三管隧道开挖对周边构筑物影响分析研究

邱 军

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

随着城市轨道交通建设的展开，越来越多的地铁隧道与既有铁路线、公路、楼宇等结构物交汇，产生诸多近接工程。前人对地下工程近接施工进行了深入研究，例如，广州地铁5号线区庄站多层立体交叉隧道工程[1]，C YOO、HB ZHAO通过室内试验的方式研究了近接隧道工程对既有建筑物的影响[2-3]。西南交通大学仇文革团队在盾构近接既有建筑物方面进行了研究[4-8]。在盾构隧道临近既有建、构筑物方面，前人主要利用数值模拟与现场监测的方法对近接影响进行了分析。其中，蔡向辉利用有限元软件ABAQUS建立了车辆-轨道耦合模型[9]，分析了高速铁路与盾构隧道的相互作用；张舵利用有限元分析软件ANSYS对不同支护措施下盾构隧道穿越既有铁路的标准进行了研究[10]；黄文君等利用MIDAS对盾构隧道施工工艺对路基的沉降进行的数值计算，研究得到了沉降的影响规律[11]；冯超等对盾构隧道下穿铁路桥涵的安全进行了研究[12]。高东奇等基于现场监测大直径泥水盾构施工对高铁桥涵的影响进行了研究[13]；朱红霞基于武汉地铁3号线现场监测对EPB盾构近距离下穿既有隧道的稳定性进行了分析[14]。目前研究多为单一盾构近接单个或两个工程，类似本文所研究的盾构隧道与矿山法施工的铁路近接桥桩与铁路的情况较少，因此，本研究拟在建立三维数值计算模型的基础上，结合现场监测，对多重隧道施工对周边建、构筑物的影响进行分析。

1 工程概况

1.1 工程概况

本工程为成都地铁1号线三期南段广州路站—兴隆湖站(广兴)区间及出入场线，位于成都市天府新区天府大道东侧，施工期间需下穿成花铁路。广兴区间，隧道埋深5.3 m(下穿麓溪河)～49.679 m，区间隧道穿越铁路段结构管片采用特殊配筋的B型管片，外径6 000 mm，内径5 400 mm，管片厚度为300 mm，管片幅宽1 500 mm。

出入场线起止里程为RCK0+149.000～RCK0+291.000，长141 m，出入场线断面为马蹄形类型，采用矿山法(CD法或台阶法)施工，复合式衬砌结构。广州路站—兴隆湖站区间左右线盾构机均由兴隆湖站始发向北掘进，地铁隧道线路与铁路水平交角均为68°，过铁路后到达广州路站。

地铁列车出入场线设置在两盾构隧道之间，出入场线起止里程为RCK0+149.000～RCK0+290.000，长141 m。由与广州路站相连的明挖段轨排井自北向南开挖，出入场线暗挖施工穿越里程为RCK0+227.878～RCK0+239.778，共长11.9 m(相交铁路里程为：K41+292.391)，穿越铁路向南继续开挖50.3 m完成整个暗挖段施工。

盾构隧道在穿越铁路轨道范围内所采用的衬砌环增设注浆孔，每环共15个注浆孔。

暗挖隧道采用复合式衬砌结构，即拱部120°范围内设置φ42 mm单排超前注浆小导管作为超前支护；边墙布置系统锚杆：φ22 mm砂浆注浆锚管1.0 m(环)×0.5 m(纵)，L=3.5 m；初期支护：φ25 mm钢筋制成的钢拱架间距为50 cm；φ8 mm，间距150 mm×150 mm，全环单层布置；喷射混凝土厚35 cm的C25、P6抗渗混凝土；二次衬砌采用厚50 cm的C35、P10模筑混凝土，初期支护和二次衬砌间设置全封闭的隔水层，结合隧道所处地层及施工方法在隧道全环钢架设2处锁脚锚管。

由于盾构施工对地层的扰动小、机械化程度高、施工精度高，施工过程和工艺容易控制、稳定性好。其次，盾构隧道之间的间距较大，盾构左右线的施工互相影响较小。在先施工的矿山法施工的隧道对地层的扰动大，再加上施工完成后在盾构隧道间形成了一个叠加的沉降槽，对后期盾构施工造成影响。因此施工顺序为盾构左线施工，然后进行盾构右线施工，待盾构隧道加固完成稳定后再进行暗挖隧道的施工。

广州路站—兴隆湖站盾构区间左线距敖家沟双线大桥5号桥台桥桩净距为8.9～11.6 m；盾构区间右线距陈家房子双线大桥0号桥台桥桩净距为27.8～30.49 m。大桥上部结构为简支梁，桩基采用直径为1.25 m的钻孔桩，桩底高程为467.390 m，约高于盾构隧道轨面高程，而且此范围内的地质为中风化砂岩、自稳性较好。

1.2 工程地质概况

地层主要由第四系全新统人工填土层(Q4ml)，第四系全新统冲积洪积层(Q4al+pl)、第四系全新统残积坡积层(Q4el+dl)，白垩系上统灌口组泥岩、砂岩、砾岩(K2g)及白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、砂岩(K1t-J3p)组成。

2 数值计算模型

2.1 模型的确定

本研究通过建立三维有限元模型，对地铁隧道、出入场线隧道与既有铁路路基和桥之间的相互影响进行全过程数值模拟研究。根据实际情况模拟隧道埋深及隧道开挖，模拟计算采用FLAC3D软件。为充分模拟隧道的三维空间效应，模型范围沿纵向取100 m，沿横向取160 m，深度取隧道仰拱下方60 m。模型约束为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由。计算中地层及初期支护采用弹塑性实体单元模拟，管棚及超前小导管采用弹性实体单元模拟，二次衬砌采用弹性实体单元模拟。在整个计算模型中，采用六面体单元映射划分，桥桩由Pile单元进行模拟，建立的模型共170 703个节点，198 072个单元。三维数值计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 计算参数的选取

本次参数选取参照地勘资料所建议的地层参数选取，由于地质条件较为复杂，故计算时认为合并参数较为接近地层，具体参数如表1所示，混凝土材料计算参数如表2 所示。

表1 地质勘察资料地层参数

表2 混凝土材料物理力学参数

2.3 计算考察对象

计算时，先进行盾构左线施工，然后进行盾构右线施工，待盾构隧道加固完成稳定后再进行出入场线(暗挖)隧道的施工。计算分为两个考察对象：

(1)盾构隧道以及暗挖隧道施工对敖家沟双线大桥5号桥台桥桩的影响分析；

(2)盾构隧道以及暗挖隧道施工对成花铁路股道的影响分析。

3 计算结果分析

3.1 盾构隧道及暗挖隧道施工对桥桩的影响

根据三维数值模拟计算得到各施工步时盾构隧道及暗挖隧道施工对敖家沟双线大桥5号桥台桥桩的竖向位移云图，如图2所示。

图2 桥桩的竖向位移云图(单位：m)

由图2可知，当盾构左线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.65 mm，盾构右线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.70 mm，出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为1.12 mm。根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)[15]，最大沉降控制值为5 mm，计算得到开挖引起的沉降均远远小于控制值。且盾构隧道与既有铁路桥主要处于中风化砂岩地层中，自稳性较好，所以认为隧道施工对桩基影响较小，现有设计能够保证既有铁路桥安全。

3.2 盾构隧道施工对成花铁路股道的影响

盾构左线隧道以及盾构右线隧道开挖后，股道竖向位移如图3所示。按照设计参数施工盾构左右线隧道施工后，股道最大沉降约为0.65 mm，最大10 m弦测量的高低差约为0.08 mm。根据《铁路线路修理规则》[16]，最大10 m弦测量的高低差控制值为4 mm，计算得到最大10 m弦值远远小于控制标准。

图3 盾构隧道施工后股道的竖向位移云图(单位：m)

3.3 出入场线暗挖隧道施工对成花铁路股道的影响

(1)CD法施工

当采用CD法施工时，出入场线隧道开挖完时股道竖向位移云图如图4所示。随出入场线隧道掌子面推进的股道沉降槽曲线如图5所示。

图4 出入场线隧道施工后股道的竖向位移云图(单位：m)

图5 出入场线隧道施工后股道的沉降槽曲线

由图4、图5可知，采用CD法施工时，出入场线隧道开挖完成后股道最大沉降为1.76 mm；线路轨道10 m弦测量的高低偏差为0.73 mm，且股道最大横向差异沉降仅有0.13 mm。根据《铁路线路修理规则》，最大10 m弦测量的高低差控制值为4 mm，计算得到最大10 m弦值远远小于控制标准。

(2)核心土台阶法施工

当采用核心土台阶法施工时，出入场线隧道开挖完时股道竖向位移云图如图6所示。随出入场线隧道掌子面推进的股道沉降槽曲线如图7所示。

图6 出入场线隧道施工后股道的竖向位移云图(单位：m)

图7 出入场线隧道施工后股道的沉降槽曲线

由图6、图7可知，采用核心土台阶法施工时，出入场线隧道开挖完成后股道最大沉降为2.33 mm；线路轨道10m弦测量的高低偏差为0.81 mm，且股道最大横向差异沉降仅有0.17 mm。根据《铁路线路修理规则》，最大10 m弦测量的高低差控制值为4 mm，计算得到最大10 m弦值远远小于控制标准。

对比两种不同工法计算得到的沉降值可知，CD法施工时，地表沉降更小，CD法对控制地表沉降更有利。

4 现场监测

根据图5与图7中股道沉降槽的变化趋势，得到下穿隧道施工对股道的影响区域。由于核心土台阶法对股道的影响更大，因此监测以核心土台阶法为依据。假设0.6 mm为影响阈值，那么可以得到施工影响范围与监测布置如图8所示，其中斜线部分为影响区域，宽44 m，纵向长36.5 m。隧道开挖经过此区域时，应加快施工速度，在保证施工质量的前提下，快速通过。由图8可知，共布置了4个监测点，每个监测点相距7 m，监测结果如图9所示。

图8 施工影响范围与监测布置示意(单位：m)

图9 监测点竖向位移时程曲线

由图9可知，监测点4沉降最大，但最大值仅为0.5 mm，可以视为监测误差。监测结果与数值计算结果在数值上属于同一数量级，但数值有一定差异。分析差异原因在于，数值模拟计算中，盾构计算未考虑注浆对地层的改良作用。同时，当注浆压力较大时，地表会向上位移，因此施工中较小的位移是注浆引起的向上位移与开挖施工向下位移的共同结果。

监测结果也说明，矿山法中较强的支护措施、盾构施工中注浆措施能够控制开挖对周边环境的影响。

5 结论

本文在建立复杂三维数值模型的基础上，对地铁盾构隧道开挖进行模拟，获取施工过程中地铁隧道所引起的轨道沉降位移曲线，同时得到了下穿隧道施工对近接桥桩的影响。通过分析施工过程中近接地下空间的位移响应趋势，判断地铁盾构隧道对周边地下空间环境的影响。同时，对于采用CD法与预留核心土台阶法两种工法进行了对比研究，并且提出了此两种方法对地表铁路股道的影响。通过数值计算得到了以下结论。

(1)当盾构左线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.65 mm，盾构右线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.70 mm，出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为1.12 mm，均远小于控制值5 mm。

(2)盾构左右线隧道施工后，股道最大沉降约为0.65 mm，最大10 m弦测量的高低差约为0.08 mm，远远小于控制标准。

(3)采用CD法施工时，出入场线隧道开挖完成后股道最大沉降为1.76 mm；线路轨道10 m弦测量的高低偏差为0.73 mm，且股道最大横向差异沉降仅有0.13 mm。采用核心土台阶法施工时，出入场线隧道开挖完成后股道最大沉降为2.33 mm；线路轨道10 m弦测量的高低偏差为0.81 mm，且股道最大横向差异沉降仅有0.17 mm。根据计算结果可知，CD法施工时，地表沉降更小，CD法对控制地表沉降更有利。

(4)根据计算结果得到了隧道开挖施工对股道影响范围，为宽44 m、纵向36.5 m的区域。根据影响范围区域，提出了监测方案。根据监测可知，沉降最大值仅为0.5 mm，采用目前的设计方案施工可以保证成花铁路的运营安全。

研究所得结论对复杂地下空间中的多重隧道施工具有一定的参考价值。

[1] 徐向东.广州市轨道交通区庄站南站厅双层三跨联拱隧道设计[J].铁道标准设计，2009(6):99-101.

[2] Yoo C. Three dimensional numerical investigation on the effect of bridge construction on existing tunnel[J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2014，18(3):794-802.

[3] Zhao H B， Long Y， Li X H， et al. Experimental and numerical investigation of the effect of blast-induced vibration from adjacent tunnel on existing tunnel[J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2016，20(1):431-439.

[4] 郑余朝.三孔并行盾构隧道近接施工的影响度研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[5] 郑余朝，蔡佳良，袁竹，等.地铁隧道下穿既有铁路近接影响分区和施工控制研究[J].现代隧道技术，2016(6):202-209.

[6] 仇文革，张志强.深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析[J].铁道标准设计，2000(7):41-42.

[7] 仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[8] 龚伦，仇文革，曹义.下穿楼房隧道近接施工爆破控制技术研究[J].铁道标准设计，2006(1):86-88.

[9] 蔡向辉.盾构下穿引起的既有线路轨道变形与列车运营作用研究[J].铁道标准设计，2016，60(7):30-34.

[10] 张舵.地铁盾构区间穿越既有铁路技术措施研究[J].铁道标准设计，2013，57(2):81-84.

[11] 黄文君，郑明新，欧阳林，等.盾构施工工艺对铁路路基沉降影响的数值分析[J].隧道建设，2015，35(2):128-133.

[12] 冯超，高志刚.地铁盾构隧道下穿宁启铁路的变形影响规律及控制技术[J].隧道建设，2015，35(10):1015-1021.

[13] 高东奇，廖少明，张迪，等.杭州环北大直径泥水盾构隧道下穿高铁桥涵的实测分析[J].隧道建设，2016，36(4):403-410.

[14] 朱红霞.复杂地质条件下土压平衡盾构近距离下穿既有隧道的施工和监测技术[J].隧道建设，2016，36(6):748-755.

[15] 中华人民共和国铁道部.TB1002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[16] 中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号 铁路线路维修规则[S].北京：中国铁道出版社，2006.