管幕法下穿既有地铁隧道微变形控制技术*

陶连金， 张 倍， 刘新建， 罗文江， 赵 辉

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2. 北京城市交通协同创新中心，北京 100124；3.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100124；4.中铁十九局集团有限公司，北京 100124)

近年来，北京市大规模的轨道交通建设导致新旧结构的交叉穿越难度及风险越来越大，目前已建成和规划但未建成的地铁交叉结构超过40座，在2050年北京市区轨道交通线路规划图中，地铁车站、区间隧道等空间交错结构的节点高达118处[1].新建地铁车站下穿既有地铁线路的施工过程中，将不可避免地对周围地层产生扰动，引起周围地层变形并向上传递，造成既有结构承载力或支撑条件的降低或结构变形，而当地层变形量引起的附加应力超过结构的强度极限时，则会造成既有结构的损伤，甚至出现严重的安全事故.

管幕法是在结构体外围预先进行钢管顶进，并在钢管侧面利用锁扣连接，在锁扣空隙内填充止水材料，形成一个能抵御上部荷载的超前支护体系，并起到隔断周围水土的帷幕结构作用[2-4].管幕法可以减小隧道对上部土体、既有建构筑物和周围环境的扰动[5].作为地下空间开发的一种暗挖施工辅助工法，管幕法具有对周围环境扰动小、施工空间限制低、对复杂环境适应性强等特点[6]，因此在一些施工空间狭小，周边环境复杂的地下空间施工中，运用管幕作为支护结构，既能保证施工的安全进行，又能减少对周围环境的影响.北京地铁穿越施工中有部分工程尝试了管幕法超前支护施工，但效果较差，地层沉降控制不理想[7-8].目前，国内外对隧道下穿既有线工程实例及相关研究较多，对管幕超前支护法下穿既有地铁隧道工程也有大量的研究[9-12]，但对于管幕法近距离下穿既有线工程微变形控制研究非常少，新建隧道下穿既有运营隧道工程国内外尚未见报道，缺少相关工程经验和研究成果可借鉴.

1 工程概况

矿山法新建8号线木—大区间正线(木樨园桥南站—大红门站)近距离下穿既有10号线盾构区间(大红门站—石榴庄站)，下穿区间长度43 m，距离既有区间最近处2.5 m.新建区间隧道与上方的盾构隧道位置关系如图1所示.该工程是全国首例近距离下穿正在运行区间隧道的工程.既有10号线处于正常运营状态，对于隧道变形控制非常严格，要求穿越施工引起的既有线沉降不超过3 mm，隆起不超过2 mm.

工程采用“锁扣管幕+全断面深孔注浆”方案进行施工，即在隧道上导洞距离拱顶0.5 m处顶进29根Φ299 mm钢管幕，并进行注浆加固，管幕施工完成后对开挖面进行全断面深孔注浆，随后进行隧道的开挖.锁扣管幕对上部土体可以起到很好的支护作用，防止砂卵石坍塌，同时，可以保证上部土体在注浆作用时整体沉降或者隆起，避免局部不均匀变形.根据工程详细勘查报告，新建隧道下穿既有隧道穿越土层主要是砂卵石地层.管幕施工方案如图2所示.

由于该工程施工过程复杂，土层变形控制极其严格，新建矿山法区间隧道处于密实的砂卵石地层中，新旧结构净距小，以管幕预支护为主的微变形控制技术难度大，穿越风险极高.本文采用现场原位试验和空间三维数值模拟相结合的方法模拟管幕法下穿既有线施工对周围土体及既有结构沉降变形的影响.

2 数值模拟研究

采用FLAC3D软件建立简化三维模型，如图3所示.土体划分为5层，由上至下依次为：填土、粉细砂、圆砾卵石、粉质黏土、砂卵石，各层土体及注浆区均采用摩尔-库伦破坏准则.模型的上边界为地表，竖向共取44 m，平行钢管顶进方向取37 m，垂直钢管顶进方向取61 m.地表为自由边界，不考虑地面超载作用，模型侧面和底面为位移边界，限制水平移动，底部限制三个方向的位移.

钢管间锁扣及注浆采用弹性介质模拟，钢管及隧道衬砌采用壳单元模拟，土的物理力学参数参照所依托工程的地质勘查资料采用加权平均法确定.模型中材料的物理力学参数取值如表1和表2所示.

表1 土和注浆材料参数

表2 锁扣和壳单元材料参数

管幕顶管顺序为：从中间向左侧依次顶进左侧钢管，左侧完成后，从中间向右侧依次顶进右侧钢管.采用应力释放来模拟钢管顶进对土层的扰动，应力释放率取0.9，分10步等比例释放完成，比例系数为0.99.实际施工时，由于施工机械和场地的限制，左线和右线管幕只顶进了25根钢管.8号线下穿10号线工程管幕施工和新建隧道施工数值模拟过程为：

第一步：生成模型，计算初始地应力，初始位移清零；

第二步：左线第1～25根钢管顶进及注浆加固；

第三步：左线全断面注浆开挖隧道上导洞施做临时仰拱及初衬；

第四步：左线隧道下导洞开挖及二衬施做；

第五步：右线第1～25根钢管顶进及注浆加固；

第六步：右线全断面注浆开挖隧道上导洞施做临时仰拱及初衬；

第七步：右线隧道下导洞开挖及二衬施做.

2.1 单根钢管施工数值模拟

为了研究单根钢管顶进施工过程对地层变形的影响，现场施工开始前进行了顶管施工现场试验，通过在钢管上部土层中布置多点位移计监测顶管施工引起的土层竖向位移.数值模拟中，在距离第一根钢管起始端17 m正上方的位置由下至上布置7个位移监测点a、b、c、d、e、f、g，如图4所示，与钢管的净间距分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m.

第一根钢管顶进施工过程，各监测点竖向位移分布曲线如图5所示.各测点数值模拟土层最终沉降位移结果及现场试验监测结果，如图6所示.

单根钢管施工数值分析结果和现场试验结果呈现出相似的规律：钢管顶进对管上方的土层扰动表现为引起土层沉降；距离钢管上方越远的土层沉降变形越小；管幕单根钢管施工时，随着土层与钢管距离增加，周围土层的扰动呈现出负指数衰减趋势.

数值分析中各测点的最大位移值和试验监测结果能够较好地吻合，与现场试验监测结果相比，数值模拟计算结果最大相对误差仅12.5%.证明了数值模拟采用的分析模型和参数取值比较可靠，能够较好地模拟实际工程土层的扰动.

2.2 下穿施工过程上部土层扰动模拟

单根管幕数值模拟验证了数值模拟所取参数的可靠性，基于此继续模拟管幕支护结构施工和新建隧道双线下穿既有线施工过程.本文选用管幕上部土层的位移作为施工扰动大小的判别标准，故在新建隧道左线管幕穿越既有线的交叉位置布置10个位移监测点，如图7所示.既有线北线下布置5个监测点，由下至上依次编号1、2、3、4、5，距离管幕顶端正上方高度分别为0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m；既有线南线下方布置5个监测点，由下至上依次编号6、7、8、9、10，距离管幕顶端正上方高度分别为0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m.

同样，在新建隧道右线管幕穿越既有线的交叉位置布置8个位移监测点，监测点布置位置同左线相同，如图8所示.

在既有线轨道中心线上布置位移监测点，如图9所示.既有10号线北线上布置28个监测点，从左至右依次编号为21～48，测点21～48距离模型左边界距离依次为：9 m、12 m、15 m、18 m、19 m、20 m、21 m、22 m、23 m、24 m、25 m、36 m、28 m、30 m、31 m、33 m、35 m、36 m、37 m、38 m、39 m、40 m、41 m、42 m、43 m、46 m、49 m、52 m.同样在南线上布置28个测点，从左至右依次编号为49～76，测点布置方式与北线相同.为方便分析，在模型中经过左线轴线位置取纵剖面1-1.

模拟每步施工过程，提取各施工步完成后土层竖向位移.为了更清晰地显示位移云图中管幕上方土层的竖向变形分布规律，提取了纵剖面1-1在左线管幕施工完成、左线隧道施工完成、右线管幕施工完成、右线隧道施工完成后土层的竖向位移云图，如图10(a)～(d)所示.右线隧道施工完成后，1-1剖面土层水平向位移云图如图11(a)～(b)所示.

分析左右线管幕施工和隧道开挖施工土层竖向沉降云图和施工完成后土层水平向位移云图可知：

(1) 管幕施工引起上方土层沉降最大位置在管幕两侧拱腰附近，隧道施工完成后，土层沉降最大的位置在管幕的最上方.管幕和隧道开挖均引起上部土层沉降，下部土层隆起.

(2) 管幕施工和隧道开挖施工对周围土层的扰动沿隧道开挖方向均匀分布.

(3) 新建隧道下穿既有隧道施工引起周围土层竖向位移相对较大，水平向位移相对较小，且主要引起上部土层的沉降.施工完成后，上部土层竖向最大位移约-3 mm，X向最大位移仅约1 mm，Y向最大位移仅约0.25 mm.

测点1～20随施工的进展竖向位移发展曲线如图12所示.测点21～76每步施工引起的竖向位移如图13所示.

分析各施工步监测点竖向位移曲线可知：

(1) 左线和右线的管幕施工和隧道开挖施工均会互相影响，上部土层沉降具有明显的叠加效应.单线隧道施工引起土层最大位移约2.1 mm，双线隧道施工引起土层最大位移约2.8 mm.

(2) 左、右线上部位移监测点最终沉降非常接近，说明既有结构的沉降与新建隧道的施工顺序关系不大.

(3) 垂直于隧道开挖方向的纵截面，管幕施工和隧道开挖引起的土层沉降与peck沉降槽较为相似.

(4) 左线管幕施工造成既有线竖向最大沉降为0.8 mm，左线隧道施工完成时既有线最大沉降为2.5 mm，右线管幕施工完成时既有线最大沉降为1.5 mm，右线隧道施工完成后既有线最大沉降为2.8 mm，均满足沉降控制要求.

3 施工现场监测

根据新建工程与既有地铁的平面位置关系，轨道结构竖向变形监测仪器布设在新建暗挖区间下穿既有10号线地铁区间影响范围内，每隔10～20 m布设一个测点，共需要18个静力水准点，布设平面图如图14所示.

由于测点较多，而距离8号线新建隧道轴线较远的测点沉降值较小，监测结果离散性较大，故取新建隧道下穿10号线的交叉穿越正上方位置4个沉降明显的自动化监测点N4、N6、S4、S6进行竖向变形分析，下穿施工全过程中4个位移监测点的累积沉降曲线如图15～图18所示.

在8号线新建隧道下穿10号线隧道的施工过程中，施工单位根据第三方监测反馈的既有线隧道和轨道结构的竖向变形值，进行了多次背后补偿注浆，一旦发现既有隧道结构沉降增长趋势大或者沉降接近预警值时，马上采取在既有线下方进行背后补偿注浆的措施.施工全过程中，4个位移监测点的沉降均未超过3 mm，隆起均未超过2 mm，满足沉降控制要求.可见在管幕支护结构的保护下进行背后补偿注浆可有效地补偿地层损失，减小地层沉降.

新建线施工完成后，南线和北线的最终竖向位移见图19(a)和(b).

图中北线和南线两条土层沉降曲线与数值模拟计算结果具有相似的规律性，测点沉降曲线与peck沉降曲线较为相似.在新建隧道正上方的测点在沉降槽曲线中均为沉降极大值点.与数值模拟计算结果相比，既有线隧道内布置的监测点沉降值明显小于数值计算结果，所有监测点最大沉降均小于2 mm，其原因可归纳为：①实际施工过程中，进行了多次背后补偿注浆，背后注浆对地层有明显的抬升效果，将地层沉降始终控制在2 mm以内；②数值计算中隧道衬砌采用壳单元模拟，壳单元和周围土体单元共用节点，因此壳单元和周围土体具有相同的位移，而实际衬砌和周围土的位移并不相同.

4 结论

通过管幕法施工的现场数据监测，分析管幕单根钢管顶进施工对管幕上方土层变形的影响；建立三维数值计算模型，分析了管幕施工和管幕预支护结构作用下隧道施工上部土层的扰动以及变形分布规律：

(1) 管幕施工引起上部土层沉降最大位置在管幕结构的拱腰附近，管幕支护作用下隧道施工引起上部土层沉降最大的位置在管幕结构的拱顶附近.

(2) 新建双线隧道下穿既有隧道施工中，新建隧道的两条隧道施工对周围土层的扰动具有明显的叠加效应.

(3) 采用管幕预支护体系近距离下穿既有线施工，可以将既有结构沉降变形控制在允许范围内.