采用冷冻法，有效解决了止水帷幕未能将透水性砂层隔断情况下的基坑止水问题，在类似地层中具有一定的推广价值。

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［3］王卫东，沈健，翁其平，等.基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策［J］.岩土工程学报，2006，28(增):1340-1345.

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［10］许有俊，李文博，王枫.新建地铁车站上穿既有地铁隧道结构上浮变形预测［J］.铁道建筑，2011(3):70-73.

(责任审编赵其文)

U456.3+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.18

1003-1995(2015)02-0066-03

2014-02-01;

2014-11-03

周灿朗(1977—)，男，湖南益阳人，高级工程师。