暗挖隧道近接上穿地铁盾构隧道的施工模拟

陈敬军，王海祥

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

近年来随着我国对地下空间利用的认识逐步提高，地下工程建设正步入迅猛发展阶段。大量近接工程频繁出现，常常会遇到新建工程位于已建成(运行)地铁区间隧道之上这一新问题[1]。上跨于既有地铁区间隧道的地下工程，由于开挖会引起地铁隧道上方土体的卸载回弹，从而引起隧道结构的上抬变形。如何准确预测和治理既有隧道上抬变形成为急需解决的问题。本文以北京CBD银泰至航华地下过街通道近接上穿地铁10号线为例，对暗挖地下通道施工进行三维数值模拟，预测地铁隧道的变形情况，评估采用二重管无收缩WSS工法加固既有地铁盾构隧道洞周土体方案的可行性。

1 工程概况

北京CBD银泰至航华地下过街通道(以下简称CBD通道)位于东三环路国贸立交桥南段路口下方。整个通道由西集散厅、跨三环主通道、与10号线国贸站连接的辅通道及三个地面出入口、两个紧急疏散通道构成[2]。

CBD主通道自西向东依次上穿地铁10号线国贸站—双井站区间左、右线盾构隧道，两者最小竖向间距仅为2.17 m，主通道最小埋深7.4 m。辅通道和施工横通道大致与10号线左线隧道平行，位置关系见图1。

CBD通道穿越地层主要为粉质黏土和卵石层，上部土层有人工填土、粉土、粉细砂层等，分布较为均匀。10号线国贸站—双井站区间隧道穿越地层主要为粉质黏土和粉土[3]。

国贸站—双井站区间盾构隧道结构由6片外径6.0 m，厚0.3 m的C50钢筋混凝土管片错缝式拼装而成，在地下通道施工时此段隧道即将运营。

为了保证CBD通道的顺利施工和既有盾构隧道不被破坏，设计对与CBD主通道交叉部分的盾构隧道周围土体采用WSS工法注浆加固，加固后土体单轴无侧限抗压强度不小于1.2 MPa，加固范围见图2。地下通道采用复合式衬砌，注浆小导管超前支护，其中各交叉段采用大管棚+注浆小导管超前支护，分部开挖法施工，衬砌结构断面和施工工序如图3所示。

图2 WSS工法注浆加固范围平面、纵剖面(单位:m)

图3 CBD通道衬砌结构断面及施工工序(单位:m)

2 数值模拟分析

2.1 计算模型的建立

1)计算区域的选取

由于地铁10号线左、右线区间隧道均与CBD主通道垂直交叉，且结构形式、施工方法也完全相同。对于10号线左线，除了受CBD主通道上穿和施工横通道开挖的影响，辅通道也与其基本平行，在主、辅通道交叉处二者对10号线左线区间隧道产生综合影响。为突出重点，计算选取CBD主通道和10号线左线交叉区域。

2)计算模型设计

根据计算区域同时考虑边界效应，选取模型尺寸为70 m×74 m×60 m(长×宽×深)。注浆小导管、大管棚及WSS工法加固的作用采取提高地层参数模拟[4-5]。通道的初期支护和盾构管片及竖井结构采用壳单元模拟，通道的二次衬砌采用实体单元模拟。盾构隧道等效为连续体，考虑管片接缝的存在对隧道刚度进行折减，折减系数为0.8。

计算中不考虑地下水作用。地层荷载按自重应力场考虑;地面结构和车辆等各种荷载统一以地面超载(20 kPa)考虑，按照匀布荷载施加于地表。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

3)计算参数

根据地勘报告，共分4个地层，各地层参数和注浆小导管、大管棚加固圈计算参数见表1。

WSS工法注浆加固体的单轴无侧限抗压强度按1.2 MPa考虑，地下通道超前支护层按厚0.8 m计。

2.2 计算分析过程

结合工程实际的施工方法和施工工序，模拟采取首先完成既有的施工竖井和盾构区间，生成CBD通道施工前的初始应力场;采用台阶法由施工竖井进入施工横通道施工，然后由施工横通道进入CBD主通道施工。CBD辅通道采用CRD工法由远离交叉口端进行施工，最终与主通道交接，完成全部施工。

表1 地层及加固圈的物理力学参数

2.3 计算结果与分析

2.3.1 CBD通道施工引起的盾构隧道位移情况

根据三维数值模拟的结果绘制出地铁10号线“国—双区间”盾构隧道在CBD通道施工完成后的竖向、水平位移曲线如图5、图6所示。

图5 地铁10号线盾构隧道的竖向位移曲线

由图5可知，未加固时，地铁盾构隧道的隆起变形呈左右大致对称的驼峰型分布。国贸端由于辅通道和横通道施工的多次扰动以及盾构井的约束作用，其隆起曲率较陡。采用WSS工法加固后位移曲线变得平缓，最大上浮变形由4.9 mm减小为4.4 mm。变形的对称中心由K21+641(CBD主通道中心线对应的10号线左线里程为K21+638)向左侧偏移至K21+644。拱顶的竖向最大相对变形由1/2 100减小为1/3 200，隧道的竖向最大变形曲率半径由30 000 m增加为94 000 m。有效地减小了盾构隧道纵断面方向的变形，满足盾构隧道结构正常运营的安全性需要。

图6 地铁10号线盾构隧道的水平位移曲线

由图6可知，盾构隧道的水平位移较小。采用WSS工法加固后盾构隧道的最大水平位移变化不大，但水平向的收敛变形和水平向的隧道整体侧向变形都明显减小。其中最大水平向收敛变形由1.13 mm(约为0.19‰D)减小为0.47 mm(约为0.06‰D)。有效地减小了盾构隧道断面的椭圆度变化和盾构管片的附加应力。

2.3.2 盾构隧道位移随施工进程的变化情况

为了研究盾构隧道在地下通道暗挖施工过程中的位移变化情况，分别提取CBD主通道中线处盾构隧道(对应左线里程为K21+638)在有、无采用WSS工法加固措施时的竖向位移随施工进程的变化曲线，如图7所示。

图7 盾构隧道竖向位移变化曲线

由图7可知，最大隆起变形均发生于主通道开挖通过盾构隧道时(即模拟施工的第26步)，其后变形值随着其它部分的施工有小幅下降。采用WSS工法加固后使盾构结构的拱顶最大上浮由5.7 mm减小到4.8 mm，仰拱上浮基本不变，由此使得盾构结构的竖向收敛变形明显减小。

2.3.3 盾构隧道纵向受力情况

假设盾构隧道初始状态的纵向内力为零，采用隧道等效连续化模型，将三维计算得到的纵向位移值作为支座位移，盾构隧道等效为弹性地基梁，其纵向等效刚度的计算公式详见文献[6]，计算结果如表2所示。

表2 盾构隧道纵向内力计算结果

由表2可知，采用WSS工法加固后，CBD通道施工引起的盾构结构纵向弯矩较无WSS工法加固时减小20%以上，剪力变化不大。

2.3.4 地表沉降变形

采用WSS工法加固后地下通道施工引起的地表变形情况如图8所示。

图8 地表变形曲面及沉降值

由于施工横通道及CBD主通道的联合影响，在此交叉区域的地表形成了一个较大沉降槽。其中最大沉降值为18.3 mm，沿主通道横断面方向宽度约25 m。其最大沉降值小于地表沉降基准值30 mm，能够保证地面交通的正常运营[7]。

3 结论

根据北京CBD银泰至航华地下过街通道，近接上穿地铁10号线施工全过程的三维弹塑性数值模拟，得到结论如下:

1)对CBD主通道上穿区域的10号线区间隧道周围土体进行WSS工法加固，有效地抑制了10号线隧道结构的整体上浮变形，同时对减小盾构管片的相对变形和增大变形曲率半径的效果明显。

2)对于盾构隧道上浮隆起变形影响较大的施工阶段为CBD主通道通过地铁10号线前的各施工步，因此，施工中要把握重点、控制关键工序，严格做好地层的预加固和各种超前支护。

3)通过对盾构管片结构的强度和刚度校核，当采用WSS工法加固地层后，CBD通道施工引起的盾构隧道受力和变形均满足相关规范的安全要求。

4)地表沉降情况也满足规范要求，能够保证地面交通的正常运营。因此，在松散软弱地层中的浅埋暗挖隧道采用超前小导管注浆加固地层，划大断面为小断面、及时强支护的施工措施，是合理可行的。

5)对既有隧道周围地层采用二重管无收缩 WSS工法注浆加固，有效地减小了近接施工中新、老工程的相互影响，起到了保护既有隧道的作用。

[1]毕强，吴金刚，马杰.新建隧道近距离上穿既有隧道的力学分析及工程处理措施[J].铁道建筑，2009(8):50-54.

[2]北京城建设计研究总院.银泰—航华地下人行通道工程上穿地铁10号线专项设计[R].北京:北京城建设计研究总院，2007.

[3]北京城建设计研究总院.北京CBD地下过街通道岩土工程勘察报告[R].北京:北京城建设计研究总院，2007.

[4]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社，1995.

[5]郭健，王起才，唐述林，等.浅埋暗挖黄土隧道施工过程数值模拟分析[J].铁道建筑，2010(8):81-83.

[6]田敬学，张庆贺.盾构法隧道的纵向刚度计算方法[J].中国市政工程，2001，94(3):35-37.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10417—2003 铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社，2004.