新建隧道上跨既有地铁隧道近接施工加固措施效果分析

宋博涵 崔光耀 肖 毅 何继华

(1.北方工业大学，北京 100144；2.中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆 400012)

0 引言

如今，中国经济建设的发展俨然成为万众瞩目的焦点。在经济建设的同时，城市建设同样也进行得如火如荼。随着城市轨道交通系统的不断完善，城市地铁线路如网般交织在城市地下，不断出现隧道交叠及近接隧道群等一系列问题[1-4]。因此对新建隧道近接既有隧道施工展开相关研究具有一定的意义。

1 研究背景

目前国内专家对新建隧道近接既有隧道施工影响的相关研究相对成熟[5-11]，但随着城市地铁复杂环境的不断影响，施工要求、标准也在不断提升。笔者依托北京新机场线上跨既有10号线工程，对新建隧道近接既有隧道施工影响进行研究，并对采取的加固措施进行优化，比选出最优方案。研究成果可为类似工程参考。

2 工程概况

2.1 地质条件

新机场线新发地站—草桥站位于马草河东侧、镇国寺北街南侧地块内。各层地层岩性及其物理力学性质由上至下依次为人工填土层、新近沉积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层4类。岩性参数取Ⅴ级围岩。

2.2 工程设计概况

新机场线新发地站—草桥站区间上跨既有10号线、下穿镇国寺北街部分，整体施工采用洞桩法(PBA)施工。暗挖区间管幕外皮距既有线最小距离0.45 m，为特级风险；下穿镇国寺北街，垂直距离4 m，为一级风险。现对新机场线暗挖隧道区间采用上半环超前加固、下半环超前加固以及全环超前加固3种不同的控制措施进行数值模拟分析。

3 研究情况

3.1 计算模型

通过有限元软件对不同工况下的加固措施进行数值模拟分析，数值模拟计算屈服准则采用摩尔-库伦准则。依据圣维南原理，为了减小截断误差，消除边界对计算过程的影响，整个模型宽度取≥5倍隧道洞径，总宽度60 m；模型高度以实际覆土厚度为准，埋深约4 m，隧道底部取30 m，模型总高度30 m；纵向总长度70 m。计算模型的边界条件为四周边界施加水平约束，下边界施加竖直约束，顶部为自由面。计算模型如图1所示。

3.2 计算参数

根据地勘实测及试验研究结果，将计算模型材料参数汇总如表1所示。

3.3 计算工况

计算工况设计内容汇总如表2所示。

表2 计算工况

3.4 测点布置

3.4.1 路面测点

在4个小导洞拱顶上方路面分别设置1处路面监测点，并在1号、4号小导洞拱顶正上方路面向两侧每隔4 m设置1处路面监测点，共10处路面监测点，以监测计算模型在模拟施工过程中的路面沉降情况。测点布置如图2所示。

图2 路面测点布置图

3.4.2 既有线监测点

在10号线与新机场线交叉处，沿10号线盾构隧道纵向，每隔3.5 m设置1个监测断面，在各监测断面的拱顶及两拱肩分别设置1个位移监测点，监测计算模型在模拟施工过程中对既有线路的影响情况，测点布置如图3所示。

(a)监测断面

(b)断面监测点

4 位移分析

4.1 路面沉降分析

通过有限元软件，提取模型路面测点位置处的沉降值，将隧道开挖结束后的路面沉降值汇总如表3所示，路面沉降趋势汇总如图4所示。

表3 路面最大沉降值 单位：mm

图4 路面沉降图

由图4可知，随着隧道开挖的进行，未注浆和下部注浆施工下的洞顶路面沉降值骤降，且下部注浆施工的路面沉降在开挖经过测点后有所上浮，但最终沉降值仍较大；而上部注浆和全环注浆在注浆施工时，随隧道开挖的进行，路面随之轻微下沉。隧道拱顶上方路面的沉降现象最严重，向两侧沉降现象有所缓解，其中未注浆隧道施工后所造成的路面沉降现象最为严重，而全环注浆施工后的路面沉降最平缓，控制沉降效果最好。

由表3可知，4种工况中，最大沉降值均出现在距中心3 m的位置，不注浆、上半环注浆、下半环注浆和全环注浆施工后的路面最大沉降值分别为-63.51,-27.69,-39.22,-15.97 mm，其中全环注浆施工的沉降值最小。

由此可见，隧道开挖时注浆加固有助于控制路面沉降，采取上半环注浆对控制路面沉降效果较好，全环注浆对于路面沉降的控制效果最佳。

4.2 既有线位移分析

通过有限元软件，提取既有线测点处的数值模拟结果，将新建隧道开挖结束后的既有线隧道拱顶的变形值汇总如表4所示，沉降变化汇总如图5所示。

表4 既有线拱顶竖向最大位移值 单位：mm

图5 既有线拱顶位移图

由图5可知，由于新建隧道施工由南向北进行掘进，故既有线北线的结构受新建隧道掌子面施工扰动影响较大，使得其结构变形值较大；下半环注浆和全环注浆施工时，同工况下既有线的南线和北线的最大变形值相差不大。既有线结构变形极值均出现在新建隧道与既有隧道的交叉位置，并向两侧变形值逐渐减小。

由表4可知，既有隧道在与新建隧道交叉位置处出现明显上浮现象，向两侧上浮现象逐渐减小，除下半环注浆外，其他3种工况在监测断面边缘位置出现下沉现象，且变形值趋于稳定。未注浆、上半环注浆、下半环注浆和全环注浆下新建隧道施工，所造成的既有线隧道的最大变形均出现在S6断面处，即新建与既有线的交叉位置，各工况下既有结构的最大变形值分别为4.44,3.66,2.82,1.83 mm。

由此可见，新建隧道在采取注浆加固后有助于既有隧道结构变形的控制，采取下半环注浆措施后对既有隧道结构变形控制较好，在全环注浆施工下，对于既有线隧道结构的变形控制效果最佳。

5 结论

笔者依托北京新机场线上跨既有地铁10号线对新建隧道注浆加固措施进行数值模拟分析。结论如下：

(1)由地表沉降计算结果可知，新建隧道采取注浆措施可有效地控制地表沉降。其中新建隧道采取上半环注浆、下半环注浆和全环注浆施工后的路面最大沉降值分别为-27.69,-39.22,-15.97 mm。

(2)由既有隧道结构变形计算结果可知，在S6断面处施工对既有隧道的影响最大，其中新建隧道采取上半环注浆、下半环注浆和全环注浆施工后，既有隧道拱顶结构的变形量分别为3.66,2.82，1.83 mm。

综上所述，新建隧道应采取全环注浆的加固方式，以有效控制地表沉降以及既有结构的变形。