上中隔壁下双侧壁预锚锭工法在清华园隧道上穿地铁15号线中的应用

凌云鹏 刘 方 吕 刚 王文谦 张宇宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，随着我国基础交通设施的大力发展，铁路建设的步伐也在逐渐加快，高速铁路迎来了一轮新的建设高潮[1-3]。受铁路线形和城市线网规划的影响，高速铁路不可避免地会与既有城市轨道交通产生立体交叉，对既有轨道交通的安全运营产生较大的影响[4-7]。

在北京、上海、广州等一线城市，随着其城市轨道交通网络的加密，新建工程近接既有轨道交通的案例逐渐增多[8-12]。陈建桦[13]通过数值模拟的方法对广深港客运专线隧道下穿深圳地铁3号线隧道的施工力学问题进行研究，得出采用三台阶法施工时结构位移和安全系数能够满足运营要求的结论，并提出了“管棚预支护+旋喷桩”安全措施；梅勇文[14]对沈阳某隧道上跨地铁区间隧道的施工进行分析和研究，提出设置“抗拔桩+坑内外加固”等控制既有隧道变形的措施。张文超等[15]对新建地铁隧道下穿既有隧道进行数值模拟，得出了隧道近接施工过程中既有隧道的变形规律。周力军[16]通过对地铁隧道下穿市政隧道的分析和研究，提出了下穿市政隧道的保护措施。陈城等[17]对北京地铁8号线区间隧道下穿地铁10号线区间隧道进行数值模拟，通过优化超前注浆范围，确保了既有地铁隧道的安全运营。

大量案例的分析表明，大部分近接工程都是以下穿为主，上穿既有隧道的较少。对于新建工程下穿既有隧道，目前常用的措施有加强超前支护和合理的施工方法，如大管棚超前支护，三台阶临时仰拱法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等[18-20]，而对上穿既有隧道工程的情况，常规施工方法难以控制既有隧道的上浮，尤其是在粉质黏土、卵石土等软弱围岩中，有必要引入新的施工工法来确保既有工程的安全运营。

以京张高铁清华园隧道近距离上穿北京地铁15号线为工程背景，提出一种新的施工方法：上中隔壁下双侧壁预锚锭工法，并通过数值模拟和现场实测，对该工法的实施效果进行验证。

1 工程概况

1.1 新建工程概况

京张高铁清华园隧道位于北京市海淀区，于学院南路南侧入地，于五环内出地面，进口里程DK13+400，出口里程DK19+420，全长6020 m。全隧依次下穿学院南路、北三环路、知春路、地铁10号线、北四环路、成府路、双清路。全隧近距离并行地铁13号线，并穿越3处地铁、6处主要市政道路及大量重要市政管线，对轨道交通等基础设施的安全运营产生较大影响。

清华园隧道全线平行地铁13号线，并于DK18+539处上穿地铁15号线折返线，该处左线线路中线与地铁13号线桥梁桩基础的距离为19 m，埋深5.1 m，与地铁15号线隧道之间的净距为0.8 m，且该段落附近存在多处天然气、电力和雨水管道，迁改困难，只能采用暗挖法施工，其位置关系如图1、图2所示。

图1 新建清华园隧道与地铁平面位置关系(单位：m)

图2 新建清华园隧道与地铁立面位置关系(单位：cm)

地层以第四系全新统人工堆积(Q4ml)杂填土和第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)为主，自上至下地层依次为杂填土、粉土、粉质黏土、卵石土、细圆砾土。隧道基底主要是粉质黏土，围岩级别为Ⅵ级。

1.2 既有地铁概况

与该段并行的地铁13号线高架桥墩基础为直径1 m的钻孔灌注桩(摩擦+端承桩)，桩长25 m或34 m。轨道结构为无砟轨道，60 kg/m钢轨。

该段15号线为双线暗挖隧道(高10.02 m×宽12.3 m)，采用“初期支护+二次衬砌”的复合式衬砌结构。初期支护(厚度0.35 m)采用C20喷射混凝土，格栅钢架，钢架间距0.5 m；二次衬砌(厚度0.6 m)采用C40钢筋混凝土，抗渗等级为P10，如图3所示。轨道结构类型为无砟轨道，60 kg/m钢轨，且上穿影响范围内存在1组交叉渡线(9号道岔)。

该段落施工难度大，安全风险高，施工过程中如何控制15号线的上浮是一个亟待解决的问题，目前国内暂无如此近距离上穿地铁隧道的先例。

2 设计方案

2.1 复合式衬砌设计

上穿15号线暗挖段埋深约5.1 m，与15号线净距为0.8 m，与13号线桥梁桩基础的净距为13.9 m。采用上中隔壁下双侧壁预锚锭工法施工，其中上台阶设置临时中隔壁和临时仰拱，必要时中隔壁延伸至隧道底部。暗挖段采用复合式衬砌，曲墙带仰拱结构，初支厚度为35 cm，采用格栅钢架，钢架间距为0.6 m，二次衬砌拱墙厚度为50 cm，仰拱厚度为60 cm。侧导洞初期支护厚度为22 cm，采用I16型钢钢架，钢架间距为0.6 m；临时中隔壁和临时仰拱厚度为22 cm，采用I18型钢钢架，钢架间距为0.6 m。复合式衬砌断面见图3。

图3 复合式衬砌断面(单位：cm)

为了保证钢架拱脚的稳定，在上台阶钢架处设置扩大拱脚，并在侧导洞内设置C30钢筋混凝土，作为上台阶钢架扩大拱脚的基础。

2.2 抗浮锚索设计

为控制15号线上浮，在两侧导洞扩大基础内设置了预应力锚索，扩大基础分两次浇筑。在15号线两侧新建隧道左、右侧导洞扩大基础脚趾上各设置3道预应力锚索(共计36道预应力锚索)。

预应力锚索为5φ15.2 mm钢绞线，长度分别为25 m、30 m，设计拉力分别为600 kN、700 kN，锚固段长度均为14 m，打设角度为90°(垂直于地面)。预应力锚索布置如图4、图5所示。

图4 预应力锚索立面布置(单位：cm)

图5 预应力锚索平面布置

预应力锚索采用分批张拉的方式，先张拉扩大基础内的12根预应力锚索至设计值，再依次张拉其余锚索，直至张拉至设计值。

3 数值分析

为了验证技术方案的合理性，采用FLAC3D有限差分软件对暗挖上穿15号线施工过程进行数值模拟。

3.1 计算模型及参数

图6 整体三维模型

三维模型的尺寸为80 m×64 m×62 m，其中沿新建隧道和既有15号线隧道方向长度分别为64 m、80 m，模型如图6、图7所示。模型顶部为自由面，不施加约束，其余各面都施加法向约束。隧道围岩采用M-C模型，其余材料采用线弹性本构模型，围岩及隧道衬砌单元采用Solid45单元，围岩及隧道支护结构力学参数见表1。

图7 清华园隧道与地铁15号线相对空间位置

表1 计算参数

3.2 计算工况

采用上中隔壁下双侧壁预锚锭工法来模拟隧道的施工过程，具体施工工序如表2所示。

表2 施工工序

3.3 结果分析

(1)15号线竖向变形分析

隧道开挖完成后，地铁15号线竖向变形如图8所示。

图8 15号线轨道竖向位移

计算完成后，15号线轨道最大上浮值为1.35 mm，位移基本沿15号线隧道纵向对称分布。

(2)15号线二衬受力分析

清华园隧道施工过程中，引起15号线出现上浮，对15号线二次衬砌受力产生影响。施工完成后，15号线二次衬砌最大拉应力如图9所示。

图9 15号线二次衬砌最大拉应力

由图9可知，隧道施工完成后，最大拉应力出现在交叉位置附近，主要分布于拱腰位置，最大拉应力值为1.1 MPa，小于GB50010—2010《混凝土结构设计规范》规定的1.71 MPa，表明二次衬砌安全。

(3)锚索对抗浮的作用分析

以15号线轨道为研究对象，分析锚索的抗浮作用。隧道施工完成后，施加锚索和不施加锚索情况下，15号线轨道沉降曲线如图10所示，锚索受力如图11所示。

由图10可知，在无锚索情况下，15号线轨道最大上浮值为4.16 mm；有锚索情况下，最大上浮值降低至1.35 mm。通过图11可知，施工完成后，锚索最大轴力为541 kN，与设计值比较接近。施加锚索后的位移和受力分析表明，预应力锚索对15号线的上浮有显著的控制作用。

图10 15号线轨道竖向变形曲线图11 锚索轴力

4 现场实测

为了保证隧道施工过程中15号线的安全运营，验证支护结构和施工方法的合理性，在上穿范围内设置9个监测断面，每个监测断面设置4个轨道沉降监测点和2个衬砌沉降监测点，共计36个测点，现场监测点具体布置如图12、图13所示。

图12 监测点平面布置

图13 监测点横断面布置

隧道开挖完成后，选取靠近隧道中线的GDC01-1～GDC09-1测点为研究对象，以清华园隧道中线与15号线隧道中线交叉点为中心(x=0)，得出沿15号线方向的轨道竖向变形曲线(如图14所示)。

图14 15号轨道竖向变形实测曲线

从图14可知，隧道开挖完成后，15号轨道最大上浮1.05 mm，且上浮曲线基本呈对称分布。

选取受施工影响最大的GDC4-1～GDC6-1为研究对象，该暗挖段施工时间为2018年4月22日～2018年12月28日，在此施工期间，监测点位移随时间的变化曲线如图15所示。

图15 15号轨道竖向变形随施工进度的实测曲线

通过对图15的分析可知，随着开挖的进行，15号线轨道上浮值越来越大，开挖完成后，其上浮值基本趋于稳定，最大上浮值为1.2 mm，与数值模拟计算结果基本一致，小于运营单位提出的道岔区2 mm的控制指标。

5 结论

以京张高铁清华园隧道上穿北京地铁15号线区间隧道为工程背景，详细论述了设计方案，对设计方案进行了数值模拟计算以及现场监控量测，结论如下：

(1)数值模拟结果表明，施工过程中，15号线轨道最大上浮值为1.35 mm，小于运营单位提出的道岔区2 mm的控制指标，二次衬砌最大拉应力为1.1 MPa，满足现行规范规定的限值，能够保证15号线的安全运营。

(2)对有无锚索工况的对比分析表明，施加锚索后，15号线轨道上浮值降低至1.35 mm，且锚索轴力与设计值较为接近，说明在侧导洞内施加锚索可以有效控制15号线隧道的上浮。

(3)现场监测表明，地铁15号线轨道上浮最大值为1.2 mm，证明了设计方案的合理性。