高风险城市环境地铁小净距隧道近接隧道群施工方案优选*

崔光耀,田宇航,肖 毅,何继华,孟令瀚

(1.北方工业大学 土木工程学院，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

随着国家经济蓬勃发展，交通运输发展重心从地上转为地下，地铁隧道作为主要交通运输工具占居重要地位。 随着城市地铁的逐步完善，地下空间利用率逐步提升，地下轨道可用空间逐渐趋于饱和，地铁工程在高风险城市环境施工时经常出现近接既有线路、多条隧道管线交叉纵横的现象。随隧道数量增加，小净距隧道施工逐渐增多，因此，确保小净距隧道施工时的安全稳定性尤为重要[1-2]。目前，国内外学者针对小净距隧道的研究包括：利用2D-σ软件研究地下隧道施工中双向双线隧道之间的最小净距[3]；对于小净距隧道围岩力学特性的计算分析[4-5]；不同开挖方式在周边围岩中产生的应力大小及变化趋势的研究[6-7]；不同地质条件下小净距隧道施工时的围岩稳定性研究[8]；对于多线隧道施工情况下，深埋小净距盾构隧道施工相互影响和浅埋小净距盾构隧道施工相互影响的研究[9-12]；对于地质条件差、干扰强度大的断面小净距隧道的施工力学效应分析和方法的研究[13-15]。综上，有关小净距隧道的施工设计已经取得一定成果，但针对复杂地质条件下的小净距隧道施工使用加固措施并改变施工顺序的研究较少。本文依托北京地铁19号线小净距隧道新草区间工程段，新建19号线小净距隧道西面为新机场线大断面区间隧道，底部为10号线双盾构隧道，通过对小净距隧道近接隧道群采取管棚管幕预加固措施和改变施工顺序后的位移进行分析，选取最优施工方案。研究结果可为高风险城市环境的近接隧道施工提供参考。

1 计算情况

1.1 工程概况

新建19号线新发地站-草桥站区间施工现场北面为镇国寺北街，西面为马草河，总长度为264 m，2条新建线路并排，19号线为小净距隧道，修建19号地铁下方为10号线双盾构隧道，位于新机场线大断面区间隧道东部。根据施工现场土质勘测信息可知，地面以下40 m深度范围内的地层分别为人工填土层、新近沉积层、第四纪冲洪积层和古近纪基岩层。

1.2 计算模型

以北京地铁19号线暗挖区间隧道为背景，根据隧道实际参数信息，建立计算模型。模型水平长度100 m，纵向长度80 m，竖直高度30 m。 施工隧道下部已有隧道为直径为6 m的2孔双向盾构隧道，2孔间距为10 m。施工隧道西部为新机场线上宽10.3 m、高7.7 m的单孔双向大断面隧道。为便于区分，设1号隧道为新建小净距隧道的西侧小断面，设2号隧道为东侧大断面隧道，1号隧道采用中隔壁法(以下简称CD法)开挖，隧道直径约6.5 m，2号隧道采用洞桩法(以下简称PBA法)进行开挖，隧道最大开挖断面高约8.8 m，宽约15.8 m。1、2号隧道之间的净距离仅为1.3 m，埋深约4.8 m。 新建隧道底部与10号线隧道交叉，2者最小距离约0.9 m，角度约110°；新建隧道与西部新机场线现有隧道平行，距离为11.8 m左右。隧道计算模型如图1所示。

图1 隧道计算模型Fig.1 Calculation model of tunnel

1.3 计算参数

本模型为弹塑性本构模型，运用摩尔-库伦准则进行有限差分计算，边界条件为模型四周施加水平约束，下边界施加竖直约束，模型上边界无约束。根据工程设计文件及地勘报告选取计算参数，见表1。

表1 结构计算参数Table 1 Structural calculation parameters

1.4 计算工况

为研究管棚管幕预加固措施及施工顺序变化对位移的控制效果，设置隧道预加固措施和开挖顺序2种工况，见表2。其中，西侧隧道为CD法开挖，东侧隧道为PBA法开挖。通过对比工况1、工况2，研究管棚管幕预加固措施对位移的控制效果；通过对比工况2、工况3，研究改变施工顺序对位移的控制效果。

表2 计算工况Table 2 Calculation conditions

1.5 测点布置

1)隧道监测点布置

由于小净距隧道与西部新机场线隧道相互平行，所以2者选取相同的监测断面，设置N1～N9共9个断面，其中N4～N6断面间距设为8 m，其余断面间距设为

7 m。在监测断面内设置监测点，记录隧道测点的位移情况，监测断面布置如图2所示，断面内监测点布置如图3所示。

图2 新建隧道及西侧既有隧道监测断面布置Fig.2 Monitoring section layout of new tunnel and existing tunnel at west side

图3 监测点布置Fig.3 Layout of monitoring points

2)路面与既有线监测点布置

以2号隧道顶部为中心，以4 m为间隔，向两侧布置路面监测点，共设12处监测点，自西向东分别编号为L1～L12，监测记录路面在施工过程中的沉降情况，测点布置详图及测点编号如图4所示。在下方10号线隧道以5 m的间隔布置11个监测断面，编号设置为S1～S11，在各断面上记录10号线隧道拱顶位移情况，如图5所示。

图4 路面监测点布置Fig.4 Layout of pavement monitoring points

图5 既有线监测点布置Fig.5 Layout of monitoring points on existing line

3)监测频率

工程监测频率为施工期间3次/d，施工结束后初期2次/d，待位移呈收敛趋势，变为1次/d，直至工程交付验收。

2 计算结果及分析

2.1 路面沉降分析

提取各个工况开挖后的路面最大沉降值，如图6所示。由图6可知，3种工况下出现路面沉降现象最严重的地方均为新建2号隧道顶部，并向两侧沉降减小；因为前2个工况开挖顺序相同，所以2种工况的路面沉降曲线相似，由于工况2采取管棚管幕预加固措施，因此工况2的位移在对应监测点处的路面沉降均小于工况1的沉降；工况3改变施工顺序，2个隧道顶部路面沉降较为平缓。通过统计对比，3种工况的最大沉降值分别为-43.65，-25.94，-20.83 mm，工况2的最大沉降值比工况1减小17.71 mm。由此可见，采取管棚管幕预加固措施能有效降低路面沉降；工况2和工况3的沉降控制效果分别为40.57%,52.28%，工况3对路面沉降控制效果较好，即先东后西的开挖顺序可以很好地降低路面沉降值。

图6 路面沉降分布Fig.6 Distribution of pavement settlement

2.2 底部既有线拱顶位移分析

提取各个工况开挖结束后底部既有线隧道结构位移极值，具体数值见表3，根据计算结果绘制位移曲线，如图7所示。

表3 底部既有线拱顶竖向最大位移值Table 3 Maximum vertical displacement on vault of existing line at bottom mm

图7 拱顶位移曲线Fig.7 Curves of vault displacement

由表3和图7可知，在新建和已有隧道交叉处位移值较大，向两侧位移值逐渐变小；工况1主要为向上位移，工况2、3主要为向下位移，原因是工况2、3相比工况1均采取预加固措施，加固的管棚、管幕重量、施做面积均较大，所以导致底部既有线的位移方向变化；工况1在新建1号隧道底部出现变形最大值6.60 mm，工况2和工况3在新建2号隧道底部出现变形极值，分别为-2.11，-1.64 mm。通过对比工况1和工况2可知，在采取管棚管幕预加固措施后，隧道底部既有线拱顶位移大幅度降低，有效降低隧道底部既有线的位移；工况2和工况3的位移控制效果分别为68.03%,75.15%，改变施工顺序后的工况3的底部既有线变形极值最小，满足控制标准，先东后西的施工顺序更好。

2.3 西侧新机场线横向位移

整理并提取3种工况下西侧新机场线大断面区间隧道的横向位移，具体参数见表4。根据位移情况绘制位移变化曲线，如图8所示。

表4 西侧新机场线横向最大位移Table 4 Maximum transverse displacement of new airport line at west side mm

图8 西侧新机场线横向位移变化曲线Fig.8 Change curves of transverse displacement of new airport line at west side

由表4和图8可知，因西侧新机场线和新建隧道方向相同并互相平行，所以新机场线的变形值在各处相差甚微；工况1、2、3的位移极值分别为0.165，-0.193，-0.084 mm，工况1的变形方向为正向，即朝着新建隧道方向移动，施加预加固措施的工况2、3位移方向均为负向，朝远离新建隧道的方向移动。通过对比3种工况的横向位移可知，采用管棚管幕预加固措施略微增大西侧新机场线的横向位移；工况2和工况3的位移控制效果分别为-14.51%,49.09%，工况3的横向位移远小于工况1和工况2。由此可见，采用先东后西的施工顺序可明显降低西侧新机场线的横向位移。

2.4 新建1号隧道位移

提取各工况下1号隧道的横向、竖向最大位移值，并以工况1为对照，计算工况2和工况3的位移控制效果，各向最大位移与计算结果见表5。

表5 新建1号隧道各向最大位移值及控制效果Table 5 Maximum displacement values at each direction of new tunnel 1 and control effect

由表5可知，工况1、工况2和工况3的横向位移极值分别为-2.59，-1.99，-1.71 mm；3种工况的竖向位移极值分别为9.70，4.84，4.28 mm。采取预加固措施后，工况2条件下新建1号隧道的横向、竖向位移分别降低0.60，4.86 mm，位移控制效果显著；工况2和工况3的横向位移控制效果分别为23.17%,33.98%，竖向位移控制效果分别为50.10%,55.88%，在使用先东后西的开挖顺序后，新建1号隧道的位移明显降低，工程采用先东后西的开挖顺序比先西后东更好。

2.5 新建2号隧道位移

提取新建2号隧道3种工况的横向、竖向最大位移值，并以工况1为对照，计算工况2和工况3的位移控制效果，各向最大位移与计算结果见表6。

表6 新建2号隧道各向最大位移值及控制效果Table 6 Maximum displacement values at each direction of new tunnel 2 and control effect

由表6可知，工况1、2、3的横向位移极值分别为-2.68，-1.60，-1.43 mm，3种工况的竖向位移极值分别为-15.54，-3.98，-3.79 mm。采取预加固措施后，工况2新建2号隧道的横向、竖向位移分别降低1.08，11.56 mm，管棚管幕预加固措施对2号隧道的横、竖向位移控制作用较好；工况2和工况3的横向位移控制效果分别为40.29%,46.64%，竖向位移控制效果分别为74.39%,75.61%；新建2号隧道在使用先东后西的开挖方法后，隧道的横、竖向位移得到较好控制。

3 结论

1)通过对比工况1、2可知，在采取管棚管幕预加固措施后，工程的最大路面沉降减少17.71 mm；底部既有线拱顶位移减少4.49 mm；西部新机场线横向位移改变极小，仅增加0.028 mm；新建1号、2号隧道横向位移分别减少0.60，1.08 mm，竖向位移分别减少4.86，11.56 mm。采用管棚管幕预加固措施可以较好地控制施工位移变化。

2)同时采用管棚管幕预加固措施，在施工顺序由先西后东开挖变为先东后西开挖后，以工况1为对照，工况2和工况3的最大路面沉降控制效果分别为40.57%,52.28%；底部既有线拱顶位移控制效果分别为68.03%,75.15%；西侧新机场线横向位移控制效果分别为-14.51%,49.09%；在1号隧道，工况2和工况3的横向、竖向位移控制效果分别为23.17%,33.98%，50.10%,55.88%；在2号隧道，工况2和工况3的横向、竖向位移控制效果分别为40.29%,46.64%，74.39%,75.61%。显然，施工顺序为先东后西开挖有效减少施工中产生的位移。

3)高风险城市环境地铁小净距隧道近接隧道群施工时采用工况3的施工方案，即施加管棚和管幕的预加固措施，并且以先东后西的顺序开挖可明显降低路面沉降和既有、新建隧道结构变形。