双连拱隧道下穿既有地铁结构预加固方案及开挖工法比选研究

李向凯,陈禹勋,史少华,靳小酩

(1.西安沣东市政工程建设有限公司, 陕西 西安710000;2.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

近年来，随着我国城市化进程加快，各地的地下空间开发建设也都在紧锣密鼓的进行当中，新建隧道穿越既有建构筑物施工已成为一种普遍的现象[1-5]，当隧道穿越既有结构时，如何降低隧道与既有结构的相互影响作用，并保持隧道本身的稳定性成为项目施工的关键[6-9]。

针对隧道下穿既有轨道交通的施工分析，国内外众多学者做了大量的研究。赵良云等[10]对暗挖隧道“零距离”下穿的特殊工况进行理论研究，设计出了可行的施工方案；张浩等[11]、吉艳雷[12]针对四线大断面隧道下穿综合管廊结构的支护方案和开挖工法进行研究，选比出了最佳的施工方案；张琼方等[13]、谢雄耀等[14]、Charles等[15]、金大龙等[16]通过现场试验和模型试验的手段进一步研究了盾构隧道下穿既有隧道施工过程的沉降规律、应力特征，探讨了盾构隧道与既有结构的相互影响机理。然而，无论是现场试验还是模型试验都需要耗费大量的人力、物力且获取的数据有限，而数值模拟计算正好能弥补这一缺陷。马伟斌等[17]、Lin等[18]、戴轩等[19]采用有限元软件分析了隧道下穿既有建构筑物过程中隧道的变形规律，预估了下穿施工的风险，提出了相应的改进措施。这些研究成果为隧道下穿既有轨道交通的发展起了极大的推进作用，但是针对大跨度连拱隧道下穿地铁结构暗挖法施工却少之又少，尤其是当连拱隧道近接穿越已运营的地铁时更是较少涉及。

鉴于此，以沣河东路下穿通道工程下穿西安地铁5号线二期工程文教园—张旺渠区间U型槽结构为工程背景，采用数值模拟的分析手段,主要研究连拱隧道采用不同开挖和加固工法时隧道及其上部地铁结构的沉降变形，并选比出该项目的最佳施工方案。

1 工程概况

沣河东路下穿通道工程南起昆明三路，北至西宝高速北辅道，项目全长1 868.343 m，本文所研究西安地铁5号线二期工程文教园—张旺渠区间U型槽及地下段位于规划昆明二路下穿地铁U型槽段落里程为Y(Z)DK13+618.750—Y(Z)DK13+648.250。下穿通道工程下穿地铁5号线U型槽段位于沣河东K0+075.32桩号处(即沣河东路与昆明二路交叉口)，下穿段为双连拱暗挖结构，隧道开挖面总跨度35.14 m，高度为10.23 m，下穿长度为30 m。下穿隧址区以V级围岩为主，地质条件较差，隧道埋深范围主要为细砂和中砂。隧道开挖面与U型槽结构底板竖向净距约2.5 m，从U型槽轨道底板穿越施工对U型槽底板及侧墙及安全影响巨大。如图1所示。

图1 拟建项目与地铁结构相互位置

2 预加固方案设计

2.1 管幕超前支护方案

管幕采用Q235螺旋焊接钢管，直径为Ф 402，壁厚为10 mm钢管，沿暗挖隧道外轮廓线布设，共设置107根。钢管两侧分别设不等边角钢锁口。管幕钢管内灌注C30无收缩免振捣混凝土，并利用端头2 m管幕设置回浆孔对管间锁口进行充填注浆，管幕钢管可以采用泥水平衡顶管掘进机单侧顶进。管幕结构布置如图2所示。

图2 管幕结构3D布置图

2.2 水平旋喷桩管幕组合结构预加固方案

在已有管幕支护方案基础上，对隧道拱顶及掌子面上部进行旋喷桩加固。拱顶旋喷桩径80 cm，长度为30 m，在拱顶120°范围内沿隧道开挖轮廓线环向布置。掌子面上部单洞布设22根旋喷桩，桩径50 cm，长度为20 m，采用梅花型布置。水平旋喷桩搭配管幕组合结构布置如图3所示。

图3 水平旋喷桩搭配管幕组合结构布置

3 数值模拟方案

3.1 计算模型的基本假定

由于隧道暗挖段长度较短，因此计算模型中沿着隧道开挖方向的长度取隧道的实际长度；考虑到隧道埋深较浅，模型上边界取至地表，其余边界均按距离隧道中心4倍单洞开挖跨度选取。最终建立的模型尺寸为115 m×62 m×30 m，地表水平且为自由边界，模型前后左右面及底部边界处均设置法向约束，土体及管幕、旋喷桩的本构模型采用了摩尔-库仑弹塑性本构模型，其他结构体均采用线弹性本构模型；模型当中，管幕通过注浆与锁扣连接成一整体故采用实体单元模拟，另外围岩、U 型槽、中隔墙也均采用实体单元模拟，初期支护及二衬采用板单元模拟。

3.2 计算模型的材料参数

计算模型当中对初期支护和二衬进行简化，仅考虑初支喷混和二衬喷混的作用；同时，水平旋喷桩和管幕注浆体均通过提高隧道周边围岩的物理参数来实现，材料的具体参数如表1。各预加固方案网格划分见图4。

图4 网格模型划分

表1 材料物理力学参数

4 开挖工法优化与预加固方案研究

4.1 开挖工法优化研究

4.1.1 开挖工法模拟方案

双连拱隧道的开挖对施工技术的挑战尤为突出，当连拱通道暗挖施工推进过程中，掌子面会产生作用强大的土压力、水压力及上覆荷载，且左右洞的开挖之间会产生不可预估的影响作用，特别当开挖下穿轨道交通时，隧道与既有结构之间的相互影响作用是隧道安全穿越的关键。本部分主要针对大跨度双连拱隧道的开挖工法进行优化研究。双侧壁导坑法和CRD法隧道施工步骤如图5和图6所示。主要选取以下3种开挖工法进行对比研究，左洞为先行洞，开挖循环进尺为3 m。

图5 双侧壁导坑法开挖步骤

图6 CRD法开挖步骤

工况1：采用双侧壁导坑法开挖。①中洞开挖及中墙施作；②左洞左导洞上部开挖初支及临时支撑支护；③左洞左导洞下部开挖及初支施作；④左洞右导洞上部开挖及初支及临时支撑施作；⑤左洞右导洞下部开挖及初支施作；⑥左洞中导洞上部开挖及初支及临时支撑施作；⑦左洞中导洞下部开挖及初支施作；⑧左洞拆撑及二衬施作(右洞开挖时序同左洞)。

工况2：采用CRD法开挖。①中洞开挖及中墙施作；②左洞左导洞上部开挖初支及临时支撑支护；③左洞右导洞上部开挖及初支撑施作；④左洞左导洞下部开挖及初支施作；⑤左洞右导洞下部开挖及初支施作；⑥左洞拆撑及二衬施作(右洞开挖时序同左洞)。

工况3：采用全断面法开挖。中洞开挖及中墙施作-左洞开挖初支及临时支撑支护-左洞二衬施作-右洞开挖初支及临时支撑支护-右洞拆撑及二衬施作。

4.1.2 各开挖工法下隧道及结构稳定性分析

取代表性断面Y(Z)DK13+633.750(距离暗挖段起始开挖面15 m)为监测断面进行隧道及U型槽轨道板的稳定性分析，得到左右洞拱顶沉降随开挖步在不同开挖方法下的变化曲线，如图7和8所示。分析发现，从拱顶沉降最大值来看，三种开挖方案左洞拱顶沉降值分别为12.2 mm、13.8 mm、15.9 mm，最终值分别为10.47 mm、11.43 mm、13.97 mm。工况1在对围岩的沉降控制方面最为理想，这是因为双侧壁导坑法在进行左右洞开挖时将断面分块更多，能使跨度变小，从而对隧道围岩产生的扰动更小，产生了更小的拱顶沉降。其中左洞拱顶沉降特点为：在中导洞开挖及中隔墙施作时，隧道左洞拱顶沉降未产生影响，一直维持在0 mm；在左导洞开挖后，拱顶沉降急剧增大，当开挖到第21步经过监测断面时，沉降增加速率达到最大，掌子面经过监测断面之后，增加微弱，随后因为支护施作的作用沉降值又逐渐回升；在右导洞开挖后，拱顶沉降曲线趋于水平，说明右导洞开挖对左导洞的影响相对较小。

三种开挖方案下右洞拱顶沉降最大值分别为12.3 mm、13.92 mm、16.1 mm，最终分别为10.3 mm、11.32 mm、13.95 mm，且开挖过程的沉降曲线与左洞相似。无论是沉降最大还是最终值都呈现工况3>工况2>工况1的规律，可见双侧壁导坑法为最合理的施工开挖工法。

图7 左洞拱顶沉降随开挖步变化曲线

图8 右洞拱顶沉降随开挖步变化曲线

同样选取Y(Z)DK13+633.750断面处所对应的U型槽轨道板测点进行分析，得到了不同开挖方案下距离轨道板中心点-1.5D～1.5D范围内(D为单洞开挖跨度)各测点的沉降值，如图9所示。由图可知，三种施工方案轨道板沉降曲线都呈“倒W型”，轨道板在-1.5D～-0.9D、0.9D～1.5D处表现为翘曲，在-0.9D～0.9D处表现为沉降；三种方案轨道板沉降值在轨道板中点处最大，且工况3与工况1沉降差异值最大达到3.8 mm；三种方案轨道板在0.9D处翘曲值达到最大，且工况3翘曲值8.31 mm远大于工况1的4.64 mm；可见工况1约为工况2和工况3轨道板最大沉降的68.3%和42.4%，且工况1在轨道板中心点对称位置沉降值相差较小，说明此方案开挖双连拱隧道先后行洞的开挖对轨道板产生的影响较小，具有良好的“纠偏”作用。

图9 轨道板最终沉降曲线

4.2 预加固方案研究

4.2.1 模型监测方案

在数值模型中分别布置了3条测线L1—L3，其中L1与L2为分别为左、右洞拱顶沉降测线，测线上分别等距布置了11个测点A1—A11、B1—B11；L3为U型槽轨道板沉降测线，测线上也等距布置了11个测点J1—J11，沉降测线布置如图10所示。

图10 数值模型沉降测点提取路径

4.2.2 拱顶沉降分析

选取A1—A11、B1—B11各测点为研究对象。在无预加固工法下左右洞拱顶沉降分别为图11和图12。由图11可以看出无预加固工法下左洞最大拱顶沉降为42.5 mm，最小拱顶沉降为13.2 mm，拱顶沉降特点为：各测点的拱顶沉降均随开挖的进行逐渐增加，且各开挖进距对应的各测点沉降沿开挖方向呈减小的趋势。说明随着掌子面的推进，掌子面后方拱顶部位围岩的松弛程度逐渐减小。对比左洞拱顶沉降，右洞拱顶沉降如图12所示，无预加固条件下右洞拱顶沉降最大值为46.2 mm，最小值为16.9 mm，说明先行洞的开挖在无预加固的条件下对后行动洞的开挖产生的影响比较大，但后行洞拱顶沉降变化趋势与先行洞相比变化不显著。

图11 无预加固左洞拱顶沉降

图12 无预加固右洞拱顶沉降

管幕支护工法下左右洞拱顶沉降见图13和图14。由图13可以看出，双连拱隧道施工管幕预加固条件下左洞最大沉降为35.45 mm，大约为无预加固工法拱顶沉降的83.4%，最小沉降值接近0 mm。其拱顶沉降特点为：在隧道开挖0～12 m时，各测点拱顶沉降均逐渐增大，其中A1测点增幅最大，在开挖至12 m后，管幕所起的梁拱效应开始显现，具体变现为，掌子面后方的管幕发生明显的向上翘曲变形[20]，而掌子面前方的管幕向下挠曲，直到开挖至18 m时管幕变形达到稳定。对比左洞拱顶沉降，右洞拱顶沉降如图14所示，管幕支护条件下右洞拱顶沉降最大值为42.5 mm，约为左洞沉降的120%，其各测点沉降随开挖步变化曲线与左洞无显著差异。整体对比来看，管幕支护工法对于无预加固工法极大的削减了拱顶沉降的变形趋势，且更能有效抑制拱顶围岩松动和垮塌，使拱顶围岩更快的进入稳定状态。

图13 管幕支护左洞拱顶各测点沉降

图14 管幕支护右洞拱顶各测点沉降

管幕旋喷桩组合工法拱顶沉降见图15和图16。管幕旋喷桩组合工法左洞拱顶最大沉降值为9.28 mm，约为无预加固工法的21.8%，最小沉降值为0.7 mm，为无预加固工法的5.3%。与管幕支护工法相比，其不同点为：A1—A3测点沉降急剧增大，且增幅较其它测点更大；当隧道开挖至12 m～15 m时掌子面后方拱顶变形向上翘曲，当开挖经过A7测点时，掌子面后方拱顶变形由向上翘曲变为向下挠曲直至趋于稳定。与管幕支护工法相比，隧道开挖拱顶翘曲产生的变形更小，在后行洞的推进过程中，先行洞开挖对后行洞所产生的影响几乎没有。

图15 管幕旋喷桩组合工法左洞拱顶沉降

图16 管幕旋喷桩组合工法右洞拱顶沉降

4.2.3 轨道板沉降分析

选取J1—J11各测点为研究对象，得到无预加固条件下轨道板在各关键开挖步时的沉降曲线如图17所示。由图17可以看出，中导洞贯通后轨道板在中导洞上方小部分范围内(J5—J7测点处)发生沉降，其它测点处表现为向上翘曲，且各测点沉降、翘曲值关于轨道板中心线对称分布。随着中隔墙的施作，它对中导洞上方围岩所起的支撑作用使轨道板沉降趋于稳定，沉降值接近0 mm。当左导洞贯通后，轨道板沉降分布发生了很大改变，沉降沿着轨道板中心线向左导洞方向扩散，最终只有J9—J11测点表现为翘曲，此时轨道板沉降峰值仍然出现在J6测点处为7.3 mm。最后，当右导洞贯通后，轨道板沉降重新关于轨道板中心线对称，且右导洞方向各测点沉降、翘曲值均大于左洞，沉降最大值达到10.8 mm。

图17 无预加固轨道板各测点沉降

管幕加固条件下轨道板在各关键开挖步时的沉降曲线如图18所示。由图18可看出，管幕加固条件下轨道板在各关键开挖步的沉降曲线变化规律与无预加固条件下相似，但管幕加固条件下轨道板各测点的沉降翘曲趋势得到了缓解。其沉降曲线特点为：中导洞贯通后，各测点沉降翘曲值仍关于轨道板中心线对称，沉降最大值为0.3 mm，中隔墙的施作消除了部分沉降。当左导洞贯通后，沉降沿左导洞方向扩散，但扩散幅度不大。最后，随着右导洞的贯通，轨道板趋于稳定，沉降峰值达到2.8 mm为无加固条件下的25.9%。

图18 管幕加固轨道板各测点沉降

管幕旋喷桩组合加固条件下轨道板在各关键开挖步时的沉降曲线如图19所示，由图19可以看出，当中导洞贯通后，轨道板各测点均表现为向下沉降，说明管幕旋喷桩在组合形式下形成了刚度较大的整体，该组合结构能更好的抵抗上部围岩传递至隧道的荷载。中隔墙的施作后，轨道板沉降再次降低，直至左导洞贯通，轨道板表现为J1—J7沉降，其他测点均为向上翘曲。最后，当右导洞贯通后，轨道板再次发生沉降，沉降峰值达到0.34 mm，约为无加固条件下的3.14%。

图19 管幕旋喷桩组合加固轨道板沉降

4.2.4 掌子面稳定性分析

各加固工法的围岩水平位移见图20—图22。取隧道左导洞开挖至中部时，即12 m～15 m开挖完成时，掌子面水平方向位移为研究对象。无预加固条件下，隧道开挖不仅对掌子面前方围岩水平位移产生影响，掌子面后方土体也受到大范围的扰动，位移的峰值约为10.2 mm。管幕加固条件下，加固结构对控制围岩水平方向变形起到了较大作用，水平位移峰值出现在掌子面上台阶某点处，约为6.6 mm。管幕旋喷桩组合加固工法使隧道整体水平方向位移显著减小，且有效控制了掌子面前方的稳定性，水平位移的峰值约为1.5 mm。

图20 无预加固工法水平位移

图22 管幕旋喷桩组合加固工法水平位移

5 结 论

(1) 开挖工法方面：双侧壁导坑法、CRD法、全断面开挖法，三种开挖工法左洞拱顶沉最终沉降值分别为10.47 mm、11.43 mm、13.97 mm、右洞拱顶最终沉降值分别为10.3 mm、11.32 mm、13.95 mm，双侧壁导坑法及时施作、拆除支护，能使隧道更快成环。此种开挖工法下，能尽量减小大跨度连拱隧道施工对围岩产生的扰动及对上部地铁结构的不利影响。

(2) 预加固方案方面：管幕旋喷桩组合加固工法和管幕加固工法条件下左洞拱顶最大沉降分别为无预加固工法的21.8%和83.4%；管幕旋喷桩组合加固工法和管幕加固工法条件下轨道板最大沉降分别为0.34 mm、2.8 mm分别为无预加固条件下的3.14%、25.9%；管幕旋喷桩组合加固工法、管幕加固工法、无预加固工法条件下掌子面水平位移峰值分别为1.5 mm、6.6 mm、10.2 mm。因此采用管幕旋喷桩组合加固方案可有效控制隧道及轨道板结构的沉降，确保隧道掌子面前后方围岩的稳定。