地下通道穿越轨道交通的施工工艺分析

(郑州市市政工程总公司，河南 郑州 450000)

随着城市需求量的倍增，轨道交通规模急剧扩大，早期规划方案中未预留穿越条件与接口位置，因此新建的线路工程不可避免穿越既有线路或区间。穿越既有轨道工程作为特级环境风险工程，存在较多的结构安全和运营问题，对既有线路的影响更多的是区间隧道以及换乘通道和风道等附属设施对既有隧道的叠加影响[1-4]。目前，针对穿越既有线路的工程研究主要集中于对线路施工工艺[5-7]、变形规律和技术[8-11]方面实现，而要做好对既有线路保护，需同时对线路方案、站位方案以及既有建筑方面来避免后期结构安全问题[12-14]。如李玉林等[15]采用有限元法分析了新建隧道对既有线结构围岩的位移影响；童丽红等[16]通过研究地下工程近距离穿越轨道交通施工工艺，总结了盾构法、暗挖法和托换法的施工特点和适用条件，并给出了各施工工艺的典型案例表征；刘和伟等[17]针对穿越既有线路工程变形特征提出了使用新建隧道沉降的预测评价方法，通过采用天然地基变形计算公式来对隧道线路的沉降系数和损失系数进行修正，给出了沉降槽宽度系数与结构刚度、隧道埋深与夹角等参数间的相互关系。

本文在相关研究基础上，以南方城市某一地下隧道穿越既有轨道工程为对象，选取5个典型的施工节点来进行结构稳定性分析，并利用有限元软件和工程实测值对比分析获得不同施工节点下隧道的变形位移参数，以期获得交叉隧道施工中对既有线路的稳定性影响。

1 有限元模型建立

1.1 工程背景

A市位于南方沿海地区，属于国内4大一线城市之一。近年来，大力发展地下交通网络，先后开建6条地下轨道线路。由于受过去交通规划限制，不可避免产生轨道交叉。B站台是地铁5号线与新建21号线交汇站，采用T型站位布置，见图1。既有5号线站台采用中间单层暗挖，两端三层明挖施工方法，站台主体长181 m，三层明挖段为19 m(宽)×19.58 m(高)，顶板覆土厚3.2 m，底板埋深22.68 m。单层暗挖段长60.2 m，顶板覆土厚13.8 m，底板埋深23.7 m。

新建21号线为单洞单线马蹄形断面隧道，新建站台隧道顶与既有5号线底板紧贴，成90度交角，下穿5号线双联拱暗挖单层。新建线路穿越断面层为6.6 m(高)×6.3 m(宽)。采用台阶法+临时仰拱施工，初支和二支厚度均为300 mm。

图1 区间穿越既有线平面图Figure 1 Interval traversing the existing line plan

隧道穿越既有5号线站区段处于粉质粘土层、中粗砂1层，围岩分级为Ⅵ级。地下水由上而下依次为滞水、潜水和承压水。

1.2 穿越方案设计

正洞断面格栅间距@500 mm，开挖6.3 m(宽)×6.6 m(高)。在K12+905.0～K12+936.0段采用台阶法+临时仰拱角开挖方式。初支厚300 mm，采用C20混凝土喷射，二衬厚300 mm,采用C40防水混凝土，P12抗渗等级，自粘胶膜防水卷材厚1.2 mm。

穿越线路中深孔注浆是重要的辅助措施。研究确定K12 +900.0 ～K12 +935.0线路段为深孔注浆范围，采用分段多次注浆。注浆加固要求开挖面土体无侧限抗压强度最低标准为0.6 MPa，土体周边加固区1.2 MPa，底板注浆压力小于0.5 MPa，注浆前进行临时封端，注浆段长12 m，各段搭接长度2 m。深孔注浆左右侧各3 m，底部2 m。另外增设250 mm厚临时仰拱，图2为穿越隧道断面图。

图2 穿越隧道坡面图(单位：mm)Figure 2 Crossing tunnel slope(Unit:mm)

隧道采取交叉施工方式，即线进行左线上导洞的施工，再进行右线上和左线下导洞施工，然后进行右线下导洞施工，当完成左右导洞的施工后，采用同样交叉施工方式进行左右线二衬的施工。

1.3 穿越隧道模型构建

本节通过利用FLAC3D计算软件中的“地层-结构”分析模型来模拟洞室注浆处理下索道穿越已有线路的施工，分析穿越隧道对既有线路站台影响。假设支护与周边岩土间密贴，一次成型。将新建隧道、既有站台和周边地层作为一个三维模型，取隧道深度以下13 m为底部边界，侧边界距模型中部4倍洞径。设底边界竖向位移约束，侧边界水平约束，地表为自由边界。如图3为建立三维计算模型结构，共划分为201 344个节点202 545个单元，模型Z轴正向为隧道开挖方向，图4为既有车站在区间隧道位置图。

图3 三维计算模型结构图Figure 3 3D computational model structure diagram

图4 既有车站在区间隧道位置图Figure 4 location of existing stations in section tunnels

将围岩结构作为弹塑性材料，支护结构为弹性材料。围岩与初支护结构的物理力学参数见表1。

表1 模型多层结构材料性能参数Table 1 Performance parameters of multilayer structural mate-rials based on model构件层厚/m弹性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)摩擦角/(°)内聚力/kPa初期支护—2.6×1040.223——既有结构—3.1×1040.223——二次衬砌—3.1×1040.223——第一层5 360.316.82819 第二层10 86 0.272026 9.5第三层151120.2720.327 11.5第四层101280.2720.631 9.8第五层41330.2820.83310 加固区34960.252150100

根据隧道穿越既有线路情况，采用台阶法进行施工开挖，同时进行上下部和左右隧道施工。上导洞预应力核心土超前开挖3 m，在进行一个开挖循环后进行初期支护，完成上导洞开挖后施加临时仰拱。在数值模拟过程中，首先为零阶段，然后进行开挖加固，每步开挖1 m，导洞开挖各50步，初支滞后开挖土方一步。完成上台阶开挖后进行下台阶开挖，二衬施工在隧道贯通后进行，按照5 m一步开挖，拱10步。整个隧道开挖工作共114步。

为详细分析隧道区间开挖度既有线路地形地表的影响，选取5个典型施工步骤进行模拟分析：上台阶开挖至25 m；上台阶贯通；下台阶开挖至25 m;下台阶贯通；完成二衬施工。

2 测试结果分析

2.1 既有线开挖模拟结果

图5为5个典型施工阶段下的地表沉降槽曲线图。对图中曲线分析可知，地表沉降值随区间隧道开挖进行不断增大。当完成二衬施工后，产生竖向最大位移量，最大位移为2.07 mm。其中，隧道竖向位移沿X轴向(隧道开挖25 m处方向)对称，并在隧道开挖25 m处产生最大竖向位移。

图5 典型施工阶段地表沉降槽曲线Figure 5 Surface subsidence trough curve in typical construction stage

图6为5个典型工况下既有车载竖向位移云图。对各典型阶段位移云图分析可以看出，既有线路竖向位移随区间隧道开挖而不断增大，当完成二衬施工后，既有车站产生最大竖向位移，最大位移位于新建隧道左上既有车站底板中部，最大竖向位移量为2.59 m。

在既有线路隧道上方坐标原点处布置4个节点，各典型施工段监测点竖向位移见图7。可以看出，随着隧道的开挖，既有线路监测点的沉降不断增大，一直持续到下台阶贯穿后再进行二衬施工，监测点位移逐渐稳定。同时可以看出，在上台阶开挖至线路正下方阶段，各测点沉降变化速率较快，上台阶贯通施工完成后的测点监测竖向位移达到了总位移量的70%。施工完成后，轨道1左侧和右侧竖向位移量分别为2.35、2.30 mm，轨道2左侧和右侧竖向位移量分别为2.46、2.40 mm。

2.2 既有线开挖实测数据

根据现场施工状况，设置车站监测点对线路施工进行沉降变形监测。以既有5号线站台中心线作为中心，沿南北向对既有线路南北轨道中心线进行监测，监测点间距10 m，布置到开挖影响范围外20 m，共布置监测点20个。根据现场监测记录，对上述5个典型施工工况下的既有线路变形特点进行分析，并获得5个典型施工全过程的沉降曲线，如图8所示。

(a) 上台阶开挖至25 m竖向位移云图

(b) 上台阶贯通竖向位移云图

(c) 下台阶开挖至25 m竖向位移云图

(d) 下台阶贯通竖向位移云图

(e) 二衬施工完成竖向位移云图

Figure 6 Vertical displacement cloud map of tunnel under typical construction conditions

图7 监测点沉降值关系曲线图Figure 7 Relationship between settlement values of monitoring points

图8 典型施工段既有线沉降曲线Figure 8 Settlement curve of existing railway in typical construction section

从图8可知，车站既有线路整体上浮最大值达3.72 mm，超过上浮规定值，是因为穿越轨道初始阶段需对线下土体进行注浆加固处理，易造成既有线路整体上浮。隧道开挖后，结构沉降值出现一定幅度下降，但最大沉降值达-2.8 mm，最终二衬施工完成后，最大上浮值为1.2 mm,最大下沉值为-1.2 mm，均在规定范围内。从各典型施工段沉降变形来看，左线上导洞开挖引起最大沉降为-1.2 mm，由于上台阶贯通和下台阶开挖工作是同步施工的，该阶段的最大变形量为-1.6 mm。

对沉降曲线分析可知，注浆段对隧道的抬升有利于控制后续结构整体的沉降控制，但注浆阶段应控制好压力，避免发生结构性破坏。既有线路结构沉降集中在上导洞开挖段，当上导洞临时仰拱形成后，后续施工段对既有线的影响减小。

2.3 数值模拟对比分析

本节段上述5个典型施工段的实际监测和模型模拟数据进行对比分析，研究模拟结果的合理性。

图9为全部施工完成后的站台沉降曲线对比图。可以看出，尽管施工初期注浆压力控制存在一定的差异性，使得站台结构存在一定的上浮。但比较整体沉降曲线的监测数据和模拟曲线可以看出，两组数据曲线的变化曲线基本一致。数值模拟最大沉降值为-2.46 mm，实际监测的最大沉降为-2.8 mm,两组沉降值基本保持一定。

图9 站台结构沉降曲线对比图Figure 9 Contrastive diagram of settlement curve of platform structure

图10为上导洞施工至既有站台中线阶段实测值和模拟曲线。实测曲线中，左线开挖至站台中心点沉降值在-0.4～-0.9 mm间，变形影响区间主要集中在左右线隧道两侧30 m。数值模拟中轨道1右侧开挖至站台中线沉降值为-1.19 mm，占施工阶段总沉降的51.7%，而该处实测沉降值为-1.2 mm,占施工段总沉降的48%。

图10 上导洞施工至车站中心沉降曲线图Figure 10 The curve of settlement from the construction of the pilot tunnel to the center of the station

图11为初支完成阶段的实测值和模拟曲线对比图。在初支完成阶段，数值模拟沉降值为-2.40 mm，而地表沉降槽实测最大沉降为-2.4 mm，二者完成吻合。当初支完成后，数值模拟轨道1右侧点实测沉降最大值为-1.64 mm，占总沉降的71.3%。而该处实测最大沉降值为-2.4 mm，占总沉降的96%。

图11 初支完成段沉降曲线对比图Figure 11 Comparison diagram of settlement curve at completion stage

3 结论

a.穿越线路中深孔注浆采用分段多次注浆，注浆前进行临时封端，同时增设临时仰拱。隧道采取交叉施工方式，即按照左线上导洞—右线上导洞—左线下导洞施工—右线下导洞—二衬施工顺序。

b.随区间隧道开挖的进行，地表沉降值和竖向位移不断增大。在上台阶开挖至线路正下方阶段，各测点沉降变化速率较快，占总位移量的70%。在二衬施工完成后，产生竖向最大位移量，最大位移位于新建隧道左上既有车站底板中部。

c.隧道开挖后，通过对线下土体进行注浆加固处理导致既有线路站台整体上浮。注浆段对隧道的抬升有利于控制后续结构整体的沉降控制，但注浆阶段应控制好压力，避免发生结构性破坏。既有线路结构沉降集中在上导洞开挖段，当上导洞临时仰拱形成后，后续施工段对既有线的影响减小。