新建地鐵隧道上穿既有線結構抗浮加固效應計算分析

劉忻梅，姜 峰，許有俊，，李文博，王 楓

(1.內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010;2．北京市城市規劃設計研究院，北京 100045;3.北京工業大學，北京 100124)

經過多年的運營，既有地鐵隧道周圍土體中的應力場已經得到充分調整，處于一個相對穩定平衡狀態。新建地鐵隧道的施工，將不可避免地擾動其周圍的土體，打破了原有的應力平衡狀態。新建隧道底下方的土體，正處于隧道開挖作用的卸荷區。主要是開挖卸荷效應，產生了向上的卸荷附加應力場，在其作用下，引起新建隧道底部一定深度范圍內的土體向上回彈隆起。土體的隆起帶動既有隧道產生局部縱向上浮變形及附加內力，使既有地鐵隧道結構發生剪切、拉伸和扭轉變形。嚴重者使結構破壞，會造成道床變形開裂、道床脫離，兩軌高差超限、單軌垂直和水平位移超限、軌道曲率超限等，從而影響既有線列車的正常、安全運營［1］。有些既有地鐵隧道結構在修建時不曾考慮后期會有新建地鐵上穿施工，既有隧道結構沒有配筋，并經過多年的運營，混凝土結構開裂劣化。新建隧道上穿施工時，將面臨新的挑戰。

目前地鐵上穿工程的成功案例較少，相關理論尚不完善。穿越過程中，對既有線的抗浮加固措施及導洞施工的時空效應等關鍵問題仍處于探索階段。因此，本文對既有隧道結構地層抗浮加固措施等關鍵問題進行研究，其研究成果可為今后類似工程提供借鑒經驗，完善上穿近接工程施工理論和方法［2］。

1 工程概況

1.1 站址環境

北京地鐵4號線西單站位于復興門內大街(長安街)與宣武門內大街、西單北大街相交處十字路口的東側，呈南北走向，與1號線西單地鐵車站呈“T”字型換乘。新建地鐵4號線西單車站與地鐵1號線區間線路平面及縱面關系見圖1［3］。

圖1 4號線西單站暗挖段與1號線區間的平面關系(單位:mm)

1.2 主要施工參數

1)施工工序。新建4號線西單車站隧道采用中隔壁法(CRD法)施工，該法是通過臨時仰拱和臨時中隔壁把大斷面分割成小斷面的方法，以時間換取空間，充分地體現了隧道開挖的時空效應。該法適用于地層軟弱的大斷面隧道施工，在每一步施工步序中，通過臨時中隔壁和臨時仰拱來封閉斷面，可有效地控制洞室的收斂，減少了開挖對周圍地層的擾動。

暗挖段長46．8 m，由南至北分段施工。施工時先施作左洞，待施工順利通過1號線上下行區間后，再施作右洞，以減小對1號線區間上部土體的擾動。每側洞采用CRD工法，分6個洞室分步施作。每個導洞開挖間隔為5 m。如圖2所示。

2)深孔注漿加固措施。為控制既有1號線的上浮變形，從1號、3號洞室底部對結構底板與1號線區間隧道兩側土體進行注漿加固，加固范圍主體結構底板下10 m，兩側6．0 m，加固土層底部到達卵石層。同時，為減少對1號線區間單側土層注漿時可能產生的不平衡側壓力，要求導洞開挖25 m后再向下進行土體注漿，并盡量做到對區間結構的兩側土體同時注漿加固。

圖2 左線隧道部分施工步序

3)工程特點。北京地鐵4號線西單車站上穿1號線既有區間隧道，地面交通繁忙。車站底板與1號線既有區間隧道頂凈距僅為0.5 m。既有隧道二襯施工時間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。新建地鐵車站施工既要保證長安街的地表沉降值不超過限值，確保地面交通及周邊建筑物的安全，又要保證1號線區間隧道、軌道的上浮變形不超過限值，因此設計與施工難度非常大。

2 數值模型計算分析

采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維數值計算模型，對新建地鐵車站的施工全過程進行了模擬，模型幾何尺寸為100 m×80 m×60 m，見圖3。大管棚、小導管加固地層、新建隧道與既有隧道結構襯砌均采用實體單元，中隔壁采用 Shell單元，注漿加固地層按提高加固范圍內土體物理力學等效參數考慮［4-5］。

圖3 幾何模型

2.1 計算參數

根據巖土勘察報告，將土層性質及力學參數相似的土層進行合并，合并為5層，土層參數詳見表1。

2.2 數值計算模型的有效性驗證

在既有隧道結構抗浮措施研究之前，將數值計算結果與實際監控數據進行對比分析，以確保計算參數及模型的合理性以及計算結果的可靠性。

表1 土層參數表

由圖4分析可知，對于右線初支完成后沿既有隧道結構縱向的上浮變形情況，數值模擬計算出的最大值為2.57 mm，遠程第三方監控量測最大值為2.14 mm。二者存在一定差異，總體吻合較好，且變形曲線形態相似，從而驗證數值計算模型參數較合理，計算結果可靠。在此基礎上，對既有隧道抗浮加固措施進行研究。

圖4 右線初支完成后既有線上浮變形曲線

2.3 計算結果分析

通過對既有隧道結構周圍一定范圍內土體注漿加固，漿液通過滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用，改善了土顆粒間的膠結作用，使膠結力明顯增大。同時，粒狀漿液的注入，填充了土體顆粒間的孔隙，改變了孔隙度和飽和度，改善了土體的物理力學參數，較大地提高了土體自穩能力及抗變形能力。

1)未加固地層。通過計算結果分析可知，在地層未加固的情況下，既有1號線區間隧道的上浮量隨著小導洞的開挖逐漸增加。左線隧道初支完成后，既有隧道結構的上浮量為8.66 mm，右線隧道初支完成后，達到16．66 mm。隨著離上部新建隧道中心距離的增大，既有結構的上浮量減少。

2)加固地層。通過計算結果分析可知，在地層加固的情況下，既有1號線區間隧道的上浮量隨著小導洞的開挖逐漸增加。左線隧道初支完成后，既有隧道結構的上浮量為1.94 mm，右線隧道初支完成后，達到2.57 mm，未超過預警值，允許控制值4.0 mm(報警值2.8 mm)。隨著離上部新建隧道中心距離的增大，既有結構沿縱向的上浮量逐漸減少。

3)對比分析。通過對采取注漿加固措施與未采取加固措施兩種工況下計算結果對比分析可知，在其它計算參數保持不變的情況下，未采取加固措施時，既有隧道結構的最大上浮值為16．66 mm，采取加固措施后，既有隧道結構的最大上浮值降至2.57 mm，說明注漿加固措施可有效地控制既有線的上浮變形。

為了更清楚對比兩種工況下計算結果的差別，計算出各個小導洞施工引起的上浮貢獻值及相應的比例，結果見表2。

表2 既有隧道結構累計上浮發展情況

由表2分析可知:

1)在地層未加固的情況下，左線、右線1導洞和3導洞離既有線的相對位置較遠，對既有線的影響較小，4個導洞開挖引起既有線的上浮量占總上浮量的17.8%。左線、右線2導洞和4導洞離既有線較近，開挖引起既有線的上浮量占總上浮量的34%。左線、右線5導洞和6導洞，離既有線最近，引起既有線上浮量達到最大，上浮量占總上浮量的48.2%。因此，左線、右線2導洞、4導洞、5導洞和6導洞的開挖是引起既有線上浮的主要施工步序，在進行這幾個導洞開挖之前必須進行地層的預加固，以控制既有線的上浮量。

2)在地層加固的情況下，左導洞1、左導洞3開挖引起的上浮值與地層未加固時的結果接近，占總上浮值的51.8%，原因是這兩個導洞開挖時未對土體進行加固。中層導洞、底層導洞對于既有結構的上浮變形貢獻值減少;先行施工的左洞引起的既有結構的上浮變形貢獻值為75.5%，遠遠大于后行右洞的貢獻值24.5%。

3)在兩種工況下，既有隧道結構縱向變形形狀上近似于正態曲線，即形成一個反Peck曲線的上浮槽，由于左右線間距較近，表現為單峰形態。

4)通過對有加固措施與無加固措施計算的上浮槽曲線進行對比分析，發現采取加固措施后，對既有線的影響范圍減小，同時上浮值也減少至1/6。

3 結論

1)未采取加固措施時，既有隧道結構的最大上浮值為16．66 mm，采取加固措施后，既有隧道結構的最大上浮值降至2.57 mm，說明注漿加固措施可有效地控制既有線的上浮變形。既有隧道結構縱向變形的形狀近似于正態曲線，即形成一個反Peck曲線的上浮槽，由于左右線間距較近，表現為單峰形態。

2)對于CRD法施工的新建隧道，離既有線較遠的小導洞，對既有線的上浮變形影響較小，反之，對既有線的上浮變形影響較大。中層導洞和下層導洞是引起既有線上浮的主要施工步序，在進行這幾個導洞開挖之前應進行地層的預加固，以控制既有線的上浮量。

感謝北京城建設計研究總院為本文提供了工程基礎資料。

［1］張曉麗．淺埋暗挖法下穿既有地鐵構筑物關鍵技術研究與實踐［D］．北京:北京交通大學，2007.

［2］許有俊．淺埋暗挖法地鐵隧道上穿既有線結構關鍵問題研究［D］．北京:北京工業大學，2011.

［3］許有俊，李文博，王楓．超淺埋新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結構上浮變形預測［J］．鐵道建筑，2011(3):70-73.

［4］朱劍．新建上穿車站施工對既有隧道結構變形的影響及控制研究［D］．北京:北京工業大學，2010.

［5］陶連金，張印濤，唐四海．礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數值模擬［C］//地下工程施工與風險防范技術:第三屆上海國際隧道工程研討會文集．上海:2007:560-565.