新建隧道超小净距下穿既有隧道施工沉降规律研究

王美霞，赵凤凯

(青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266000)

1 工程概况

青岛地铁8#线区间线路全长99.232 m，采用矿山法施工，区间隧道以单洞单线形式敷设，线间距37 m，平面线型为直线。其中，青沧区间左线里程ZDK47+540.430～ZDK47+670下穿已运营地铁3#线永青区间，采用非爆破暗挖法施工，先下穿3#线右线，平面角度约16°，后下穿3#线左线，平面角度约17°，纵断面坡度为30‰～2‰(西高东低)。

青岛地铁3#线于2015年12月16日北段通车运营，全线开通运营时间为2016年12月18日。3#线线间距10.235～13 m，平面线型为圆曲线、缓和曲线，纵断面坡度为13‰(西低东高)，采用矿山法爆破施工。下穿段范围内，3#线右线YDK24+160～YDK24+242.004列车运行速度72.5 km/h，左线ZDK24+108～ZDK24+200列车运行速度74.5 km/h。

8#线拱顶至3#线底板距离为0.445～4.247 m。8#线洞身位于中、微风化花岗岩，设计为VI级围岩，岩石强度单轴饱和抗压强度最大43 MPa。地下水以第四系孔隙潜水、基岩裂隙水为主，地下水量中等。

2 沉降规律数值模拟分析

2.1 数值模型建立

计算采用岩土有限元分析软件MIDAS/GTS建立整体三维有限元模型进行计算分析。模型建立在如下简化与假设基础上：3#线和8#线均处于最不利地层条件选定，模型自上而下地层划分为杂填土、强风化下亚带、中风化节理发育带、微风化节理发育带；初始应力假定为自重应力场，即各土层均呈匀质水平层状分布切同一土层各向同性，结构体变形、受力均在弹性范围内；不考虑地下水影响。

以地铁8#线线路方向为Y轴，其垂直方向为X轴，竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析。为消除模型边界效应，X轴方向取120 m，Y轴方向取80 m，Z轴(深度)方向取60 m。由此建立的模型如图1所示。模型计算采用4节点四面体单元和8节点六面体单元，共包含356 267个单元和77 247个节点。计算模型中各地层物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数

图1 数值计算模型

模型中除自重外，考虑列车荷载。列车车轴重140 KN，六辆编组，单辆列车荷载如图2所示。

图2 列车竖向活载图

2.2 计算结果分析

地铁3#线区间右线隧道结构沉降云图见图3。可知，地铁8#线右线开挖完成后，地铁3#线最大沉降发生在右线区间，沉降部位位于隧道拱顶，最大沉降值为0.000 7 mm,水平位移为0.011 6 mm。

图3 右线隧道结构沉降云图

地铁3#线区间左线隧道结构沉降云图见图4。可知，地铁8#线左线开挖完成后，地铁3#线最大沉降发生在左线区间，沉降部位位于隧道拱顶，最大沉降值为0.283 mm,水平位移为0.000 5 mm。

图4 左线隧道结构沉降云图

综上分析，地铁8#线隧道开挖对既有3#线结构变形影响较小，3#线结构变形主要表现为竖向位移，水平位移可忽略不计，影响最大工况为8#线左线掌子面距3#线最近时工况，最大竖向位移为0.393 mm，最大水平位移为0.000 5 mm，满足3#线结构安全要求。

3 沉降规律现场监测数据分析

3.1 监测布设概况

为保证既有地铁3#线永青区间在8#线下穿施工过程中的运营安全，对既有地铁区间隧道结构采用自动化监测，监测区段里程DK24+100～DK24+250，监测范围为150 m。监测点布设于隧道主体，双线双洞。既有地铁3#线永平青区间监测点布置。测量初始值采集时间为2019年2月22日，截止2019年9月25日完成测量工作。

3.2 监测沉降数据分析

通过在地铁3#线隧道内布设自动化监测设备，24 h实时监测3#线轨道沉降、结构收敛等数据变化情况。经监测可知，地铁3#线永青区间隧道各项监测数据正常，运营地铁3#线结构的累计沉降值控制在2 mm以内，远低于运营3#线结构沉降控制值5 mm。地铁3#线永青区间左右线隧道监测点沉降曲线见图5。

图5 隧道监测点沉降曲线图

4 施工难点及控制措施

(1)下穿段隧道开挖采用非爆开挖，减少土体及岩体间震动，降低地铁3#线拱底下沉及沉降。经过充分的方案论证，采用悬臂掘进机进行下穿段开挖施工。

(2)采用台阶法开挖，开挖完成后及时施做初期支护，严格控制开挖进尺与开挖轮廓。

(3)实施自动化监测，采用测量机器人、小棱镜等监测设备，24 h实时监测地铁3#线轨道沉降、结构收敛等数据变化情况。

(4)实施运营安全评估与限速，下穿施工期间，列车通过速度限速为30 km/h。

5 结 论

(1)通过数值计算得出下穿过程中既有隧道左线和右线结构变形均在安全控制范围之内。因有限元理想弹塑性模型及土工试验报告与实际情况会存在偏差，导致计算结果与实际产生一定的差异。

(2)建立完善的监测方案、监测方法和施工应急预案，并制定监测控制指标和监测预警值，实施24 h自动化监测，并将列车运行速度调整为15～30 km/h，确保既有线路运营的安全。

(3)采用悬臂掘进机进行掘进施工，对围岩扰动极小，提高隧道机械化施工程度及其配套施工技术并降低施工安全风险，减少爆破对已运营的3#线轨面影响。进一步验证，悬臂掘进机特别适用对周边围岩扰动要求等级较高的隧道施工，具有快速高效、节约成本、降低安全风险等优点。