既有地铁隧道上方新建明挖隧道施工控制方案研究

蒋华春，黄伟

(长沙市轨道交通集团有限公司，湖南 长沙 410002)

为满足城市快速发展的需要，我国各大城市均在大力推进以城市地下铁道为代表的地下工程建设[1−2]。由于城市建筑物分布密集，常常出现隧道近距离穿越既有建(构)筑物等岩土近接施工的情况[3−4]。相比于单体工程，诸如上述所述的岩土近接工程不仅要考虑新建工程的安全施工，还要确保邻近既有建(构)筑物的安全运营[5]，因此，此类工程往往是工程建设的控制性节点工程。针对隧道下穿既有建(构)筑物工程，目前，国内外学者开展了较为丰富的理论与实践研究。张孟喜等[6]采用数值模拟方式研究了全风化岩层中盾构隧道上跨施工对既有下伏隧道的影响，为盾构隧道的合理注浆压力与既有隧道变形控制措施提供了依据。毕成双[7]针对北京某综合管廊上跨地铁6 号线区间隧道工程，研究提出了“顶进穿越、卸一还一、土体加固”的通过方式，以避免土体开挖导致既有隧道隆起变形。丁浩[8]结合西安地铁8 号线近距离穿越既有地铁5号线工程，研究分析了超前管幕和抗浮锚索综合加固措施下盾构开挖对既有地铁隧道的影响规律。魏纲等[9]通过理论分析，研究了新建隧道施工对下卧隧道结构受力的影响。张毫毫等[10−11]针对盾构隧道下穿施工对上部运营铁路的变形影响与施工控制技术、基坑开挖对临近既有盾构[12−13]和桩基[14]的受力影响等问题开展了较为大量的研究，建立了相应的理论计算方法，并提出了相应的施工控制措施[15]，可供类似工程参考。综合上述分析，目前关于隧道近接施工问题已开展了较多的研究，但受地质条件差异、既有建(构)筑物的类型差异及其变形控制标准差异等的影响，多数工程的实践经验仍然难以有效推广应用，仍有待于深入、持续研究。本文依托长沙湘府路明挖隧道上跨既有运营地铁1 号线工程(最小净间距约2.0 m)，针对新建工程施工期既有运营地铁隧道的保护方案开展了技术、经济比选，并采用数值模拟和现场测试的方法对保护方案的可靠性开展研究，以积累和丰富类似工程实践经验。

1 工程概况

湘府路隧道位于湖南长沙湘府西路和芙蓉南路交叉区段，是湘府路快速化改造工程的子工程，周边环境及平面布置如图1(a)。隧道全长2 150 m，其中暗埋段长1 860 m，双向6 车道，隧道宽约28.8 m，高约7.7 m，为地下单层双跨框架结构，如图1(b)。

湘府路隧道途经芙蓉南路段上跨长沙地铁1号线友谊路−省政府区间隧道，与该区间隧道的最近距离约2 m，如图1。长沙地铁1 号线友谊路−省政府区间隧道为圆形盾构隧道，隧道直径6.0 m，盾构管片厚0.3 m。场区内地层主要有人工填土、粉质黏土、粗砂、砾砂，平均层厚分别为3.16，5.11，5.50 和3.51 m。水文地质条件较简单，稳定水位埋深5.80～9.00 m。

图1 湘府路隧道与既有隧道位置关系Fig.1 Location relationship between Xiangfu Road tunnel and existing tunnel

湘府路隧道采用明挖顺筑法施工。实践经验表明，上部明挖基坑施工期间，开挖卸载会导致既有地铁1号线隧道回弹隆起，进而导致隧道结构应力和变形过大，对线路的正常运营产生不利影响。因此，施工期间应采用必要的措施以保证既有隧道的变形不超出容许值。根据相关技术规范[16]，拟定的地铁隧道在湘府路隧道施工期间的变形控制标准：竖向位移量在−10～5 mm；隧道径向收敛＜10 mm。

2 保护方案比选

为避免隧道开挖引起既有1号线隧道的变形超出控制标准，结合实践经验和专家论证，拟定板凳法和管幕法2种保护方案。

2.1 板凳法

本区段地质条件较差，粉质黏土与砂卵石层较厚，仅凭注浆加固难以实现保护地铁隧道的目的。“板凳法”保护方案的基本思路为，在既有地铁隧道两侧施做数排抗拔桩，在湘府路隧道开挖时，采用分段开挖并将同一排抗拔桩采用板连成整体，形成板凳桩。板凳桩刚度较大，可约束土体因卸荷产生的回弹变形。具体加固措施包括：在湘府路隧道开挖影响段，沿既有1 号线友−省区间盾构隧道纵向采用全方位高压喷射桩(MJS 旋喷桩)进行地层加固，如图2。纵向施做范围为湘府路隧道两侧各6 m，竖向范围为拱顶以上3 m，两侧加固范围为两侧各3 m。加固体距既有隧道保持1.5 m(水平)及0.8 m(竖向)的安全距离，避免加固时损伤现有管片结构。同时，在1号线隧道两侧施做抗拔桩，如图3。湘府路隧道进行分段开挖时，将同一排抗拔桩通过湘府路隧道底板连成整体，形成板凳桩。

图2 MJS旋喷桩加固范围Fig.2 Reinforcement range of MJS jet grouting pile

图3 抗拔桩布置图Fig.3 Arrangement of pull-out pile

该方案主要施工过程为：1)地铁1号线上部采用MJS 旋喷桩加固；2) 施工上跨节点两侧湘府路隧道围护及主体结构；3) 降低地下水位至基坑底以下1 m；4) 施做抗拔桩；5) 分段开挖湘府路隧道，并将隧道底板与抗拔桩形成“板凳”。

2.2 管幕法

本方案的基本思路为(如图4)，首先在既有地铁隧道两侧施做竖井，然后在需保护的地铁1号线隧道上方施做管幕，管幕端部嵌入竖井围护结构中，形成刚度较大的管幕压顶隔离保护层，减少湘府路隧道开挖对地铁隧道的影响。

图4 管幕法地层预加固Fig.4 Pipe curtain method for formation pre-reinforcement

管幕采用直径800 mm 的钢管，间距900 mm，钢管内部填充钢筋混凝土，管幕距盾构顶部1 m。管幕两端锚固在竖井的围护结构中，中间采用压顶梁与抗拔桩连接，减小管幕的跨度，以使得管幕能更好地约束盾构隧道的向上变形。

管幕法的具体施工过程为：1) 施做中部抗拔桩；2)地面注浆加固；3)施做竖井；4)施做管幕5) 回填竖井；6) 降水、开挖土体至加固体顶面；7)开挖第2层中部土体，施做抗拔桩上部梁及湘府路隧道底板；8)开挖第2层两侧土体，施工对应湘府路隧道底板。

2.3 对比分析

表1 从多个角度对2 种保护方案的可行性与可靠性进行了对比分析。从中分析可知，与管幕法保护方案相比，板凳法保护方案具有施工难度小、对交通影响小、造价低、工期短等优点，故经论证确定采用板凳法保护方案。

表1 保护方案对比分析Table 1 Comparison and analysis of protection schemes

3 保护方案可行性数值模拟

2.3 节从施工难度、对交通影响、造价、工期等方面分析了板凳法保护方案的优越性，然而湘府路隧道施工期间，既有地铁1号线隧道变形是否会超出控制标准依然不清晰。为此，本节采用ABAQUS 分别建立三维有限元模型，进一步分析板凳法和管幕法开挖对地铁1号线隧道的影响。

3.1 模型的建立

建立的地层模型尺寸为90 m×50 m×40 m(长×宽×高)，地铁1 号线隧道开挖基坑底为2 m。模型中，地层、抗拔桩、底板采用实体单元模拟，隧道采用壳单元模拟，如图5，限于篇幅图中仅给出板凳法保护方案计算模型图。

图5 有限元模型Fig.5 Finite element model

模型中，地层采用弹塑性本构模型，且服从摩尔−库伦屈服准则；桩、板、管幕和盾构管片等按线弹性材料考虑；管片结构考虑接缝的刚度折减，折减系数η取为0.8；基坑外部超载取20 kPa；模型中相关单元材料参数见表2。

表2 计算参数Table 2 Calculation parameters

板凳法模型中，共分为3个工况，分别为地应力平衡、板凳桩施作、基坑开挖与隧道底板施作。管幕法模型中，共分析4个工况，分别为地应力平衡、竖井开挖、管幕施作、基坑开挖与隧道底板施做。其中，上述2个保护方案中的基坑开挖均分2层进行，第1次开挖至顶板以下5 m 高度处，第2次开挖至基底设计标高。

3.2 计算结果分析

计算得到的2种保护方案基坑开挖完成后既有地铁隧道的变形与受力情况分别如图6～9，分析断面如图5所示。

图6 板凳法施工诱发的既有地铁隧道变形情况Fig.6 Deformation of existing subway tunnel induced by the construction of bench method

图7 管幕法施工诱发的既有地铁隧道变形情况Fig.7 Deformation of existing subway tunnel induced by pipe curtain construction

图8 板凳法施工完成后既有地铁隧道结构受力情况Fig.8 Stress situation of existing subway tunnel structure after the completion of the bench method construction

图9 管幕法施工完成后既有地铁隧道结构受力情况Fig.9 Stress condition of existing subway tunnel structure after completion of pipe curtain construction

从中分析可知：

1)随着上部湘府路隧道的开挖，下部地铁1号线区间产生隆起变形。基坑开挖完成后，板凳法和管幕法诱发的地铁隧道竖向变形分别为9.8 mm和23.3 mm(已超过允许值)；2 种方法诱发的地铁隧道水平变形量较小，不足2 mm。

2)从结构受力上看，2种保护方案下，施工完成后，板凳法施工诱发的既有隧道结构受力(轴力最大值248 kN，弯矩最大值37.9 kN∙m)显著小于管幕法(轴力最大值542 kN，弯矩最大值90.5 kN∙m)。

综合上述分析可见，采用板凳法保护方案对抑制下部地铁隧道变形和改善隧道结构受力更为有利，且相关的变形值能够满足控制标准要求。

4 施工期既有隧道变形监测

湘府路隧道上穿既有地铁1 号线隧道施工期间，对地铁1 号线隧道的变形进行了全程跟踪监测，监测点布置情况如图10，典型监测结果如图11。分析可知：

图10 监测点布置图Fig.10 Monitoring point layout

图11 代表性既有隧道拱顶测点隆起变形曲线图Fig.11 Represents the uplift deformation curve of the measuring points of the existing tunnel vault

1)湘府路隧道上跨施工期间，既有地铁1号线隧道存在上浮现象。且随着开挖的逐步靠近既有地铁隧道，变形速率加快，图11 中第2 次土体开挖，即基坑最下层土体开挖，导致的地铁隧道隆起量明显占比大。

2) 全过程监测表明，湘府路隧道施工期间，既有地铁最大隆起量约4 mm，小于数值模拟计算值，且未超出施工容许的上浮控制值，表明采用板凳法施工方案进行上穿既有线施工是可行的。

5 结论

1)针对湘府路隧道上跨地铁1 号线隧道工程，拟定了板凳法和管幕法2种保护方案，并分别从经济、技术角度进行了对比分析。结果认为板凳法保护方案具有施工难度小、对交通影响小、造价低、工期短等优点，可为推荐方案。

2)分别建立了板凳法和管幕法2种保护方案的数值分析模型，计算结果表明：上部明挖隧道开挖过程中，无论是诱发的既有地铁隧道结构变形还是受力，板凳法保护方案均具有较好的技术优势，能够满足控制标准的要求。

3) 现场施工监测表明，明挖隧道最下层土体的开挖对既有地铁隧道扰动更为明显，诱发的隆起量占全施工过程变形量的70%，但其终值仍满足控制要求，表明依托工程采用板凳法保护方案是可行的。