大跨度隧道平行下穿既有车站旅客通道的施工风险分析*

赵秀绍 庄锦彬,2 方 焘 石钰锋

(1. 华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室， 330013 南昌；2. 厦门轨道交通集团有限公司， 361010, 厦门//第一作者，副教授)

随着城市地铁规模不断扩大，相继出现新建地铁隧道近距下穿既有车站的情况。然而，隧道近接施工是一个非常复杂的力学过程，再加上地下工程本身的复杂性，这就给隧道穿越工程的安全控制带来了严峻的挑战。

针对隧道下穿车站施工的问题，国内外学者已做了一些相关研究。文献[1]采用三维有限元模型研究某地铁隧道盾构掘进过程中既有通道力学行为，得出了既有通道沉降和附加的应力变化规律；文献[2]结合数值模拟及现场监测对小间距双线隧道近距下穿车站时，工作面错距、注浆横通道与车站结构间距对车站及地表沉降的影响进行了研究；文献[3]采用数值模拟和现场实测相结合的方法，分析了新建双线盾构隧道近距离下穿施工过程中诱发车站结构变形的特征；文献[4]对某隧道盾构施工近距离下穿既有地铁出入口人行通道的施工过程进行分析，得出了其地层变位规律及对结构内力和变形产生的影响规律；文献[5] 运用FLAC3D软件建模，分析了某一隧道下穿既有车站出入口时，引起上部车站出入口结构产生沉降变形的情况；文献[6] 分析对比了既有车站不同沉降控制措施的有效性；文献[7] 对某隧道下穿既有运营隧道的最小理论净距进行了探析。

通过文献调研不难看出，下穿隧道开挖对既有车站旅客通道的影响研究较少，且以往研究多是基于下穿隧道正交或斜交于车站旅客通道的情况。本文基于某既有车站轨道交通土建预留工程折返线隧道穿越其旅客通道工程，针对其从旅客通道正下方长距离平行下穿状况及开挖跨度大的特点，通过定量与定性分析对该工程的安全风险进行前期探析，并提出安全风险控制建议。研究成果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

该既有车站轨道交通土建预留工程折返线隧道起终点为DK0+193.273—DK0+549.001，全长355.73 m。区间隧道正穿车站南站房、进出站旅客通道及北站房，最大埋深为30.8 m，最小埋深为16.0 m。折返线隧道在区间DK0+380—DK0+480段下穿铁路股道的同时轴线基本与进出站旅客通道平行，隧道拱顶与通道底板距离为9.0～10.0 m，折返线隧道与车站旅客通道空间位置关系见图1及图2。

图1 隧道与通道位置关系横剖面图

单位:cm

图2 隧道与通道位置关系纵剖面图

2 风险定性分析

2.1 隧道特征

隧道为单洞双线隧道，断面开挖宽度为14.1 m，开挖高度近10.0 m，属大断面大跨度隧道。隧道的形状和尺寸是其开挖扰动范围的重要因素。隧道跨度越大，自然成拱越高，松动区就越大，易产生塌方冒顶。

2.2 地层条件

隧道洞身穿越地层主要为全风化、散体状及碎裂状的强、中风化花岗岩，属于软弱围岩,强度低，压缩性高、自稳及自承能力差。该地层条件会加大隧道塌方及旅客通道变形过大的风险。

2.3 周边环境

折返线隧道在区间DK0+380—DK0+480段长距离平行下穿旅客通道，隧道开挖对旅客通道下部岩体扰动极大，施工风险极高。此外隧道周边布有车站桩基，最小净距仅为2.6 m ，且区间隧道施工至火车站站线范围时，铁路线路为运营状态，列车动荷载及隧道开挖扰动相互影响。

3 施工风险分析

该工程为在软弱围岩中进行大跨度隧道开挖。隧道下穿股道段风险源众多，一旦发生塌方或者大变形，将严重威胁工作人员生命安全。此外，鉴于该车站旅客通道为变形敏感的重要构筑物，与隧道位置临近，如果隧道施工引发地下通道开裂渗水等问题，可能会引起旅客恐慌，并对铁路运营安全造成极大隐患。因此，在对以上风险源进行分析的基础上，有必要结合定量分析对隧道近接施工可能产生旅客通道的安全隐患进行风险分析，并采取相应的风险控制措施。

由于本文限于依托工程的初期风险评估，考虑到数值模拟中较难精细化到旅客通道变形缝，且现实中变形缝的存在将使得通道相对柔性，减小结构受力，加上该工程变形控制标准较高，会严格控制隧道施工对通道的影响，故对旅客通道变形缝暂不进行深入讨论(后续研究中开展)。

3.1 模型建立

采用FLAC3D软件进行模拟。该模型地表面为实际环境条件，模型中左、右侧(X方向)边界距离洞边的距离约为洞跨的5倍，即左右各取70 m，下边界(Z方向)取3倍隧道开挖高度，上边界取至地表面车站结构底面，纵向宽度取120 m。以上取值可满足消除边界效应的要求。模型边界条件：顶面为自由边界，底面为固定边界，4个侧面约束法向位移，模型细部情况见图3。

图3 隧道工程数值模型细部图

基于地勘资料及文献调研，相关物理力学参数取值见表1。隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑:采用 Mohr-Coulomb屈服准则，围岩及地下通道、车站、桩采用三维实体单元，衬砌采用壳单元;钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土;管棚加固区以及超前小导管注浆，参考工程经验及前人相关研究结论[14]，采用提高弹性模量、黏聚力量值加以模拟;隧道结构的附近采用细密单元。

表1 隧道工程数值物理力学参数

按TB10001—2005《铁路路基设计规范》[8]中的换算土柱法，得列车及轨道等效荷载为60 kN/m。数值模拟基于安全考虑，隧道按全断面循环开挖考虑。

3.2 结果分析

下穿隧道开挖结束后，调取旅客通道关键节点相应指标的数值进行变形及应力变化分析。

以图2中DK0+380为起点，DK0+480为终点(隧道开挖方向)，选取隧道开挖结束后通道顶、底板中线节点竖向位移进行分析(见图4)。

图4 车站旅客通道竖向位移

图4表明： ① 隧道开挖结束后，该区段通道顶、底板竖向位移变化走势基本一致，且沿隧道开挖方向有减小趋势，但后期趋势趋于平缓； ② 因隧道先后开挖顺序原因，引起位移累积效应，导致顶、底板最大位移均位于旅客通道起点处，顶板最大位移为7.84 mm，底板最大位移为7.76 mm。

基于圣维南原理,选取旅客通道中间横截断面的应力状态进行分析，即可反映隧道下穿隧道开挖结束后对通道产生的附加应力效应。选取DK0+430处通道横截断面进行分析，以通道左端为起点、右端为终点(以X轴正方向为基准)，对隧道开挖前后通道顶、底板竖向应力变化进行分析(见图5、6)。

图5 车站旅客通道顶板竖向应力

图5、图6表明： ① 车站旅客通道顶板中间部位的竖向应力受隧道开挖影响不明显，但其它部位竖向应力较隧道开挖前有显著增大，最大增幅达76.8%; ② 隧道开挖后，在隧道上部区间形成的应力松弛区向上扩散,使旅客通道底板除中间部位竖向应力受隧道开挖影响较小外，其他部位均呈现明显的应力松弛。

图6 车站旅客通道底板竖向应力

4 风险控制措施

鉴于该工程风险大，故结合既有工程经验，在严格遵循相关规范的基础上[9-13]，制定了详细监测方案(见表2)。因车站处于运营状态，为使工程风险处于可控范围，具体措施多为隧道内施工控制措施，因此，必须加强车站及其相关附属设施的监测，以进一步确保工程安全(监测是风险控制重要手段之一)。此外，在类似建(构)筑物沉降控制值的文献[15-17]，考虑到风险源众多，结合相关经验及专家意见，适当提高了控制标准，所制定的控制标准详见表3。

表2 隧道工程监测方案

数值分析表明，车站旅客通道变形在允许范围之内，满足设计和施工要求，但变形情况较接近预警容许值(见表3)，且实际施工时存在众多不可控因素。为确保隧道本身及周边建构筑物的安全，施工时仍应尽量减小对地层的扰动，同时应用监测网对既有建(构)筑物进行实测反馈，及时调整和优化施工参数，并视情况决定是否采取相应加固措施。

表3 隧道工程监测控制标准

在对重要监测点进行24 h不间断监测的同时，为确保隧道本身安全及既有车站正常运营，应结合施工过程得到的监测数据，从多方面采取细化控制措施。在条件许可的情况下，可考虑对路基、进出站旅客通道、隧道周边围岩等采取进一步的加固措施，如长管棚超前预支护+注浆小导管径向注浆等，并建立预警机制及制定相应的应急方案。

5 结论

(1) 隧道DK0+380—DK0+480区段从既有车站旅客通道正下方长距离平行下穿，其工程特点导致施工风险加大。因此，必须采取合理有效加固、支护措施(相比非下穿段，采取管径更大的预支护管棚、加密钢拱架布置等措施)，并加强监控，保证隧道施工与旅客通道的安全。

(2) 旅客通道顶部最大变形量为7.84 mm，底部最大变形量为7.76 mm，最大变形位于通道起点顶、底板中间位置，变形量保持在监测控制标准范围内，但最大值已接近容许预警值。因此，应对地下通道四周土体采取进一步加固措施，减小围岩扰动效应。

(3) 鉴于车站结构及旅客通道均为重要构筑物，且施工过程仍存在不可预知因素，工程施工仍面临潜在风险，因此，应做好超前地质预报、动态设计，及时对设计与施工方案进行优化调整，必要时可综合考虑采用地表预加固或隧道内注浆等必要手段，以保证车站结构及旅客通道的正常安全运营。