上下并行隧道先后下穿高速公路相互影响机理研究

2020-12-07韩磊白阳阳

现代城市轨道交通 2020年11期

韩磊白阳阳

摘要：西安地铁 5 号线二期地铁盾构隧道、市政昆明二路下穿道为上下并行隧道，并行隧道先后下穿绕城高速公路，其空间关系复杂、工程社会影响重大;上下并行隧道施工不仅对既有绕城高速造成一定影响，其施工相互影响也不容忽视，因此分析研究上下并行隧道开挖对既有道路影响及相互影响机理具有重要实际意义。

关键词：地铁;隧道施工;高速公路;数值模拟;影响机理

中图分类号：U215.1

1 研究背景

城市地下工程事故一旦发生将会造成非常严重的社会影响。因此，在地下穿越工程施工中，除工程自身结构的安全风险外，环境安全风险的管理也是工程建设的重要内容。目前，城市隧道施工工法及经验丰富[1-2]，关于盾构下穿既有建（构）筑物施工已有大量研究，主要基于对地表、既有隧道、既有路基、商业住宅建筑等的影响[3-13]。关于盾构隧道下穿高速公路的研究，蒋彪[14]

通过数值计算与实测相结合对长沙地铁2号线下穿京珠高速公路进行了分析;张火军[15]对盾构下穿高速公路盾构土仓压力、推进速度、同步注浆量及注浆压力等盾构措施进行了研究。现有隧道下穿既有建（构）筑物研究多数集中在空间较为简单方面，而隧道上下并行先后下穿既有高速公路的研究相对较少。文章以双线盾构隧道、昆明二路大断面隧道下穿西安绕城高速公路为背景，对不同工况下隧道施工过程进行数值模拟分析，研究地铁隧道、市政隧道下穿绕城高速公路过程中高速路基和先建隧道的变形及地表的变化规律，可为后续类似穿越工程提供技术支撑。

2 工程概况

2.1 隧道下穿段西安绕城高速工程概况

下穿段位于西安绕城高速公路南段，阿房宫立交桥南侧（高速里程约为K39+500～K40+150），绕城高速南段项目于2000年10月开工建设，2003年建成通车。下穿段路基宽度35 m，双向六车道，设计行车速度120km/h。

2.2 地铁隧道及昆明二路下穿道方案

西安地铁5号线丰镐村—周吴村区间（简称“丰周区间”）全长1247.549m，区间隧道洞頂覆土约10.5～24.0m，线间距14.0m。在里程ZDK18+999.000～ZDK19 + 042.500、YDK19 + 005.000～YDK19 + 048.500下穿绕城高速，隧道距绕城高速路面最近约为14.4 m。

丰周区间采用盾构法施工，隧道横截面为圆形，其外径为6m，管片厚度为0.3m。

鉴于昆明二路现阶段为规划道路，下穿道具体结构形式设计、施工方案尚未有确切资料。本文下穿道施工工法采用现阶段较为成熟的顶管法通过绕城高速。下穿道横截面为双跨矩形，其跨度为9m。地铁隧道、市政下穿道与绕城高速关系如图1所示。

3 控制标准

3.1 既有高速公路控制标准

根据GB 50911-2013 《城市轨道交通工程监测技术规范》[16]规定高速公路与城市道路监测项目控制值应在调查分析道路等级、路基路面材料、道路现状情况和养护周期等的基础上，结合其与工程的空间位置关系和当地的工程经验进行确定，并应符合现行行业标准JTJ 073.2-2001 《公路沥青路面养护技术规范》 [17]和JTJ 073.1-2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》 [18]的有关规定。结合既有地铁2号线盾构区间隧道下穿北绕城高速公路的影响，5号线二期丰周地下区间及规划昆明二路下穿绕城高速的允许沉降值为20 mm，速率控制值3 mm/天。

3.2 地铁隧道及市政下穿道控制标准

GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》综合各类技术规范要求和实测变形情况，给出城市轨道交通既有线隧道结构变形的监测项目控制值：即当无地方工程经验时，城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值可按表1确定。

4 模型建立

4.1 模型概况

地铁隧道行走于粉质黏土和中砂夹层，昆明二路下穿道主要穿越新黄土及古土壤。上覆为第四系全新统杂填土、第四系上更新系统残黄土，地下水位埋深7.80～30.60m，水位标高介于368.95～386.09 m，地下水年水位变幅1～2 m。为充分论证盾构隧道下穿绕城高速施工过程对既有绕城高速的不利影响，采用分析软件MIDAS GTS NX[19]对隧道下穿绕城高速建立模型进行数值计算。

4.1.1 基本假设

（1）假定各土层均匀分布，地表水平且无其他任何建（构）筑物;

（2）由于土体厚度不大，故地层初始应力场按自重应力场考虑，不考虑构造应力的影响;

（3）土体变形为各向同性，隧道结构材料选取为弹性模型;

（4）计算过程不考虑水的影响。

4.1.2 模型建立

盾构下穿隧道与绕城高速路面距离约为14.4 m。模型上边界取至路面，下边界在隧道底部4倍盾构隧道直径以下，横向取至距隧道中线两侧各8倍隧道直径。具体在数值计算研究中沿埋深方向取地面以下50 m;考虑到建模方便，此区间隧道下穿绕城高速按正交下穿处理。最终确定模型区域为：120 m×50 m。建立的计算模型共包括6312个单元，6473个节点。模型的边界条件除了上表面为自由面以外，其余方向和底部均采用位移约束，其计算地质模型及单元网格划分如图2所示。

其中，填土、古土壤、粉质黏土、中砂与黄土以及绕城路基等采用实体单元模拟，昆明二路下穿道、地铁隧道衬砌采用梁单元模拟，采用平面应变模型，根据JTGD 60-2015《公路桥涵设计通用规范》规范[20]，公路 -Ⅰ级车道均布荷载标准值为10.5 kN/m，路面超载按20kN/m2进行设计。

4.2 围岩参数取值

本断面地铁隧道拱顶距绕城高速路面约14.4 m，地下水位位于地铁隧道底板以下。所处地层情况如图3所示，具体参数如表2所示。

为分析隧道施工对绕城高速的影响及地铁隧道与昆明二路下穿道施工相互作用机理，分别对方案一（先施工地铁隧道）和方案二（后施工地铁隧道）进行多工况分析。

5 计算结果分析

5.1 绕城高速路基沉降分析

5.1.1 方案一

图4为先施工地铁隧道后施工昆明二路下穿道工况地层沉降云图。地铁隧道施工，由于地铁隧道埋深较大约14.4 m，高速路面沉降值受上部土体塌落拱影响，绕城高速沉降较小，最大沉降值为1.20 mm;既有绕城高速路面沉降曲线形态为V型曲线，如图5所示;昆明二路下穿道施工后，既有绕城高速路面沉降曲线形态为双峰曲线，最大沉降值为8.16 mm，达到规范限值的40.8%。

5.1.2 方案二

图6为先施工昆明二路下穿道后施工地铁隧道工况地层沉降云图。昆明二路下穿道施工后，既有绕城高速路面沉降曲线形态为双峰曲线，绕城高速路面最大沉降值为7.38 mm，如图7所示;地铁隧道穿越后，既有绕城高速路面最大沉降值为7.85mm，达到规范限值的39.25%。进一步研究可得先施工昆明二路下穿道，地铁隧道后施工对绕城高速影响较小，沉降影响仅为0.47mm。分析其原因可能是下穿道施工后，下穿道结构施工对绕城高速基底土层具有一定的加固作用。

对比分析地铁隧道、昆明二路下穿道先后施工对既有绕城高速的影响，由于下穿道跨度大且距离绕城高速较近约3.7 m，下穿道施工相比地铁隧道施工对既有绕城高速影响更大。

方案一、方案二对绕城高速影响基本一致，但后施工隧道将对先施工隧道造成一定的影响，故需进一步分析论证昆明二路下穿道与地铁隧道先后施工的相互影响机理。

5.2 昆明二路下穿道、地铁隧道相互影响分析

5.2.1 方案一

先施工地铁隧道，昆明二路下穿道后施工对地铁隧道的影响如图8所示，地层卸荷导致地铁隧道有一定的上浮，其最大值约为1.25m，达到限值的25%，位于地铁隧道底板位置。

5.2.2 方案二

先施工昆明二路下穿道，地铁隧道穿越后对昆明二路下穿道的影响如图9所示，下穿道顶板位置沉降最大值约1.26 mm，底板位置有上浮，最大上浮约为3 mm，达到限值的60%。分析下穿道底板上浮原因可能是下穿道施工后，下穿道结构属于补偿性基础结构，且下穿道结构横断面较大，地铁施工后对地层造成了一定的扰动，导致下穿道自身变形。

6 结论及建议

综上相关工程案例及有限元数值模拟分析，得出主要结论及建议如下：

（1）市政下穿道与地铁隧道先后施工顺序对绕城高速路基沉降影响基本一致;

（2）后施工地铁隧道对规划下穿道影响较大，建议先施工地铁隧道后施工市政下穿道;

（3）地铁隧道、市政规划下穿道穿越绕城高速技术可行，但应做好穿越过程中的施工控制，同时做好施工应急预案，确保施工安全;

（4）数值计算分析均在理想情况下得出，所得规律及变形尚未得到实际工程监测数据检验，后续应加强数据库的建立，并在此研究的基础上进一步分析总结。

参考文献

[1]苏斌，苏艺，江玉生，等.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术 [M].北京：人民交通出版社， 2013.

[2]張凤祥，朱合华，付德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社， 2004.

[3]田世文，杜新飞，张柏.北京地铁10号线盾构下穿既有建筑物的控制措施[J].铁道标准设计，2008（12）：148-151.

[4]王立新，汪珂，李储军，等.黄土地区地铁盾构隧道近距离下穿既有线影响规律及控制标准研究[J]. 铁道标准设计，2019（10）：124-130，158.

[5]汪洋，何川，曾东洋，等.盾构隧道正交下穿施工对既有隧道影响的模型试验与数值模拟[J].铁道学报，2010（2）：79-85.